基于整車側面碰撞的對標分析

王圣波，李路才，劉 鋼，譙萬成

（一汽海馬汽車有限公司，海南 ?？?570216）

隨著有限元理論的完善、CAE（computer aided engineering）軟件的發(fā)展以及高性能并行計算硬件資源的提高，CAE分析技術在汽車開發(fā)中發(fā)揮了越來越重要的作用，特別是在汽車碰撞安全方面，它可準確預測碰撞結果，最大限度地減少實車碰撞試驗次數(shù)，縮短開發(fā)周期，降低開發(fā)成本.然而可靠的仿真分析結果的獲得，關鍵在于提高碰撞模型的準確度，這對于后續(xù)的性能評估和結構優(yōu)化的正確性也具有重要影響.常用的提高碰撞模型預測準確度的方法，是在保證模型幾何數(shù)模、材料、工況和邊界條件等基本參數(shù)正確的前提下，通過前期的實車物理試驗結果對模型進行對標修正來實現(xiàn)的［2－6］.

根據(jù)交通事故統(tǒng)計，側面碰撞約占事故總數(shù)的30%，是交通事故的主要形式.汽車側面碰撞安全性能被各國作為汽車安全性評價指標之一，尤其在我國道路交通環(huán)境中，道路路口以平面交叉為主，側面碰撞事故更為嚴重［7］.本文以一汽海馬某在研車型的側面碰撞為例，進行仿真結果與實車試驗數(shù)據(jù)對標分析研究，介紹對標過程和方法，進行模型的有效性驗證，確保提供的模型分析結果準確可靠，以指導新車型后續(xù)側面碰撞性能的開發(fā)及結構優(yōu)化.

1 對標分析流程

中國新車評價規(guī)程（China－New Car Assessment Program，C－NCAP）是中國官方唯一的NCAP機構，以5星級、4星級、3星級、2星級和1星級5個級別評定，最高為5＋星級，向社會公開評價結果，為消費者提供權威的汽車安全性信息，影響消費者購車導向，是中國最權威和標準最嚴格的第三方安全測試機構.C－NCAP的推出，極大地促進了中國汽車安全技術水平的提升［4，8］.本文選取C－NCAP 2015的側面碰撞工況，根據(jù)試制車側碰摸底試驗結果，進行該車型側面碰撞CAE模型的對標工作.

開展對標分析工作，應先制定對標分析工作流程.在搭建整車碰撞CAE模型后，針對所選取的對標分析工況，根據(jù)其試驗條件和試驗結果設置仿真模型并提交計算，進行整車碰撞CAE模型的相關性研究；當對標條件滿足要求后，實施對標分析流程［9］.目前一汽海馬自主研發(fā)項目的具體對標流程如圖1所示.

圖1 對標分析流程Fig.1 Work procedure for correlation analysis

2 對標模型更新

2.1 網(wǎng)格模型更新

根據(jù)制造實車使用的最新三維幾何數(shù)模，在原有CAE模型基礎上更新對標網(wǎng)格模型，與實車保持統(tǒng)一.對于碰撞中的大變形區(qū)域進行網(wǎng)格細化，例如更新B柱、側圍和門檻梁網(wǎng)格基本尺寸大小為5mm×5mm，最小單元尺寸≥3mm，其余零件網(wǎng)格尺寸為10mm×10mm，最大單元尺寸≤15mm，盡量保留零件的相關特征.更新后的CAE模型，單元總數(shù)為1390547，其中Shell單元1347059（三角形單元占比例5.7%），Solid單元51853，Spring單元69，Beam單元79.

網(wǎng)格模型更新后，對整車進行必要的檢查，主要包括材料、厚度、焊點數(shù)量和質量、接觸關系、各種連接方式、失效、四輪軸荷、總質量、胎壓和質心等，確保與試驗車輛條件一致.

2.2 邊界條件及工況校核

設置與試驗一致的邊界條件，是對標模型計算結果符合試驗實際的基本要求，還可以減少后續(xù)對標的工作量.仿真邊界條件應以碰撞車輛試驗前實際測量得到的數(shù)據(jù)，作為CAE模型輸入信息和更新標準.邊界條件校核主要包括假人布置、車身姿態(tài)、臺車定位、臺車速度、測量傳感器布置以及靜態(tài)點測量等.

Poly(S)-TPBO的側鏈基團之間有較強的空間位阻效應,從而使聚醚主鏈在溶液中的單手性螺旋結構得以保持.由于在發(fā)生聚合反應時其單體在溶液中發(fā)生了鏈轉移從而導致了這個聚合物的聚合度低、分子量小以及其分子量分布寬.在這個反應中,也闡明了取代基的橫截面也影響著聚合作用,對于類似單體如果合成單體的橫截面越大則合成的聚合物的相對分子量大[30].因此,取代基的橫截面小是導致聚醚分子量低的另一個原因.合成的單手性螺旋聚醚有很高的比旋光度,這個手性光學特性不是由于單體中的手性碳原子,末端基團或環(huán)氧化合物的開環(huán)而產生的,而是由于聚合物在溶液中形成了單手性螺旋構型導致.

2.2.1 假人布置

根據(jù)C－NCAP 2015側面碰撞標準要求，前排駕駛員位置放置一個EuroSIDⅡ型標準假人，后排左側放置一個SID－Ⅱs（D版）假人，如圖2所示.根據(jù)試驗前測量得到的假人相對于整車的位置參數(shù)來調整和放置CAE模型中的假人.此外，側面碰撞工況下，應根據(jù)整車的具體配置情況，確定模型中是否帶有側氣囊和側氣簾等配置，這些配置對于被撞側前后排假人傷害值的評估影響非常大.而且，安全氣囊的點爆時刻與展開形式應與試驗狀態(tài)保持一致.

圖2 假人布置Fig.2 Arrangement dummy

2.2.2 車身姿態(tài)

車輛的車身姿態(tài)是側面碰撞仿真的重要參考點.不同的車身姿態(tài)仿真得到的分析結果差別較大，影響到整車變形情況和假人傷害值的評估.車身姿態(tài)的校核是獲得準確對標模型的重要環(huán)節(jié).車身姿態(tài)校核前，首先要在車輛上布置完假人和行李等必要負載，且車輛整備質量和胎壓等條件符合主機廠要求，然后進行現(xiàn)場測量，主要包括前后輪輪眉至地面的高度以及輪心至地面的高度.將測量獲得的參數(shù)作為對標模型車身姿態(tài)調整的依據(jù)，以便定位移動壁障臺車的地面高度及其與整車之間的位置關系，再現(xiàn)試驗現(xiàn)場車身狀態(tài).

2.2.3 移動壁障定位

按照實車C－NCAP 2015側面碰撞工況要求，移動壁障行駛方向與試驗車輛垂直，移動壁障中心線對準試驗車輛駕駛員側座椅R點.對標有限元模型中的移動壁障定位，應根據(jù)試驗車輛實際測量的車身姿態(tài)情況來調整，移動壁障的離地高度與試驗相同，即保證仿真與試驗車身姿態(tài)統(tǒng)一.本文基于HyperMesh平臺，進行側面碰撞移動可變形壁障的定位.壁障使用ETA公司的VPG軟件中自帶的壁障模型，該壁障為經過標定的標準模型.圖3為試驗與仿真中移動壁障在車身上的定位邊界比較圖，兩者的移動壁障與車輛碰撞區(qū)域基本吻合.

圖3 臺車定位比較Fig.3 Comparision of barrier model position

為了提高CAE模型的精準度，減少后續(xù)的工作量，對標模型中需要比對大量的信息，同步更新.整車碰撞模型的部分關鍵參數(shù)對標如表1所示.為了采集加速度和侵入量等信息，需要在有限元模型中設置加速度計和彈簧單元，測量單元的位置應與試驗前車身上布置的點一致，以確保采集的信息有可比性.側碰過程中只需輸出Y向的加速度和侵入量數(shù)據(jù).

表1 部分關鍵參數(shù)對標Tab.1 Correlation of some key parameters

3 仿真結果對標

將更新后的CAE模型以k文件的格式輸出，提交到LS＿DYNA顯式求解器進行計算，利用HyperView及HyperGraph軟件進行仿真結果后處理.

3.1 變形模式對標

在碰撞過程中，通常只有在正確的變形模式下獲得的加速度、侵入速度和側面侵入量才能與試驗數(shù)據(jù)較為一致.若存在偶然情況，在變形模式差異較大的前提下獲得的加速度曲線、侵入速度和侵入量結果與試驗數(shù)據(jù)比較接近，這樣的模型對于車輛后續(xù)的開發(fā)改進分析沒有任何意義，不具參考價值［10］.因此可認為，變形模式的對標，是開展對標工作的必不可少部分.

側面碰撞過程中，影響碰撞試驗最終得分的主要是假人頭部、胸部、腹部和骨盆4個部位的傷害值.假人的這幾個關鍵部位正好對應被撞側的B柱、車門、門檻梁等位置，這些位置的變形模式被視作車輛側面碰撞安全性能的直接體現(xiàn).所以，這些位置的變形情況需要重點關注.

圖4 側面整車變形結果對比Fig.4 Comparison of vehicle body side deformation modes

圖4為車輛碰撞側的整體變形模式，顯然，試驗與仿真結果基本一致.其中，側圍、門檻梁中部、前門鉸鏈、前門下部、后門上部中間及右下角等變形嚴重的局部試驗和仿真均吻合.

圖5為碰撞側的B柱變形模式的對比結果.由圖5可見，B柱上部發(fā)生局部輕微變形，中部和下部發(fā)生較大明顯的折彎，其整體變形模式仿真與試驗結果基本一致.

圖5 B柱整體變形模式比較Fig.5 Comparison of B－pillar deformation modes

圖6為前門防撞梁變形模式對比結果.側面碰撞后前門防撞梁試驗和仿真均發(fā)生折彎變形，變形折彎方向和角度趨勢基本一致，說明試驗和仿真結果吻合較好.

圖6 前門防撞梁變形模式比較Fig.6 Comparison of impact beam on door deformation modes

3.2 車身加速度及速度對標

車身的變形模式，僅是試驗后車輛變形情況的宏觀反映，而車身加速度曲線可以反映碰撞過程中發(fā)生的各個事件歷程，加速度曲線上的各個波峰和波谷代表了碰撞過程中不同時刻各個構件的撞擊情況和車體承載力極限.將車身加速度曲線與試驗后的拆車照片以及試驗錄像相結合，進行碰撞過程研究，可分析得到各個時刻所發(fā)生的事件.因此，車身加速度曲線是對標分析的重點之一.

車身上部分加速度傳感器的安裝點如圖7所示，其中：1為左側B柱下方安裝點，2為駕駛員座椅下方安裝點，3為氣囊ECU安裝點，4為左側B柱內板中部安裝點，5為右側B柱內板中部安裝點.各位置的加速度曲線對比如圖8～10所示（圖中縱坐標標值為加速度相對于重力加速度g的數(shù)值）.通過對加速度曲線積分，得到對應位置的速度曲線對比圖，如圖11，12所示.

圖7 加速度傳感器位置分布Fig.7 Distribution of acceleration velocity sensor position

通過對比試驗與仿真的加速度曲線，可判斷試驗與仿真中對應關鍵測量位置的運動模式是否保持統(tǒng)一.由圖8～10所示（圖中加速度相對于重力加速g的數(shù)值）可知，各關鍵部位的加速度曲線在趨勢上基本一致.碰撞過程中車身局部壓潰或者斷裂失效，導致部分曲線的峰值存在一些差異（如圖9，10），這些差異均較小，在工程上可認為處在合理、可接受的范圍內.

圖8 左側B柱下部加速度曲線（g＝9.8m／s2）Fig.8 Comparison of acceleration velocity curve on B－pillar left down

圖9 座椅下部左側加速度曲線（g＝9.8m／s2）Fig.9 Comparsion of acceleration velocity curve on seat left down

圖10 中央通道加速度曲線（g＝9.8m／s2）Fig.10 Comparison of acceleration velocity curve on the central tunnel

由圖11，12可知，左、右B柱速度曲線在趨勢上基本吻合，圖11中曲線的峰值和出現(xiàn)峰值的時間存在一些差異，是由于側碰過程中左側B柱變形較為嚴重所致，但誤差不大；圖12中右側B柱的試驗和仿真速度曲線達到了較好的一致性.

總體而言，仿真與試驗中各部位的運動狀態(tài)基本一致，兩者吻合較好.

3.3 侵入量對標

側面碰撞為單邊變形，碰撞側侵入量通常較大.乘員艙變形大小直接決定乘員的生存空間，影響假人的傷害值，所以侵入量大小是評價整車碰撞安全性能的重要指標.B柱和門檻梁位于側面碰撞吸能區(qū)，這兩部分直接反映側面變形的積累和乘員艙變形量的大小，采用B柱和門檻梁側面侵入量可直接反映乘員艙的侵入情況.

圖11 左側B柱中部速度曲線Fig.11 Comparison of velocity curve on left B－pillar middle

圖12 右側B柱中部速度曲線Fig.12 Comparison of velocity curve on right B－pillar middle

仿真中通過設置測量彈簧單元來輸出指定位置的侵入量，再與試驗中通過三坐標測量儀測量的侵入量進行對比，可以研究車身側面結構的侵入量狀態(tài).圖13為仿真中B柱上侵入量測量點的位置分布圖，將B柱測量點從上到下按100～200mm間距分成7個測量點（P1～P7），測量其Y向的侵入量；圖14為門檻梁上侵入量測量點的位置分布圖，將門檻梁測量點從前到后按100～200mm間距分成8個測量點（P8～P15），測量其Y向的侵入量.

圖13 B柱上靜態(tài)測量點位置Fig.13 Static positions measure on B－pillar

圖14 門檻梁上靜態(tài)測量點位置Fig.14 Static positions measure on sill side

將仿真與試驗中各個測量點的侵入量按照由小到大的編號順序繪制成曲線，B柱內板和門檻梁內板上測量點的侵入量對比曲線分別如圖15，16所示.由圖15，16可知，仿真與試驗關鍵點侵入量趨勢基本一致，但門檻梁上的侵入量仿真值比試驗值整體偏大，這是由于門檻梁結構中空、車身局部壓潰失效、鈑金變形回彈等原因引起的.然而各個測量點的侵入量均較小，最大誤差在10mm左右，能滿足工程要求，說明對標模型能夠較好地表征物理樣本，進一步驗證了對標CAE模型精度較高.

圖15 B柱侵入量仿真與試驗對比Fig.15 Comparison of intrusion on B－pillar by simulation and experiment

圖16 門檻梁侵入量仿真與試驗對比Fig.16 Comparison of intrusion on sill side by simulation and experiment

側面結構碰撞是評價車輛側面碰撞安全性能的基礎，良好的車身耐撞性是提高碰撞得分的可靠保證.上述對標分析得到的主要參考項的結果數(shù)據(jù)充分表明該車型側面車身結構設計合理，在碰撞過程中能充分抵御來自側面的沖擊.限于篇幅，本文沒有進行側面碰撞約束系統(tǒng)的仿真及假人對標.

4 結語

本文以側面碰撞CAE模型對標分析為例，介紹了模型對標過程和內容，根據(jù)C－NCAP側面碰撞試驗數(shù)據(jù)，從整車變形模式、B柱變形模式、前門防撞梁變形模式及車身關鍵位置的加速度曲線和速度曲線、B柱和門檻梁的Y向靜態(tài)侵入量等關鍵部位的碰撞數(shù)據(jù)，對側面碰撞分析CAE模型進行了較為全面的校驗，所得仿真結果與試驗結果基本一致，得到了較高精度的側面碰撞CAE模型，并積累了較為有效的對標建模方法，為該車型后續(xù)側面碰撞優(yōu)化設計及其他工況的對標分析奠定了基礎.對標結果表明可靠的CAE模型仿真可準確預測碰撞結果，最大限度減少實車碰撞試驗次數(shù)，縮短開發(fā)周期，降低開發(fā)成本.

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