汽車正撞臺車簡化模型建立的一種新方法

董立強(qiáng) 李光耀 陳 濤 高 暉

湖南大學(xué)汽車車身先進(jìn)設(shè)計(jì)制造國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,長沙,410082

0 引言

在車輛碰撞安全性能開發(fā)設(shè)計(jì)中,計(jì)算機(jī)數(shù)值仿真方法得到了越來越多的應(yīng)用,國外對碰撞仿真方法已進(jìn)行了大量的研究,并取得了顯著的成效[1]。雖然計(jì)算機(jī)數(shù)值仿真在碰撞安全設(shè)計(jì)中得到了廣泛的應(yīng)用,但碰撞試驗(yàn)仍然是必不可少的。因?yàn)榉抡婺Ｐ鸵媾鲎苍囼?yàn),首先要和碰撞試驗(yàn)取得一致性,這就需要有試驗(yàn)數(shù)據(jù)的支持[2-3]。然而整車碰撞試驗(yàn)面對制造和試驗(yàn)周期長、成本高的問題,試驗(yàn)次數(shù)受到很大的限制,臺架試驗(yàn)是解決這個問題的一個好方法。臺架的制造成本低、周期短,試驗(yàn)條件要求低,目前臺架碰撞試驗(yàn)在國內(nèi)外已有大量研究。裘新等[4]建立了以底盤系統(tǒng)為主的臺架有限元碰撞仿真模型來代替整車仿真模型,仿真計(jì)算結(jié)果與整車碰撞試驗(yàn)結(jié)果基本一致;Zaouk等[5]為了驗(yàn)證仿真模型,建立了白車身的碰撞試驗(yàn),把白車身固定到滑車上,并在A柱處用支架做了固定,雖然這種滑車試驗(yàn)不能反映整車試驗(yàn)情況,但他提出了一種有效的車身碰撞試驗(yàn)方法;Kirkpatrick[6]建立了底盤和動力系統(tǒng)的臺架仿真模型,并進(jìn)行了臺架碰撞試驗(yàn),臺架碰撞仿真結(jié)果和試驗(yàn)結(jié)果取得了很好的一致性。以上建立的臺架模型均較簡單,沒有把影響碰撞結(jié)果的全部部件添加到模型中,而且建立這些臺架模型的目的只是為了驗(yàn)證整車仿真模型,并沒有考慮如何用臺架試驗(yàn)來代替整車試驗(yàn)。王大志等[7]進(jìn)行了車架沖擊試驗(yàn),把前車架的幾個結(jié)構(gòu)安裝到臺車上進(jìn)行碰撞試驗(yàn),車架試驗(yàn)所得車體的減速度曲線與整車試驗(yàn)結(jié)果吻合得較好,此方法只適合非承載式車身結(jié)構(gòu)的汽車,對于前置后驅(qū)的車型,此方法不適用,但還是提出了一種用車架碰撞試驗(yàn)來代替整車碰撞試驗(yàn)的方法。

本文提出了一種用臺架碰撞試驗(yàn)代替整車碰撞試驗(yàn)來驗(yàn)證整車耐撞性的設(shè)計(jì)方法,本臺架并不是傳統(tǒng)的臺車,而是由從整車中選取的一部分結(jié)構(gòu)組成,包括發(fā)動機(jī)及傳動系統(tǒng)、懸架系統(tǒng)、車輪、下車體等。本方法不僅可以獲得車體的變形,車身減速度也能夠和整車碰撞取得一致,而且適用于所有車型。為了建立臺架仿真模型,本文首先建立了整車的有限元碰撞模型,根據(jù)整車碰撞的試驗(yàn)數(shù)據(jù)驗(yàn)證了模型的正確性;提出了建立臺架模型的方法,在整車仿真模型的基礎(chǔ)上建立了臺架的有限元模型,并進(jìn)行了仿真計(jì)算,將臺架仿真結(jié)果和整車仿真結(jié)果進(jìn)行了對比;最后進(jìn)行了臺架碰撞試驗(yàn),對臺架碰撞試驗(yàn)結(jié)果和整車碰撞試驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行了對比分析。

1 整車正面碰撞仿真模型

1.1 有限元模型的建立

將CAD模型轉(zhuǎn)入Hpermesh有限元前處理軟件中,利用Hpermesh強(qiáng)大的前處理技術(shù)將幾何模型劃分網(wǎng)格,通過組裝、連接、定義屬性、加載邊界條件等步驟建立了整車有限元模型。因?yàn)楸灸Ｐ陀脕矸治稣媾鲎?根據(jù)碰撞特點(diǎn)布置了不同的網(wǎng)格密度：對影響碰撞結(jié)果較大的汽車前大梁等關(guān)鍵部件,網(wǎng)格劃分尺寸為5mm,A柱以前其他結(jié)構(gòu)網(wǎng)格尺寸為10mm,其他部件網(wǎng)格尺寸在20～50mm之間。整車正面碰撞有限元模型如圖1所示,共有110萬個單元,111.3萬個節(jié)點(diǎn),模型中的單元類型包括六面體實(shí)體單元、殼單元、梁單元、剛性鉸單元、彈簧單元和阻尼單元等。用帶失效的梁單元模擬焊點(diǎn)失效[8],縫焊部位用剛性連接單元連接。為提高仿真的精度和效率,在計(jì)算過程當(dāng)中采用了質(zhì)量縮放、沙漏控制等設(shè)置。整車模型按照標(biāo)準(zhǔn)《GB 11551-2003乘用車正面碰撞的乘員保護(hù)》要求,以48.3km/h的速度碰撞剛性墻。

圖1 整車碰撞有限元模型

1.2 有限元模型的模型驗(yàn)證

圖2 所示為t=100ms時(shí)刻,仿真計(jì)算和整車碰撞試驗(yàn)變形對比。由圖2可知,計(jì)算仿真的整車壓潰位置及變形姿態(tài)與實(shí)車碰撞基本一致,輪胎此刻后移的位置也很吻合,整車的翹起角度也很一致。從車身減速度曲線(圖3)來分析,兩曲線的峰值出現(xiàn)時(shí)刻一致,除第二個峰值大小差異較大外,其他峰值相差較小,特別是第一個峰值吻合得很好,最高峰值處兩曲線的減速度相差15%,總體看,兩曲線各峰值出現(xiàn)時(shí)刻較一致,峰值大小也很接近,兩曲線有較好的一致性。通過以上分析對比可知,仿真模型可以代替實(shí)車碰撞分析。

圖2 整車碰撞試驗(yàn)和仿真t=100ms時(shí)刻整車的變形

圖3 整車碰撞試驗(yàn)和仿真車身減速度曲線

2 臺架有限元模型

2.1 一般臺車結(jié)構(gòu)

按照正面臺車碰撞試驗(yàn)?zāi)康牡牟煌?通常將臺車分為兩種：一種為了獲得車身減速度[9-10],在臺車前端增加吸能結(jié)構(gòu)或控制結(jié)構(gòu)(圖4),碰撞中臺車前端結(jié)構(gòu)變形生成車體的減速度,通過調(diào)節(jié)前端結(jié)構(gòu)獲得需要的車身減速度,此種臺車主要用來驗(yàn)證約束系統(tǒng)性能,不能驗(yàn)證車體的變形;另一種臺車是為了驗(yàn)證車體變形,將車架固定在臺車前端,給臺車特定的速度使車架產(chǎn)生和整車碰撞相同的變形[11],此種方法也可以獲得較準(zhǔn)確的車身減速度,但是只適用于非承載式車身,而且對于前置后驅(qū)的車型也不適用。

圖4 傳統(tǒng)臺車碰撞試驗(yàn)

本文提出的臺架模型,并不是傳統(tǒng)的臺車,而是整車結(jié)構(gòu)的一部分,這樣就克服了臺車試驗(yàn)的不足,不僅可以獲得車體的變形,而且車身減速度也能夠和整車碰撞時(shí)保持一致。

2.2 臺架模型建立的方法

臺架模型的建立需要從三方面考慮,即需要選擇哪些部件、乘員艙處加強(qiáng)件的安裝方式和臺架質(zhì)量及質(zhì)心的位置。

2.2.1 部件選擇

本文所建立的臺架是在整車車體上選取的一部分結(jié)構(gòu),這些結(jié)構(gòu)是影響碰撞結(jié)果的關(guān)鍵部件。表1是整車仿真計(jì)算中,吸能比重大于1%的所有組件的吸能情況。如表1所示,前縱梁是吸能最重要的結(jié)構(gòu),吸收了整車能量的52.47%,前保橫梁吸收了4.29%的能量,也是一個重要的吸能部件,表中其他部件吸能也較大,也都需要考慮;另外由于本文所研究的車型的發(fā)動機(jī)是前置后驅(qū)、縱置方式,在碰撞中發(fā)動機(jī)會受到很大的縱向碰撞力,碰撞力會經(jīng)傳動軸傳遞到后橋,碰撞力的大小對車身減速度峰值的大小影響很大,因此發(fā)動機(jī)及傳動系統(tǒng)也是要考慮的關(guān)鍵部件;為反映車身的減速度情況,臺架中應(yīng)包括下車體及懸架。

表1 整車仿真中各主要吸能組件吸能所占比重

通過以上分析,臺架中包括的主要部分有：發(fā)動機(jī)及傳動系統(tǒng)、懸架系統(tǒng)、車輪、下車體等,建立的有限元模型如圖5所示。臺架模型和整車模型的對比情況如表2所示,臺架模型的單元和節(jié)點(diǎn)數(shù)減少了一半,焊點(diǎn)數(shù)大約只有整車的一半,這樣臺架的制造不僅節(jié)約了成本而且縮短了生產(chǎn)時(shí)間。

圖5 臺架有限元模型

表2 臺架車和整車模型情況

2.2.2 支架結(jié)構(gòu)的建立

在整車碰撞中,乘員艙是基本沒有變形的(圖2),這樣在臺架模型中可以不考慮乘員艙的變形,但需要用加強(qiáng)結(jié)構(gòu)來代替,避免出現(xiàn)與整車碰撞不一致的變形。建立支架結(jié)構(gòu)時(shí),在考慮車體變形的同時(shí),也要考慮力的傳遞路徑,使前車體的碰撞力的傳遞方向與整車碰撞時(shí)的碰撞力傳遞方向一致。通過不斷的仿真計(jì)算來調(diào)試支架結(jié)構(gòu),最終確定方案如圖5所示。支架作為整體焊接到臺架上,在碰撞結(jié)束后可以拆下,下次臺架碰撞車可以繼續(xù)使用。

2.2.3 配重方法

大梁的變形要達(dá)到與整車碰撞時(shí)的變形情況一致,車體初始要有足夠的碰撞能。由于簡化了臺架模型,所以臺架質(zhì)量大大減小,因此需要在臺架上增加質(zhì)量,來提高車體初始碰撞動能。質(zhì)量增加的多少及增加位置,需要參考整車模型的質(zhì)量和質(zhì)心位置。本模型中設(shè)計(jì)的質(zhì)量加載位置有兩處：一是座椅安裝位置,此處加載的質(zhì)量主要考慮整車試驗(yàn)時(shí)假人以及此位置的車門、座椅等車體質(zhì)量;二是車體后部,此處加載的質(zhì)量主要是后門及備胎等車體質(zhì)量。兩處在模型中是通過加載集中質(zhì)量的方法實(shí)現(xiàn)的,配重的加載高度及加載數(shù)量是通過臺架仿真和整車仿真結(jié)果對比來確定的,加載后臺架質(zhì)量及質(zhì)心位置如表3所示。臺架模型的總質(zhì)量較整車小,這是因?yàn)槿サ袅苏嚺鲎仓杏凶冃味_架沒有加入部件的變形能,整車模型質(zhì)心比臺架車略高10%,這有利于補(bǔ)償由于整車質(zhì)量減小造成的前縱梁碰撞力減小的部分。通過調(diào)節(jié)配重來控制臺架質(zhì)心位置,實(shí)現(xiàn)對車體變形及車身減速度的調(diào)節(jié)。

表3 整車和臺車模型質(zhì)量和質(zhì)心高度

2.3 臺架車碰撞仿真結(jié)果

臺架仿真模型按照整車仿真模型設(shè)置進(jìn)行仿真計(jì)算,在相同的計(jì)算條件下,計(jì)算所需時(shí)間只有整車模型的一半。

圖6所示為整車和臺架碰撞仿真分別在20ms、30ms、40ms和 100ms時(shí)刻主要部件變形比較圖,從圖6中可以看出,在相同時(shí)刻縱梁的變形模式和壓潰位置基本相同,前隔板變形也基本相同,這說明臺架可以代替整車來驗(yàn)證車體變形,且可以獲得前隔板的侵入情況。

兩模型同側(cè)車身加速度曲線比較如圖7所示。由于臺架車沒有B柱,加速度傳感器裝在了座椅安裝橫梁上,在整車仿真中此處加速度值和B柱處相差不大。由圖7可知,前30ms臺架和整車仿真曲線基本一致,前兩個峰值吻合得較好,30ms之后峰值差異較大,但兩曲線有相同的趨勢。

圖6 臺架和整車碰撞仿真主要部件變形

圖7 臺架和整車仿真車身減速度曲線

3 臺架碰撞試驗(yàn)

按照仿真模型建立的臺架組裝臺架實(shí)車,支架是在車體安裝好后焊接到設(shè)計(jì)位置的,在仿真模型中加載質(zhì)量的位置安放配重塊,為使配重塊的質(zhì)心達(dá)到設(shè)計(jì)高度,需要用支架將其撐起,并做一定的加強(qiáng)。安裝好后的臺架碰撞車如圖8所示,臺架按照整車碰撞條件進(jìn)行碰撞試驗(yàn)。

臺架和整車碰撞試驗(yàn)前縱梁變形比較情況如圖9所示。整車前縱梁的折疊模式和壓潰位置可以在臺架中較好地反映出。不過臺架試驗(yàn)縱梁壓潰量略小于整車碰撞,這是由于臺架總質(zhì)量沒有達(dá)到仿真狀態(tài),造成碰撞能略有不足所致。

圖10所示為臺架和整車車身減速度對比曲線。由圖10可知,兩曲線在總體趨勢上有較好的一致性,前30ms兩曲線峰值大小相近,30ms之后兩曲線峰值差異較大,但兩曲線趨勢一致,這與臺架仿真中反映的情況相同。

圖8 臺架實(shí)車碰撞前狀態(tài)

圖9 臺架和整車碰撞試驗(yàn)前縱梁變形

圖10 臺架和整車試驗(yàn)車身減速度

4 結(jié)束語

本文提出了一種用臺架碰撞試驗(yàn)來代替整車碰撞試驗(yàn)的設(shè)計(jì)方法。根據(jù)臺架設(shè)計(jì)方法,通過調(diào)節(jié)配重塊的大小及位置,可以改變臺架的變形及車身減速度,根據(jù)整車變形及車身減速度確定配重的大小及位置,確定了臺架仿真模型。臺架碰撞仿真和臺架碰撞試驗(yàn)得到的結(jié)論一致,即臺架可以反映整車車體的變形情況,車身減速度前30ms二者的變形情況有較好一致性,30ms之后曲線增長的趨勢一致,所以臺架碰撞試驗(yàn)可以代替整車碰撞試驗(yàn),不僅可以驗(yàn)證車體的變形,而且可以反映車身減速度的總體情況。本文的正面碰撞臺架可用于所有車型,在車型的開發(fā)過程中,可用來驗(yàn)證結(jié)構(gòu)方案的耐撞性,獲得理想的碰撞結(jié)果,然后將可行方案進(jìn)行整車碰撞試驗(yàn),這樣可減少整車試驗(yàn)次數(shù),縮短開發(fā)周期。

臺架仿真及試驗(yàn)顯示,30ms之后車身減速度峰值和整車情況有較大差異,可以調(diào)節(jié)臺架配重的放置位置,改變臺架的減速度曲線,使其與整車減速度曲線吻合。

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