某越野車車架耐撞性仿真分析

朱雄，丁玲

（合肥工業(yè)大學(xué) 機(jī)械與汽車工程學(xué)院，安徽合肥230009）

汽車正面碰撞性能研究是汽車被動(dòng)安全技術(shù)研究的一個(gè)不可缺少的重要組成部分，對(duì)于該越野車來說，具有非承載式車身結(jié)構(gòu)，其發(fā)生正面碰撞時(shí)，50%以上的碰撞能量由車架吸收，車架的吸能效果對(duì)整車的加速度以及乘員和駕駛員的保護(hù)有重要的影響，即車架的耐撞性決定著整車的碰撞安全特性。因此，有必要對(duì)車架進(jìn)行耐撞性仿真研究。

目前國(guó)內(nèi)對(duì)車架碰撞安全性的研究還不足，隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)的發(fā)展，以及有限元分析方法的完善，采用計(jì)算機(jī)仿真來進(jìn)行車架正面碰撞研究成為一種非常必要的研究方法。

1 車架碰撞模型的建立

根據(jù)C-NCAP中100%重疊正面沖擊固定剛性壁障試驗(yàn)規(guī)定，汽車碰撞初速度為50km·h-1，并在前排駕駛員和乘員位置各布置1個(gè)HybridⅢ第50百分位男性假人(77kg)，在后排最右側(cè)座位上布置1個(gè)HybridⅢ第5百分位女性假人（50kg）。該越野車車架承受載荷為1516kg左右，加上3個(gè)假人質(zhì)量204kg，總質(zhì)量為1720kg。把這個(gè)質(zhì)量等效地施加到車架上，這樣在發(fā)生碰撞時(shí)車架就等效地吸收了整車的碰撞能量。

相關(guān)參數(shù)設(shè)置為：1）單元類型選擇為BT單元，選用3個(gè)積分點(diǎn)數(shù)，材料模型為MAT24；2）車架碰撞初始速度為50 km·h-1，在軟件中設(shè)置為13888.9mm·s-1；3）車架碰撞剛性墻采用*rigidwallplanar-id定義，摩擦系數(shù)設(shè)為0.3；碰撞過程中車架自身接觸采用*contact-automatic-single-surface-id定義，靜摩擦系數(shù)和動(dòng)摩擦系數(shù)均設(shè)為0.2；4）在control cards中定義一些輸出控制選項(xiàng)，如在control_termination中定義碰撞時(shí)間為100 ms，在control_bulk_viscosity中對(duì)沙漏進(jìn)行控制。

最終建立的車架碰撞仿真模型單元數(shù)量259268個(gè)，節(jié)點(diǎn)數(shù)264042個(gè)，如圖1所示。

圖1 車架碰撞仿真模型

2 車架耐撞性分析

2.1 車架變形分析

圖2為車架不同時(shí)刻的碰撞變形圖。從0 ms和30 ms車架變形圖可以看到，車架前部縱梁發(fā)生理想的縱向有序的褶皺變形，此時(shí)車架碰撞能量還沒有完全吸收，仍然具有較高的向前速度；碰撞持續(xù)到40 ms左右時(shí)，在圖示車架縱梁上類S型梁的拐角部分位置1和位置2開始發(fā)生彎曲變形，且隨著碰撞程的繼續(xù)，彎曲變形愈來愈明顯，所吸收的應(yīng)變能也較多；在80 ms左右時(shí)，車架變形已經(jīng)停止。整個(gè)碰撞過程中，車架橫梁都沒有太大變形。

在汽車碰撞過程中，為確保乘員的生存空間，應(yīng)該盡量減小乘員艙的變形以防止儀表盤和轉(zhuǎn)向盤等侵入傷害人體，所以應(yīng)該設(shè)法使車架結(jié)構(gòu)前段產(chǎn)生合理變形從而充分有效地吸收碰撞能，而在安裝發(fā)動(dòng)機(jī)位置處以后的車架不發(fā)生變形。因此，該車架結(jié)構(gòu)有待改進(jìn)。

2.2 車架碰撞加速度分析

車架碰撞加速度曲線如圖3所示，碰撞開始時(shí)加速度突然增大達(dá)到了最大值1.056×106mm·s-2，即碰撞瞬間對(duì)人體傷害較大。30～40ms車架縱梁上類S型梁的拐角部分位置1和位置2開始發(fā)生彎曲變形，加速度發(fā)生突變。除此之外，車架碰撞加速度曲線起伏比較均勻，沒有陡然突變。

2.3 車架碰撞速度分析

車架碰撞的速度曲線如圖4所示，在0～30ms這段時(shí)間內(nèi)速度幾乎成線性變化，在40ms左右時(shí)，由于開始發(fā)生彎曲變形，速度變化趨勢(shì)發(fā)生改變，此后仍然幾乎成線性變化。在80ms左右時(shí)，車架的速度為0，此后車架有一定的回彈速度，說明車架的初始動(dòng)能沒有被車架的變形完全吸收。

圖2 車架不同時(shí)刻的變形圖

圖3 車架碰撞加速度曲線

圖4 車架碰撞速度曲線

3 結(jié)論與討論

本文對(duì)車架的耐撞性問題開展了研究，但是利用車架耐撞性仿真對(duì)整車耐撞性進(jìn)行評(píng)價(jià)有一定的缺陷，對(duì)帶有假人、安全氣囊和安全帶等約束系統(tǒng)的整車進(jìn)行碰撞分析研究能更好地反映出汽車的被動(dòng)安全性。

希望整個(gè)車架的變形都控制在前端較小的范圍內(nèi)，以確保在整車碰撞時(shí)乘員的生存空間，減小乘員艙的變形侵入人體。該越野車車架前部縱梁發(fā)生理想的縱向有序的褶皺變形，但變形長(zhǎng)度范圍仍然不夠，還有部分碰撞能量未被吸收，致使相對(duì)靠后的車架類S型梁的拐角部分發(fā)生彎曲變形。

理想的車架碰撞加速度曲線應(yīng)起伏比較均勻，且車架碰撞過程中最大加速度值比較合理。該越野車車架在初始碰撞時(shí)最大加速度值較大，整個(gè)曲線均勻性不是很好。

理想的車架碰撞速度曲線應(yīng)比較恒定，且在碰撞結(jié)束后，車架速度為0，即不應(yīng)有回彈速度，說明車架的碰撞能量完全被車架的變形吸收。

因此，可以在本文研究?jī)?nèi)容的基礎(chǔ)上對(duì)該越野車車架進(jìn)行耐撞性優(yōu)化設(shè)計(jì)，如對(duì)類S型梁部分進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)，確定其橫截面尺寸、長(zhǎng)度等方面的合適參數(shù)；或可以考慮對(duì)前縱梁適當(dāng)加長(zhǎng)，且新增加的長(zhǎng)度不會(huì)對(duì)車身結(jié)構(gòu)產(chǎn)生干涉。

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