劉翔，劉俊杰，羅方贊

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車輛正面碰撞中的耐撞性能仿真分析

劉翔，劉俊杰，羅方贊

（衢州職業(yè)技術(shù)學(xué)院，浙江 衢州 324000）

為了評(píng)價(jià)汽車在正面碰撞事故中耐撞性能，應(yīng)用HyperWorks仿真軟件建立了車輛正面100%碰撞有限元模型。后處理利用HyperView對(duì)B柱下端加速度、A柱上部最大折彎角、前圍板侵入量以及前門鉸鏈變形量4項(xiàng)重要評(píng)價(jià)指標(biāo)進(jìn)行仿真分析，以此評(píng)估正面碰撞中車體的耐撞性能。結(jié)果表明：B柱下端最大加速度小于3ms合成加速度72g的要求，A柱上部最大折彎角對(duì)乘員傷害程度在允許范圍內(nèi)，前圍板變形云圖小范圍超出目標(biāo)值，前門鉸鏈變形量不影響碰撞后車門的正常開啟，車體耐撞性能良好。類比2017年C-NCAP實(shí)車正面碰撞結(jié)果，表明仿真試驗(yàn)具有較高的可信性，為車體耐撞性優(yōu)化設(shè)計(jì)提供依據(jù)。

正面100%碰撞；有限元；耐撞性能；仿真分析

1 引言

汽車已成當(dāng)今社會(huì)人們出行的主流交通工具，但隨著汽車保有量的日益增加，道路通行效率呈現(xiàn)下滑趨勢(shì)，導(dǎo)致道路交通碰撞事故的頻發(fā)。因此提高汽車耐撞性能，最大限度地降低乘員在碰撞事故中的傷害程度，已成為汽車制造企業(yè)主要的研方向。

正面碰撞試驗(yàn)是檢驗(yàn)一輛汽車耐撞性能非常正要的指標(biāo)。在中國(guó)新車安全評(píng)價(jià)體系C-NCAP中正面100%剛性壁碰撞試驗(yàn)占18分，占比約30%，凸顯了正面100%碰撞的重要性。傳統(tǒng)實(shí)車碰撞試驗(yàn)破壞性大、成本高、重復(fù)性差，對(duì)于前期汽車耐撞性設(shè)計(jì)階段的反饋效率低且周期長(zhǎng)[1]。但計(jì)算機(jī)仿真技術(shù)的應(yīng)用很好地克服了這些缺陷，其采用顯示非線性有限元法能夠準(zhǔn)確地分析在碰撞中汽車結(jié)構(gòu)和材料的非線性問題，且隨著建模精度的不斷提高，碰撞仿真結(jié)果的準(zhǔn)確度也在提供。目前利用計(jì)算機(jī)仿真技術(shù)研究汽車耐撞性已成為各大汽車廠商的主流方法。

2 汽車碰撞仿真試驗(yàn)有限元原理

汽車碰撞的過程涉及到若干結(jié)構(gòu)部件的瞬態(tài)大變形和大位移，體現(xiàn)了幾何、材料和接觸等一系列非線性特征[2]。顯示非線性有限元法則是將汽車結(jié)構(gòu)進(jìn)行有限元離散，把整車劃分為許多單元，計(jì)算出每個(gè)單元的速度、加速度以及能量，在對(duì)各個(gè)單元進(jìn)行組集就可以得到整車各個(gè)部件在碰撞中的速度、加速度及能量變化情況。單元?jiǎng)澐值脑蕉?，則仿真精度越高。被劃分的單元內(nèi)的任意點(diǎn)的坐標(biāo)用節(jié)點(diǎn)差插值法表示為：

利用虛功原理對(duì)所有單元的虛功求和，則有：

把式(2)式改寫成矩陣形式，得：

公式（3）中，[N]表示形函數(shù)矩陣，[B]表示應(yīng)變矩陣，{σ}表示柯西應(yīng)變矢量：

表示體積力矢量，{t}表示牽引力矢量，兩者矩陣的表達(dá)形式如下：

在整車碰撞中各個(gè)單元相互擠壓致使兩者之間的相對(duì)位移的發(fā)生變化，在整體上體現(xiàn)結(jié)構(gòu)上的變形情況，進(jìn)而可以計(jì)算出結(jié)構(gòu)件變形吸能值，為整車耐撞性的分析提供基礎(chǔ)。HyperMesh可以對(duì)汽車結(jié)構(gòu)中的覆蓋件，如車身蒙皮、引擎蓋、前翼子板等實(shí)行2D網(wǎng)格劃分，劃分的單元網(wǎng)格精度以mm計(jì)，同時(shí)對(duì)于發(fā)動(dòng)機(jī)總成、驅(qū)動(dòng)橋等三維實(shí)體結(jié)構(gòu)可以進(jìn)行3D網(wǎng)格劃分。網(wǎng)格劃分越密，則整車仿真效果越好。圖1為整車網(wǎng)格化有限元模型。

圖1 整車網(wǎng)格化有限元模型

3 整車仿真試驗(yàn)可信性分析

整車仿真碰撞試驗(yàn)要遵守能量守恒，否則仿真的結(jié)果是不可靠的。由于采用了高斯單點(diǎn)積分法，會(huì)導(dǎo)致仿真計(jì)算中產(chǎn)生一部分的沙漏能，行業(yè)上要求沙漏能要控制在5%的范圍內(nèi)，否則會(huì)影響仿真試驗(yàn)的效果。同時(shí)還需對(duì)碰撞中整車總能量、內(nèi)能、動(dòng)能之間的變化分析，確保能量轉(zhuǎn)化的合理性。整車碰撞初始速度設(shè)置為56km/h，重力加速度為9.8m/s2，碰撞時(shí)間設(shè)置150ms。

在圖2中可知，在碰撞過程中總能量曲線基本維持在水平狀態(tài)，接近一條直線，說明碰撞中遵守能量守恒定律。動(dòng)能曲線在汽車接觸剛性墻開始迅速下滑，約在70ms時(shí)刻降至最低值，之后曲線略有上升，此時(shí)汽車低速反彈。內(nèi)能曲線與動(dòng)能曲線呈鏡像關(guān)系，表示汽車碰撞階段動(dòng)能向內(nèi)能轉(zhuǎn)化，吸能最大值為148688000J，約占總能量的93.67%，可見在碰撞中車身結(jié)構(gòu)吸收了極大的碰撞能量。沙漏能變化曲線在碰撞過程中始終處于極低的水平。約占總能量的4.98%，低于5%的行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)。整車能量變化仿真效果符合實(shí)際碰撞過程。

圖2 整車碰撞中能量變化曲線

4 整車正面碰撞仿真結(jié)果分析

4.1 車身結(jié)構(gòu)變形分析

車身主要吸能結(jié)構(gòu)采用的是SectShll殼單元類，材料屬性選擇MAT24模型，它能有效反映料彈塑性力學(xué)特性，剛性材料模型選擇MAT20，這種模型可以保持結(jié)構(gòu)在碰撞中節(jié)點(diǎn)相對(duì)位移不變。不用計(jì)算結(jié)構(gòu)內(nèi)部的應(yīng)力，提高模型計(jì)算效率。

從碰撞力傳遞途徑來看，保險(xiǎn)杠首先觸墻結(jié)構(gòu)被擠壓變形，接著前縱梁前端誘導(dǎo)槽發(fā)生壓潰，隨后碰撞沖擊力傳遞至縱梁中末端，導(dǎo)致動(dòng)力總成沖擊前圍板，前圍板受沖擊力作用變形向乘員艙侵入，同時(shí)車身結(jié)構(gòu)受汽車前端能量的沖擊變形，A柱上部折彎，乘員艙變形，底盤產(chǎn)生翹起變形，最后能量傳遞至汽車尾部。

圖3 車身結(jié)構(gòu)變形過程

在圖4的車身仿真變形結(jié)果中，汽車前端發(fā)動(dòng)機(jī)艙蓋受沖擊被彈開，保險(xiǎn)杠被壓平，前翼子板產(chǎn)生褶皺，車身前傾，汽車尾部抬起，傳動(dòng)軸彎折，整個(gè)碰撞過程符合力傳遞過程，與實(shí)際整車正面碰撞效果相符。在碰撞中車身結(jié)構(gòu)未發(fā)生明顯結(jié)構(gòu)破壞，乘員艙結(jié)構(gòu)較為完整，乘員生存空間壓縮量較小，車體耐撞性良好。

4.2 B柱下端加速度分析

B柱下端加速度是衡量車身耐撞性能的重要指標(biāo)。利用Tools界面中的Create cards功能選項(xiàng)*ELEMENT- SEATBELT -ACCELEROMETER即完成B柱加速度傳感器的創(chuàng)建，位置選取在B柱底端與門檻梁的交界處，一是此處結(jié)構(gòu)剛度大，碰撞變形小，二是能夠最大程度地反映駕駛員在碰撞中的真實(shí)加速度感受。

在C-NCAP評(píng)價(jià)體系中，采用3ms合成加速度作為假人頭部傷害指標(biāo)，高性能限值要求小于72g。超過72g的時(shí)間持續(xù)超過3ms，則反映了乘員持續(xù)損傷的程度，而乘員累計(jì)損傷通過超過72g的累計(jì)時(shí)間顯示。在圖4中，左側(cè)B柱下端最大加速度為56.07g，右側(cè)最大加速度為45.78g,兩側(cè)最大加速度均小于72g，說明在碰撞中對(duì)駕駛員造成的持續(xù)損傷與累計(jì)損傷均小于C-NCAP的最高能限值。

圖4 B柱下端加速度變化曲線

4.3 A柱上部最大折彎角分析

A柱作為碰撞中維持乘員艙完整性的主要承力結(jié)構(gòu)，在碰撞中會(huì)發(fā)生上部折彎以及向后侵入變形的情況，可能導(dǎo)致乘員艙上部空間受到壓縮，致使駕駛員頭部及胸部受到一定程度損傷。因此對(duì)A柱變形進(jìn)行仿真分析顯得尤為必要。

圖5 A柱碰撞前后變形效果圖

圖6 A柱上部折彎角變化曲線

圖4是A柱碰撞前后的變形圖，可見在碰撞中上部發(fā)生折彎變形，產(chǎn)生折彎增角△。在圖6中△在前60ms時(shí)間段內(nèi)，隨著碰撞的深入，其值急劇增加，最大值約為4o，此階段內(nèi)前排乘員受傷風(fēng)險(xiǎn)最大，乘員頭部及頸部可能受到A柱上部的接觸沖擊壓力，導(dǎo)致相應(yīng)部位的損害。此后A柱彈性恢復(fù)，△由峰值逐漸下降，乘員損害減輕。因此對(duì)A柱折彎角的分析重點(diǎn)是在△達(dá)到最大值時(shí)刻，由此才能研究A柱折彎變形中對(duì)乘員造成的最大傷害情況，為后期優(yōu)化設(shè)計(jì)提供目標(biāo)。

4.4 前圍板侵入量分析

在碰撞中，前圍板受來自發(fā)動(dòng)機(jī)艙沖擊力的作用，會(huì)向乘員艙內(nèi)侵入變形，侵入量過大會(huì)導(dǎo)致前排乘員的腿部及腳受到損害。工程上一般要求前圍板侵入量小于150mm，以達(dá)到安全要求。

在圖7前圍板變形云圖中，前圍板左右中間部位受碰撞沖擊力的影響，侵入量最大，由中間向外圍侵入量遞減。從面積上來看，前圍板約94%的范圍內(nèi)侵入量在140mm以內(nèi)，其余在140mm至180mm之間。從最大變形區(qū)域位置上看，該區(qū)域?qū)?yīng)的是前排乘員的小腿部位，可能會(huì)在碰撞中對(duì)乘員的小腿造成損傷。因此需要對(duì)前圍板該區(qū)域結(jié)構(gòu)進(jìn)行強(qiáng)度優(yōu)化，同時(shí)對(duì)該區(qū)域縱向方向發(fā)動(dòng)機(jī)艙內(nèi)的結(jié)構(gòu)部件優(yōu)化設(shè)計(jì)，以使前圍板達(dá)到最佳耐撞性能。

圖7 前圍板變形云圖

4.5 前門框鉸鏈變形量分析

在C-NCAP正面碰撞試驗(yàn)中要求車門不開啟，碰撞結(jié)束后每排至少有一個(gè)車門在不借助外力的情況下正常開啟。在仿真試驗(yàn)中通過前門上下鉸鏈的變形量來反映此項(xiàng)功能。

圖8 前門框變形圖

在HyperView后處理界面分別在前門框上下鉸鏈出選取一對(duì)測(cè)量點(diǎn)，測(cè)量?jī)烧咧g在X方向的距離變化情況，用以反映上下鉸鏈出的變形量。在圖8中，前門框有一定的壓縮變形，效果不明顯。在圖9中的變形曲線中，則精確反映了變形量。通過對(duì)上下鉸鏈最大變形量的分析，能評(píng)估在碰撞中車門是否會(huì)發(fā)生開啟現(xiàn)象，危害乘員的生命安全。在碰撞中上鉸鏈的最大變形量約為32mm，下鉸鏈的最大變形量約為20mm，對(duì)于最大變形量的安全限值，一般上鉸鏈小于35mm，下鉸鏈小于25mm。通過對(duì)上下鉸鏈最終變形量的分析能判斷在碰撞結(jié)束后車門能否正常開啟，是否會(huì)影響乘員逃生，正面碰撞中要求上鉸鏈最終變形量要小于25mm，下鉸鏈小于15mm。在圖9中上鉸鏈最終變形量為22mm，下鉸鏈為13mm。因此符合安全要求。

圖9 上下鉸鏈變形量曲線

5 結(jié)論

通過對(duì)車身結(jié)構(gòu)變形、B柱下端最大加速度、A柱最大折彎角、前圍板侵入量以及前門框上下鉸鏈等指標(biāo)的仿真分析。除前圍板最大侵入量小范圍超出目標(biāo)值外，其余指標(biāo)均在合理安全要求內(nèi)，類比2017年C-NCAP多款同類型車型正面碰撞試驗(yàn)結(jié)果（見圖10），該車試驗(yàn)仿真的試車試驗(yàn)得分應(yīng)該在15分左右，整體耐撞性能為良好。說明此次仿真分析方法具有較高的真實(shí)性和有效性，能為汽車耐撞性研究提供試驗(yàn)支撐。

圖10 2017年C-NCAP實(shí)車正面碰撞結(jié)果

[1] 鄭何妍,盧耀輝,張德文,趙智堂,劉俊杰.汽車正面耐碰撞性有限元仿真分析[J].重慶理工大學(xué)學(xué)報(bào)(自然科學(xué)),2018,32(02): 31-37+ 134.

[2] 崔淑娟,陳可明.某車型小重疊碰撞仿真及車體結(jié)構(gòu)優(yōu)化[J].汽車安全與節(jié)能學(xué)報(bào),2014,5(02):139-144.

[3] 劉釗,朱平,喻明,盧家海.基于正面力傳遞路徑的轎車車身結(jié)構(gòu)耐撞性[J].汽車安全與節(jié)能學(xué)報(bào),2011,2(04):317-322.

[4] 于英華,郎國(guó)軍.基于LS-DYNA的汽車保險(xiǎn)杠碰撞仿真研究[J].計(jì)算機(jī)仿真,2007(12):235-238.

[5] 亓文果,金先龍,張曉云,孫奕.汽車車身碰撞性能的有限元仿真與改進(jìn)[J].上海交通大學(xué)學(xué)報(bào),2005(09):1452-1456.

Simulation Analysis of Crashworthiness in Vehicle Frontal Collision

Liu Xiang, Liu Junjie, Luo Fangzan

( QuZhou College of Technology, Zhejiang Quzhou 32400 )

For evaluating the crashworthiness of a vehicle in a frontal collision accident, A finite element model of vehicle 100% frontal collision is established by using HyperWorks software. Acceleration at the bottom of B-pillar, maximum bending angle on the upper A-pillar, dash panel intrusion and deformation on the front door hinge are four important evaluation indexes analyzed in post-processing . in this way, the crashworthiness of the vehicle body in a frontal collision is evaluated. The results show that the maximum acceleration at the bottom of B-pillar is less than the requirement of 72g synthetic acceleration in 3ms. The maximum bending angle on the upper A-pillar is within the allowable range of the occupant. Cloud dash panel intrusion is beyond the target value in a limited extend, deformation on the front door hinge is not effecting the normal opening of the door after collision, the car body has good crashworthiness. Analogous to the results of the C-NCAP real vehicle frontal collision in 2017, it shows that the simulation test has high credibility and provides a basis for the optimal design of the vehicle body crashworthiness.

100% frontal collision;finite element;crashworthiness;simulation analysis

TP399; U661.93

B

1671-7988(2019)09-149-04

TP399；U661.93

B

1671-7988(2019)09-149-04

劉翔（1989-），男（漢族），就職于衢州職業(yè)技術(shù)學(xué)院，主要研究汽車被動(dòng)安全。

衢州市科技計(jì)劃指導(dǎo)性項(xiàng)目（2018001）；衢州職業(yè)技術(shù)學(xué)院校級(jí)一般科研項(xiàng)目（QZYY1808）。

10.16638/j.cnki.1671-7988.2019.09.048