龔嘉成，凌路易，劉乾

（200082 上海市 上海理工大學(xué)）

0 引言

公安部交通管理局對碰撞事故的統(tǒng)計顯示，汽車正面碰撞事故約占66.9%，側(cè)面碰撞事故約占28%，追尾碰撞和滾翻的比例稍低[1]，而側(cè)面碰撞事故是造成死亡率最高的碰撞形式。在我國，許多城市存在交通繁忙堵車等情況，而大多數(shù)的汽車碰撞事故是發(fā)生于低速狀態(tài)下的。圖1 是不同碰撞形式下的人員死亡率。

圖1 不同碰撞形式下的人員死亡率Fig.1 Human mortality rates under different collision patterns

從圖1 可以看出，在所有碰撞形式中，當(dāng)發(fā)生側(cè)面碰撞時，人員的死亡率最高，由此可以看出側(cè)碰安全的重要性。汽車的輕量化，就是在保證汽車的強(qiáng)度和安全性能的前提下，盡可能地降低汽車的整備質(zhì)量。本文是基于保證汽車側(cè)碰安全性能的研究，通過更換材料等方式來完成車門部分的輕量化[4-10]。

Wang S 等提出了一種基于數(shù)字生產(chǎn)線環(huán)境的輕型汽車車門設(shè)計方法，包括材料和制造工藝的選擇，進(jìn)行了多目標(biāo)分析，最終確定最佳車門面板厚度和最佳車門組件，同時對傳統(tǒng)鋼材沖壓工藝也進(jìn)行了改進(jìn)；Wiesbaden S F 研究了蒂森克虜伯的Litecor 車門外面板，該車門的鋼聚合物復(fù)合材料由2 塊非常薄的鋼蓋板和1 個塑料芯組成，通過成形仿真考慮Litecor 的特性并開發(fā)出相應(yīng)的工藝用途；哈弗H2 款系列汽車車門（見圖2）由于采用了鋁合金材料而變得更加“輕巧”。徐作文[2]等研究碳纖維的復(fù)合材料，并運(yùn)用于汽車車前門，隨后對車門的靜態(tài)剛度、模態(tài)以及碰撞后處理進(jìn)行有效分析，得出了碳纖維復(fù)合材料可運(yùn)用于車門輕量化的結(jié)論。

1 碰撞模型建立

本文對車門側(cè)面碰撞所采取的法規(guī)是E-NCAP（歐盟新車認(rèn)證程序/中心），這是汽車界最具權(quán)威的安全認(rèn)證機(jī)構(gòu)，創(chuàng)始于1997 年，由歐洲7 個政府組織組成。2009 年10 月，E-NCAP在其新的星級評定程序中，將側(cè)面90°垂直柱碰列為正式試驗(yàn)評價項目[11-14]。我國C-NCAP 于2019 年剛剛頒布了汽車側(cè)面柱碰撞的乘員保護(hù)法規(guī)，這是一個推薦性國家標(biāo)準(zhǔn)，通過國標(biāo)網(wǎng)查詢可得剛性圓柱體是一個垂直的、不能變形的剛性金屬結(jié)構(gòu)，柱體的直徑選取在254±6 mm，剛性圓柱體的質(zhì)量為298 kg，且圓柱最下端需在車門最底端位置朝上127 mm。車門的碰撞速度應(yīng)選取29±0.5 km/h，但由于本文研究是基于低速碰撞的情況，所以選取4 mm/ms 的初速度用車門去擠壓撞擊剛性柱，直徑選取254 mm[15]。

這次研究所選用的模型是某企業(yè)的小轎車車門模型，該車門是一個復(fù)雜的系統(tǒng)零件，主要組成是內(nèi)面板、外面板、車門防撞梁、加強(qiáng)板、鉸鏈安裝板、窗框、窗框組件、固定板和限位器安裝板等。圖3 是完成有限元前處理后的模型。

在網(wǎng)格劃分中，主要的網(wǎng)格類型有殼單元和梁單元等。對車門來說，大多零件都是厚度較小的柔性零件，所以在這選取殼單元來劃分網(wǎng)格。一般先會采取automesh 指令對模型進(jìn)行初步網(wǎng)格劃分，劃分出來的網(wǎng)格在一些細(xì)節(jié)中都是粗糙的，會影響分析結(jié)果，需要對網(wǎng)格進(jìn)行優(yōu)化。首先要設(shè)置網(wǎng)格屬性，網(wǎng)格尺寸設(shè)置為10，最小為2，最大為20，翹曲角最大為15°，單元扭轉(zhuǎn)角小于40°。網(wǎng)格主要有四邊形和三角形單元，主要運(yùn)用的是四邊形單元，但在一些過渡曲面或復(fù)雜結(jié)構(gòu)轉(zhuǎn)折時可以用三角單元來劃分，為了精度要求，單元總數(shù)中，三角單元的比例要求在5%以下[3]，圖4 和圖5 是automesh 指令里面對某處網(wǎng)格進(jìn)行優(yōu)化的前后對比。從圖中可以看出，優(yōu)化后的網(wǎng)格多了四邊形單元，這可以提高后續(xù)的計算分析的精確度。

圖5 優(yōu)化后的網(wǎng)格Fig.5 Optimized grid

車門的材料大多選取的是非線性的材料，材料都有明顯的各向異性，參數(shù)獲取也較為復(fù)雜。為了碰撞仿真結(jié)果的精確，材料的應(yīng)變率應(yīng)考慮在內(nèi)。在LS-DYNA 軟件中，材料卡片選用的是MAT_PIECEWISE_LINEAR_ PLASTICITY 分段線性材料，材料的密度、彈性模量、泊松比和屈服強(qiáng)度等進(jìn)行定義。表1 是提供的車門主要組件的名稱和材料

表1 車門主要組件的名稱和材料Tab.1 Names and materials of main door components

參照E-NCAP 柱碰試驗(yàn)的模型，選定直徑為254 mm 的剛性圓柱，材料選取MAT20 號剛體材料，網(wǎng)格按3D 單元自動劃分，尺寸為10 mm×10 mm，單元數(shù)為60 000 個，節(jié)點(diǎn)數(shù)是63 916 個，質(zhì)量為298.397 kg。MDB（移動變形壁障）模型與車門的距離具體如下：車門外板與剛性圓柱之間的最短距離為10.845 mm；剛性圓柱最低端高于車門最低點(diǎn)127 mm；剛性柱軸心距車門門鎖端邊框481 mm，即在車門正中間位置；剛性柱高750 mm。車門整體設(shè)置為一個block，對block 施加4 mm/ms 的初速度（沿y 軸負(fù)向）去碰撞剛性圓柱。圖6 為MDB模型的俯視圖和主視圖。

圖6 MDB 模型Fig.6 MDB model

2 仿真結(jié)果分析

MDB 模型搭建完成后，通過k 文件的形式將需要計算的模型導(dǎo)出，在LS-DYNA 中導(dǎo)入需要計算的k 文件進(jìn)行求解，且該模型導(dǎo)入后，仿真結(jié)果通過D3PLOT 形式輸出，并在HyperView中查看。從時間歷程來看，車門內(nèi)外面板都是有非常明顯的侵入。圖7 是碰撞中間過程的時序圖，間隔為20 ms，從中可以更加具體看出碰撞中間過程的位移變化情況。

圖7 碰撞中間過程時序圖Fig.7 Sequence diagram of collision intermediate process

圖8 是能量曲線的變化圖。車門的動能由短暫不動，到增速下降，再到最后趨于平穩(wěn)。選定坐標(biāo)（3.95，6.25），該點(diǎn)之前，車門的動能和內(nèi)能都沒有變化，此時說明車門還未撞擊到剛性圓柱，還處于4 mm/ms 的平移階段，動能為8 124 kg·mm2/ms2，內(nèi)能為6 kg·mm2/ms2，總能量保持恒定為8 130 kg·mm2/ms2；3.95 ms 后，車門開始和剛性圓柱產(chǎn)生接觸撞擊，此時車門的動能開始下降而內(nèi)能在上升，速度均是由緩及快，再由快及緩；當(dāng)時間到達(dá)78.6 ms 后，內(nèi)能達(dá)到7 000 kg·mm2/ms2，且內(nèi)能動能趨于平穩(wěn)，此時說明碰撞接觸已經(jīng)結(jié)束。在78.6 ms 時，車門的動能為12 kg·mm2/ms2，內(nèi)能為8 118 kg·mm2/ms2。圖中碰撞的沙漏能占總能量之比小于5%的標(biāo)準(zhǔn)，說明沙漏能也是可靠的，從而得出本次碰撞仿真的結(jié)論是可靠的。

圖8 車門碰撞能量曲線變化圖Fig.8 Change of energy curve of door collision

3 輕量化設(shè)計

輕量化設(shè)計所選擇的輕質(zhì)材料為AA6061-T4號鋁合金，該鋁合金的主要組成是鎂與硅，具有較高的硬度、良好的抗腐蝕性、高韌性以及加工后不易變形等特點(diǎn)。該類合金廣泛應(yīng)用于工業(yè)結(jié)構(gòu)件上，如船舶、鐵道車輛、卡車等。其密度為ρ=2.7×103 kg/m3，彈性模量E=70 GPa，泊松比v=0.28，屈服應(yīng)力σ=110 MPa，該鋁合金材料在Materials 模塊中來模擬其應(yīng)力-等效塑性應(yīng)變，曲線如圖9 所示。

圖9 鋁合金6061 應(yīng)力-等效塑性應(yīng)變曲線Fig.9 Aluminum alloy 6061 stressequivalent plastic strain curve

車門輕量化碰撞后處理中，主要采取對比內(nèi)板侵入量和內(nèi)板侵入速度以及碰撞力來進(jìn)行方案優(yōu)劣比較。因?yàn)檐囬T內(nèi)板是一個較大的板厚零件，所以侵入量各個地方都不同，因此在碰撞模型搭建時，事先在車門內(nèi)板id 號為19131 的單元處設(shè)置了一個傳感器來輸出碰撞結(jié)果，并選取傳感器對應(yīng)的三個節(jié)點(diǎn)中位移量最大的節(jié)點(diǎn)作為比較對象。在此方案中選取id 號為86168 的節(jié)點(diǎn)作為侵入量和侵入速度的輸出對象來衡量汽車碰撞后的性能。表2 為各車門輕量化方案對比。

表2 各車門輕量化方案對比Tab.2 Comparison of lightweight schemes for each door

綜上所述，選取輕量化方案2 為最后的輕量化結(jié)果，內(nèi)板侵入量比原始模型小0.7 mm 左右，最大入侵速度比原方案增加了0.26 mm/ms 左右，而最大碰撞力比原方案小了60 kN 左右，該方案符合輕量化設(shè)計的目標(biāo)。

4 結(jié)論

研究了低速碰撞下的車門輕量化設(shè)計，車門輕量化是汽車行業(yè)大勢所趨的一項新技術(shù)，可大大降低原材料消耗，對環(huán)境保護(hù)、資源利用等都十分有利。本文首先介紹了汽車低速碰撞法規(guī)以及汽車側(cè)面碰撞乘員保護(hù)法規(guī)等，首先了解該領(lǐng)域的國際標(biāo)準(zhǔn)和法規(guī)等信息；隨后，將有限元模型轉(zhuǎn)換到LS-DYNA 模塊下進(jìn)行碰撞模型的轉(zhuǎn)換和搭建，選取剛性圓柱體作為碰撞物，使車門以4 mm/ms 的初速度去碰撞擠壓剛性圓柱體，并查看車門變形位移程度來驗(yàn)證該模型是否正確可靠；最后，進(jìn)行車門輕量化設(shè)計，選取AA6061號鋁合金材料來代替原先的鋼材料應(yīng)用于車門的內(nèi)板和外板上，選取了4 組輕量化預(yù)選方案進(jìn)行對比實(shí)驗(yàn)，最后得出輕量化方案2（內(nèi)板為1.4 mm、外板為1.3 mm）為最終的輕量化方案，該方案車門質(zhì)量減輕了3.985 kg，輕量化率為26%，若應(yīng)用于整車，可以使一輛車的總體質(zhì)量下降15 kg 左右，達(dá)到輕量化的效果。