張新華 ， 徐 莉 ， 徐鳴濤 ， 李文鳳

（江鈴汽車股份有限公司，江西 南昌 330100）

各種重/輕型商用卡車占領(lǐng)了中端物流的主導(dǎo)地位，為了盡可能降低復(fù)雜環(huán)境下發(fā)生交通事故的概率，后防護(hù)裝置可以很好避免乘用車追尾商用車造成的重大損失。據(jù)調(diào)查[1]，追尾事故在交通事故中發(fā)生的頻率僅次于正面碰撞與側(cè)面碰撞，在追尾事故中傷亡率較高的為乘用車與商用車之間的追尾碰撞。研究小組結(jié)合實(shí)際交通事故追尾碰撞情況和國(guó)家法規(guī)標(biāo)準(zhǔn)GB 11567－2017《汽車及掛車側(cè)面和后下部防護(hù)要求》[2]，對(duì)某商用車后下防護(hù)裝置在碰撞過程中的侵入量進(jìn)行分析和研究。值得注意的是，GB 11567－2017附錄B3.3.1明確強(qiáng)調(diào)，試驗(yàn)順次進(jìn)行三點(diǎn)加載、兩點(diǎn)加載；在試驗(yàn)過程中，使用同一試驗(yàn)樣品。本文提出的連續(xù)加載變形CAE技術(shù)，就是在后下防護(hù)安全性CAE分析中，將變形后的P1模型作為P2模型的基礎(chǔ)，依此類推，最后獲得3個(gè)加載點(diǎn)的位移分析數(shù)據(jù)。這種處理方式更加接近法規(guī)中規(guī)定的要求。

1 連續(xù)加載變形方法

本文所述的連續(xù)加載變形方法，首先要基于商用車后下防護(hù)的基礎(chǔ)設(shè)計(jì)。獲得商用車后下防護(hù)的基礎(chǔ)CAD設(shè)計(jì)數(shù)據(jù)及其對(duì)應(yīng)的BOM信息后，有兩項(xiàng)工作需要在CAE分析之前完成：1）對(duì)CAD數(shù)據(jù)進(jìn)行網(wǎng)格構(gòu)建；2）根據(jù)BOM信息完成后防護(hù)所有子零件的材料力學(xué)性能測(cè)試。網(wǎng)格構(gòu)建和材料卡標(biāo)定的關(guān)鍵事項(xiàng)將在本文第4部分詳細(xì)描述。

圖1所示為連續(xù)加載變形方法流程圖，由圖可以看出，P1變形后模型作為P2加載CAE分析模型的基礎(chǔ)是本文關(guān)鍵所在，此時(shí)，P2模型在加載之前，后防護(hù)本體及其支架自身已經(jīng)產(chǎn)生殘余應(yīng)力和應(yīng)變，也就是說，連續(xù)加載變形方法與法規(guī)規(guī)定的使用同一試驗(yàn)樣品無限接近。連續(xù)加載變形方法對(duì)于P2點(diǎn)更加惡劣，CAE計(jì)算出來的結(jié)果也將更接近真實(shí)物理試驗(yàn)。

圖1 連續(xù)加載變形方法流程圖

在P1點(diǎn)加載CAE分析結(jié)果滿足法規(guī)要求后，才能進(jìn)行P2點(diǎn)的有限元模型設(shè)置和CAE分析，如果P1點(diǎn)加載失效，則需要重新回到設(shè)計(jì)方案，對(duì)其進(jìn)行方案修改和優(yōu)化，優(yōu)化后的方案網(wǎng)格重構(gòu)后，繼續(xù)對(duì)P1加載CAE分析。

P2模型接到P1變形后的輸入，保留P1變形的殘余應(yīng)力應(yīng)變，在CAE前處理軟件中參照法規(guī)進(jìn)行邊界約束和加載，經(jīng)過LS-DYNA求解后獲得P2加載位移，P2加載位移滿足法規(guī)要求后，依此類推繼續(xù)P3加載CAE分析，過程中有任何一個(gè)加載點(diǎn)的位移不滿足法規(guī)要求，都要重新回到后防護(hù)設(shè)計(jì)方案，直至所有加載點(diǎn)的位移滿足法規(guī)要求。此時(shí)，后防護(hù)的方案方可被認(rèn)為是符合設(shè)計(jì)要求的。

2 確認(rèn)加載點(diǎn)和加載力

根據(jù)GB 11567－2017要求，如果后下部防護(hù)裝置以車輛縱向中心平面為軸對(duì)稱，則兩點(diǎn)加載和三點(diǎn)加載的兩端加載點(diǎn)可以只測(cè)試左右兩側(cè)中的一個(gè)點(diǎn)，此時(shí)兩點(diǎn)加載、三點(diǎn)加載的加載點(diǎn)應(yīng)位于同一側(cè)[2]。本文所研究的商用車后下防護(hù)裝置符合上述法規(guī)要求，在靜態(tài)加載試驗(yàn)時(shí)只對(duì)同一側(cè)的3個(gè)點(diǎn)進(jìn)行靜態(tài)加載試驗(yàn)。

2.1 加載位置

靜態(tài)加載試驗(yàn)分為兩點(diǎn)加載和三點(diǎn)加載。兩點(diǎn)加載時(shí)，兩個(gè)作用點(diǎn)之間的距離在700 mm ~1 000 mm之間，兩個(gè)作用點(diǎn)相對(duì)于后下部防護(hù)裝置縱向中心線或車輛縱向中心線對(duì)稱，加載點(diǎn)位置如圖2中P2 點(diǎn)所示。三點(diǎn)加載時(shí)，左右兩邊外側(cè)兩個(gè)作用點(diǎn)，分別距離車輛后軸車輪最外端300 mm±25 mm；第三個(gè)作用點(diǎn)位于上述兩點(diǎn)連線之間、并且處于車輛中心垂直平面上。加載點(diǎn)位置如圖2 中P1點(diǎn)、P3 點(diǎn)所示。根據(jù)法規(guī)要求，加載點(diǎn)的位置由制造商在最初設(shè)計(jì)時(shí)給定，本文所研究的商用車，其后下防護(hù)離地高度為450 mm，在整車坐標(biāo)系下，后下防護(hù)的X向坐標(biāo)為4 550，其后軸輪胎最外端橫向水平距離為1 958 mm。因此，可給定左側(cè)點(diǎn)P1、P2、P3 的位置坐標(biāo)分別為（4 550，-704，450）、（4 550，-500，450）、（4 550，0，450） 。

圖2 P1/P2/P3加載位置示意圖

2.2 加載載荷

按照法規(guī)要求，兩點(diǎn)加載時(shí)，P2加載相當(dāng)于車輛最大設(shè)計(jì)總重力的50%的水平載荷，但不超過100 kN。三點(diǎn)加載時(shí)，P1/P3加載相當(dāng)于車輛最大設(shè)計(jì)總重力25%的水平載荷，但不超過50 kN[2]。由此可知，加載載荷與車輛的設(shè)計(jì)總質(zhì)量關(guān)系密切。

在確認(rèn)加載載荷之前，有必要整理一張如表1所述的商用車車輛信息配置表。經(jīng)過理論計(jì)算，可得到如表2所述的加載位置和加載力。

表1 某商用車車輛信息配置表

表2 加載位置和加載載荷矩陣表

如表2所述，安全系數(shù)指的是在CAE仿真技術(shù)中的計(jì)算余量，一般定義在1.05~1.0之間，定義了安全系數(shù)，CAE分析結(jié)果合格的情況下，實(shí)物試驗(yàn)時(shí)出現(xiàn)失誤的可能性會(huì)非常小。表2還給出了最大允許變形量，這是連續(xù)加載變形CAE技術(shù)分析結(jié)果的一個(gè)評(píng)判標(biāo)準(zhǔn)，按照規(guī)定的載荷加載，后防護(hù)本體的位移量不超過311.4 mm，方可認(rèn)為CAE分析結(jié)果是合格的。

3 CAE模型簡(jiǎn)要說明

目前，建立商用車后防護(hù)這種零部件級(jí)的有限元模型及其分析技術(shù)已經(jīng)非常成熟[3-4]。本文所述的后防護(hù)結(jié)構(gòu)CAD數(shù)據(jù)由設(shè)計(jì)部門提供，后防護(hù)結(jié)構(gòu)CAD數(shù)據(jù)示意圖如圖3所示。

圖3 后防護(hù)結(jié)構(gòu)CAD數(shù)據(jù)示意圖

在網(wǎng)格構(gòu)建之前，需要根據(jù)材料信息來確定網(wǎng)格類型。這是因?yàn)槿绻且话沅摬模凑找欢ň?xì)化要求，使用Shell類型網(wǎng)格對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行劃分，計(jì)算后的應(yīng)力應(yīng)變圖基本能真實(shí)反映后防護(hù)的變形情況，鋼材在試驗(yàn)加載受力后的應(yīng)力集中位置相對(duì)明確，只要在CAE分析中的定義準(zhǔn)確，計(jì)算后的結(jié)果與試驗(yàn)吻合度可高達(dá)95%以上。如果是復(fù)合材料[5]，情況相對(duì)復(fù)雜，復(fù)合材料由于材料本構(gòu)模型自身的各向異性，試驗(yàn)加載受力后的失效位置和形態(tài)并不完全一致。因此，需要在CAE中使用Solid類型來劃分網(wǎng)格單元，并根據(jù)其內(nèi)部纖維的各向異性排布定義不同的Solid材料和屬性，這樣計(jì)算出來的失效位置和形態(tài)才具有代表性。

本文所述的法規(guī)工況屬于準(zhǔn)靜態(tài)范疇，雖然沒有汽車碰撞高速動(dòng)態(tài)情況復(fù)雜，但在CAE分析之前，后防護(hù)材料卡的標(biāo)定仍然至關(guān)重要。這是因?yàn)樵贑AE中最后判定零部件是否失效無非是最大應(yīng)力值、最大應(yīng)變值和延伸率這三個(gè)指標(biāo)，而這三個(gè)指標(biāo)的來源就是材料本構(gòu)。材料的LS-DYNA卡片標(biāo)定可以通過單向拉伸試驗(yàn)、剪切試驗(yàn)和十字拉伸試驗(yàn)等方式獲得原始材料力學(xué)性能曲線，經(jīng)過一系列轉(zhuǎn)換和處理之后，可以生成LS-DYNA計(jì)算所需要的后防護(hù)材料key文件。

4 CAE分析及優(yōu)化設(shè)計(jì)

4.1 基礎(chǔ)設(shè)計(jì)方案仿真分析

根據(jù)本文第3部分所述的加載位置和加載載荷，在CAE分析前處理軟件中，對(duì)構(gòu)建好了網(wǎng)格的模型進(jìn)行處理，設(shè)置加載邊界、約束條件、初始狀態(tài)等參數(shù)。提交給LS-DYNA軟件進(jìn)行計(jì)算，圖4~圖6是P1、P2、P3這三個(gè)點(diǎn)的計(jì)算結(jié)果。

圖4 P1點(diǎn)應(yīng)力云圖（左）、應(yīng)變?cè)茍D（中）、位移云圖（右）

圖6 P3點(diǎn)應(yīng)力云圖（左）、應(yīng)變?cè)茍D（中）、位移云圖（右）

其中，P2點(diǎn)由于防護(hù)支架破壞失效，只能讀取應(yīng)力云圖，其應(yīng)變?cè)茍D和位移云圖已經(jīng)失去意義。根據(jù)上述云圖可知，后防護(hù)結(jié)構(gòu)基礎(chǔ)設(shè)計(jì)方案在P2點(diǎn)加載時(shí)失效，不符合設(shè)計(jì)要求?？傮w結(jié)果如表3所述。

表3 后防護(hù)基礎(chǔ)設(shè)計(jì)方案CAE分析結(jié)果

4.2 優(yōu)化方案仿真分析

針對(duì)上述不合格的設(shè)計(jì)方案，結(jié)合圖5所示的應(yīng)力云圖，不難發(fā)現(xiàn)，后防護(hù)支架在受力方向上呈單一片狀結(jié)構(gòu)，加載方向稍微變化，支架就容易發(fā)生扭轉(zhuǎn)，而單一片狀結(jié)構(gòu)其抗彎扭能力是非常弱的。參考一些其他的公開設(shè)計(jì)方案[6-7]，本文提出加強(qiáng)后防護(hù)支架剛度及其與后防護(hù)本體的連接強(qiáng)度優(yōu)化方案。出于數(shù)據(jù)保密的要求，本文不對(duì)優(yōu)化后的方案數(shù)據(jù)做展示。優(yōu)化后P2點(diǎn)的計(jì)算結(jié)果如圖7和表4所示。

圖5 P2點(diǎn)應(yīng)力云圖

圖7 優(yōu)化后P2點(diǎn)應(yīng)力云圖（左）、應(yīng)變?cè)茍D（中）、位移云圖（右）

表4 后防護(hù)優(yōu)化設(shè)計(jì)方案CAE分析結(jié)果

5 結(jié)論

1）采用連續(xù)加載變形方法進(jìn)行商用車后下防護(hù)CAE分析，與實(shí)際物理試驗(yàn)的情況最為接近，可以真實(shí)地反映后下防護(hù)加載后的變形和失效情況。

2）采用連續(xù)加載變形方法，最關(guān)鍵的是將P1點(diǎn)變形后的模型作為P2點(diǎn)的基礎(chǔ)，此時(shí)，P2模型已經(jīng)包含了殘余應(yīng)力應(yīng)變值。

3）采用連續(xù)加載變形方法，直到全部P1、P2、P3點(diǎn)都滿足要求，方可確認(rèn)后下防護(hù)的設(shè)計(jì)方案是可靠的。

4）經(jīng)過優(yōu)化設(shè)計(jì)方案后，P2點(diǎn)加載可以滿足法規(guī)要求，同時(shí)對(duì)于P1、P3點(diǎn)，其最大應(yīng)力、最大應(yīng)變和位移量有細(xì)微變化，這些變化量均在合理的數(shù)值誤差范圍之內(nèi)。