基于ANSYS/LS-DYNA的校車后防撞鋼梁碰撞安全性能研究

張三川，王家?guī)X，李 霞

(鄭州大學(xué) 機械工程學(xué)院，河南 鄭州450001)

0 引言

近年來，隨著我國經(jīng)濟結(jié)構(gòu)的調(diào)整和城鎮(zhèn)化程度的提高，校車進入公眾視野并繁榮發(fā)展，但校車事故也不斷增加，其中追尾事故占了相當(dāng)一部分比例.

發(fā)生校車追尾碰撞時如何最大限度地使校車的變形和沖擊小，確保乘員安全是最為關(guān)鍵的因素［1］，因此研究校車追尾碰撞后防撞鋼梁的變形、應(yīng)力、速度等參數(shù)變化對校車被動安全性能的影響，提升校車后防撞鋼梁的安全性具有重要的理論和現(xiàn)實意義.

利用計算機模擬方法進行結(jié)構(gòu)碰撞性能的計算可以有效地提高新車型碰撞性能的可靠性，在產(chǎn)品定型生產(chǎn)之前就能及時評價和改進車輛的碰撞性能［2］.筆者用 ANSYS/LS-DYNA 軟件對碰撞系統(tǒng)進行仿真分析，分析不同碰撞速度下防撞系統(tǒng)的響應(yīng)特性.

1 建立校車碰撞模型

碰撞模型由兩部分構(gòu)成，一是校車的后防撞鋼梁，另一個是碰撞模擬分析使用的剛性墻.依據(jù)國內(nèi)某款校車后防撞鋼梁尺寸，橫梁由長度為2 000 mm，寬度為150 mm，厚度為5 mm的鋼板沖壓而成，支架采用厚度10 mm的鋼板與橫梁焊為一體.碰撞模型如圖1所示.

圖1 碰撞系統(tǒng)三維模型圖Fig.1 Three-dimensional model for collision system

1.1 模型材料及其網(wǎng)格劃分

后防撞鋼梁的材料參數(shù)如表1［3］.

表1 后防撞鋼梁的基本材料特性Tab.1 Main material properties of rear-bumper

該模型在有限元網(wǎng)格劃分中，橫梁和支架采用Shell163殼單元，網(wǎng)格劃分時長度為1 mm，剛性墻采用Solid164實體單元類型，網(wǎng)格劃分長度為5 mm.分析中防撞鋼梁算法選用Belytschko-Tsay，材料特性選用C-S隨動塑性Plastic-Kinematic模型，屈服應(yīng)力與應(yīng)變率關(guān)系如式(1)所示［4］

式中:σ0為初始屈服應(yīng)力;˙ε為應(yīng)變率;C、P為Cowper-Symonds應(yīng)變率參數(shù)，在此次模擬中取C=40，P=5;β為硬化參數(shù);Ep為塑性硬化模量;εp為有效塑性應(yīng)變.

1.2 質(zhì)量單元的添加和約束施加

剛性墻為追尾被碰撞校車的車輛簡化模型，為使仿真效果真實，在剛性墻上加載質(zhì)量為1 300 kg的mass166質(zhì)量單元，對支架末端所有自由度施加約束.除剛性墻z方向平動自由度外，施加x、y方向上的所有自由度.

1.3 定義表面接觸信息

該碰撞模型剛性墻和后防撞鋼梁接觸采用面與面自動接觸類型，靜摩擦因數(shù)和動摩擦因數(shù)都取0.1.

1.4 碰撞速度

專用校車應(yīng)安裝符合GB/T 24545規(guī)定的限速鋼梁，出廠時調(diào)定的最高車速應(yīng)不大于80 km/h［5］.我國不少地方也相應(yīng)地出臺政策規(guī)定校車最高時速不應(yīng)超過60 km/h.

在低速碰撞研究中，一般都以加拿大強制性法規(guī)要求的8 km/h作為碰撞速度進行研究［6］.中速碰撞指的是間于高速碰撞與低速碰撞之間，一般指20 km/h速度碰撞時為中速碰撞.美國強制性法規(guī)《FMVSS208》規(guī)定48.3 km/h為高速碰撞，日本安全標(biāo)準(zhǔn)《正面碰撞的安全標(biāo)準(zhǔn)》規(guī)定50 km/h 為高速碰撞［6］.

筆者以低速8 km/h、中速20 km/h、高速50 km/h為標(biāo)準(zhǔn)取不同速度進行研究，碰撞時間設(shè)定為100 ms.

2 仿真分析結(jié)果

在校車追尾碰撞中，防撞系統(tǒng)的動力響應(yīng)特性主要通過位移、速度、加速度等時間響應(yīng)體現(xiàn).碰撞過程中傳遞給乘員的最大減速度值一旦超過乘員的耐沖擊閾值或由此引起的二次碰撞過分強烈，將直接危害乘員的生命安全，平穩(wěn)的加速度曲線有利于保護乘員的生命［7］.碰撞系統(tǒng)中的關(guān)鍵點具有普遍代表性，其變化情況在最大程度上能夠反映系統(tǒng)的整體情況，筆者取橫梁中間節(jié)點9 186、架根部節(jié)點4 846為關(guān)鍵點，然后提取碰撞后的相關(guān)信息.

通過對防撞系統(tǒng)碰撞分析，提取在2.2、8、15 m/s 3種不同碰撞速度狀態(tài)下的仿真結(jié)果.

2.1 碰撞速度為2.2 m/s時的分析

速度為2.2 m/s時發(fā)生碰撞后參數(shù)如圖2所示.由應(yīng)力云圖2(a)知，碰撞從橫梁中部開始，之后向其兩側(cè)擴展，應(yīng)力也由橫梁中部向兩側(cè)傳遞，最終傳向支架.

由圖2(b)、2(c)知，橫梁節(jié)點9 186產(chǎn)生了變形，在前60 ms變形呈近似線性關(guān)系，之后隨著時間增加，變形量逐漸變小，結(jié)束時變形值為22.5 mm，該值在防撞鋼梁的安全允許范圍(100 mm)之內(nèi).在該碰撞中，支架部位節(jié)點4 846變形量為0.009 mm，說明支架基本沒有受到影響.即大部分動能通過橫梁變形吸收，只有極少一部分能量被支架吸收.碰撞力傳遞到車架、車身、座位，經(jīng)過一系列傳遞、隔振的消減和能量吸收，在低速碰撞時該防撞鋼梁能夠起到了很好的吸能緩沖作用，確保了乘員及校車自身的安全.

2.2 碰撞速度為8 m/s時的分析

8 m/s時碰撞后參數(shù)如圖3所示.碰撞前3 ms內(nèi)節(jié)點9 186變形呈線性關(guān)系，變形斜率較大，在3 ms之后，節(jié)點9 186變形斜率相對減緩，并且在0.1 s時刻變形量達到最大值125 mm，該值已經(jīng)超過了防撞鋼梁的安全允許范圍(100 mm);由其變形情況，可以得知速度變化，在發(fā)生碰撞的前3 ms，防撞鋼梁的速度由0急劇躍升至8.5 m/s，之后迅速降低，因此該時間段內(nèi)速度變化劇烈，減速度波動很大，而后減速度躍減至0.但從圖3(c)得知，支架節(jié)點4 846變形量為1 mm，變形很小.

圖3 8 m/s時碰撞后參數(shù)變化圖Fig.3 Parameter variations with 8 m/s collision

在此碰撞速度下的能量主要被橫梁變形吸收，在工程實際中，碰撞能量并非全部由橫梁和支架吸收，由于支架和校車車架相連，應(yīng)力也會通過支架傳遞到車架、車身上，它們也吸收部分能量.該速度下發(fā)生碰撞，橫梁中部彈塑性變形量超過了防撞鋼梁的安全許用范圍，而支架并未發(fā)生大的變形，該校車的橫梁和支架的參數(shù)設(shè)計不夠合理，需對橫梁和支架參數(shù)進行合理優(yōu)化，以期達到橫梁和支架與吸能、變形協(xié)調(diào)同步的效果.

該防撞鋼梁在碰撞速度為8 m/s時碰撞，防撞系統(tǒng)起到了很好緩沖吸能作用，但在正面追尾碰撞中橫梁的變形量已經(jīng)超過了安全許用值，故防撞鋼梁在該速度下碰撞已經(jīng)被毀壞.

2.3 碰撞速度為15 m/s時的分析

15 m/s時碰撞后參數(shù)如圖4所示.在速度為15 m/s時發(fā)生碰撞，防撞鋼梁中部的應(yīng)力最大，變形最嚴(yán)重，產(chǎn)生大塑性變形，橫梁和支架被壓潰，遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過了安全許用范圍.

圖4 15 m/s時碰撞后參數(shù)變化圖Fig.4 Parameter variations with 15 m/s collision

從圖4(b)知，前13 ms防撞鋼梁的變形呈明顯線性關(guān)系，至13 ms時變形量達到最大值142 mm，之后變形量穩(wěn)定在137 mm，這足以說明在短時間內(nèi)碰撞的劇烈程度.從圖4(c)知，在9 ms時，支架節(jié)點4 846變形量已經(jīng)達到最大值54 mm，說明支架已經(jīng)被壓潰，防撞系統(tǒng)已經(jīng)徹底毀壞，不能繼續(xù)發(fā)揮作用.

4 結(jié)論

(1)該校車防撞鋼梁在低速時發(fā)生正面追尾碰撞，被追尾校車橫梁和支架變形很小，變形在安全許用范圍之內(nèi)，防撞鋼梁起到較好的緩沖吸能作用，該結(jié)果對于在低速碰撞后防撞鋼梁能否進行修復(fù)進而繼續(xù)使用提供有益的參考.

(2)在碰撞速度為8 m/s發(fā)生正面追尾碰撞橫梁和支架都產(chǎn)生了變形，橫梁中間節(jié)點變形量超過了防撞鋼梁的安全許用范圍，此時雖然支架的變形量不大，但防撞鋼梁已經(jīng)毀壞失效，橫梁和支架在該速度下發(fā)生變形程度不同，其參數(shù)匹配不夠合理，需考慮進行參數(shù)優(yōu)化.

(3)在速度為15 m/s時發(fā)生追尾碰撞時，橫梁和支架都發(fā)生了大的變形，支架已經(jīng)被壓潰，失去了緩沖吸能作用，碰撞動能將會使車體進一步變形進而危及乘員安全.

防撞鋼梁在碰撞低速度時能夠起到很好的緩沖吸能作用，隨著碰撞速度的增加，防撞鋼梁的變形增大，橫梁和支架出現(xiàn)變形不同步現(xiàn)象，需進一步對該款校車的橫梁和支架的厚度、支架在橫梁上的位置等參數(shù)進行匹配優(yōu)化，更好地提高其被動安全性能.

［1］張維剛，鐘志華.汽車正撞吸能部件改進的計算機仿真［J］.汽車工程，2002，24(1):6-9，36.

［2］賈宏波，黃金陵，郭孔輝，等.汽車車身結(jié)構(gòu)碰撞性能的計算機模擬，評價與改進［J］.吉林工業(yè)大學(xué)學(xué)報，1998，28(2):6-11.

［3］栗蔭帥.車輛薄壁結(jié)構(gòu)碰撞吸能特性分析與改進［D］.大連理工大學(xué)能源與動力學(xué)院，2007.

［4］楊永生.汽車保險杠系統(tǒng)低速碰撞性能研究［D］.哈爾濱工程大學(xué)機電工程學(xué)院，2009.

［5］鄭州宇通客車股份有限公司，中國汽車技術(shù)研究中心，中國公路學(xué)會客車分會，等.GB 24407—2012專用校車安全技術(shù)條件［S］.北京:中國標(biāo)準(zhǔn)出版社，2012.

［6］張海峰.汽車保險杠系統(tǒng)抗撞性研究［D］.北京交通大學(xué)機械與電子控制工程學(xué)院，2009.

［7］雷正保，鐘志華，李岳林.汽車碰撞過程中乘員沖擊響應(yīng)的分析方法及應(yīng)用［J］.中國公路學(xué)報，2001，14(2):115-119.