某車(chē)型正面40％偏置碰撞仿真分析及車(chē)體結(jié)構(gòu)優(yōu)化

張 焜（安徽江淮汽車(chē)股份有限公司，安徽 合肥 230000）

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某車(chē)型正面40％偏置碰撞仿真分析及車(chē)體結(jié)構(gòu)優(yōu)化

張 焜
（安徽江淮汽車(chē)股份有限公司，安徽 合肥 230000）

摘要：通過(guò)有限元分析方法，建立整車(chē)碰撞有限元模型，參照C-NCAP試驗(yàn)標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行整車(chē)正面40％偏置碰撞仿真，根據(jù)仿真結(jié)果分析得出車(chē)體結(jié)構(gòu)存在的問(wèn)題，對(duì)車(chē)體結(jié)構(gòu)進(jìn)行優(yōu)化，優(yōu)化后整車(chē)正面40％偏置碰撞性能得以提升，從而有效保障車(chē)輛安全性能。

關(guān)鍵詞：有限元分析方法；40％偏置碰撞；結(jié)構(gòu)優(yōu)化

10.16638/j.cnki.1671-7988.2016.05.004

CLC NO.: u462.2Document Code: AArticle ID: 1671-7988(2016)03-05-84-04

前言

據(jù)相關(guān)統(tǒng)計(jì)，在汽車(chē)碰撞引發(fā)的交通事故中，汽車(chē)正面碰撞事故是最常見(jiàn)也是造成死亡人數(shù)最多的。因此，汽車(chē)正面碰撞安全性研究已經(jīng)成為進(jìn)行汽車(chē)結(jié)構(gòu)安全設(shè)計(jì)的一項(xiàng)重要內(nèi)容。目前，國(guó)內(nèi)法規(guī)和C-NCAP主要通過(guò)正面100％剛性壁碰撞和40％偏置可變形壁障碰撞對(duì)車(chē)輛進(jìn)行試驗(yàn)評(píng)價(jià)。兩種試驗(yàn)的碰撞形態(tài)和對(duì)乘員的傷害機(jī)理不同。正碰時(shí)，車(chē)身前端全部參與碰撞，在巨大的沖擊慣性力作用下，車(chē)體剛度大，沖擊加速度峰值大，對(duì)頭部、胸部的沖擊傷害往往造成乘員死亡。與乘員傷害指標(biāo)息息相關(guān)的因素主要是約束系統(tǒng)，因此，正碰試驗(yàn)主要側(cè)重于對(duì)約束系統(tǒng)的評(píng)價(jià)。而40％偏置碰撞主要評(píng)價(jià)安全車(chē)身結(jié)構(gòu)，考核車(chē)身侵入方式對(duì)乘員造成的傷害。偏置碰撞時(shí)，車(chē)輛前端只有一側(cè)主要參與能量吸收，該碰撞形態(tài)下車(chē)身變形大，乘員室的嚴(yán)重侵入會(huì)造成乘員的致命傷害。根據(jù)事故車(chē)輛不同碰撞重疊率的乘員傷亡分布情況可知.重疊率為30％～40％的事故中乘員嚴(yán)重受傷率最高。而40％偏置碰撞試驗(yàn)?zāi)軌蜉^好地模擬該重疊率的交通事故。因此，進(jìn)行正面40％偏置碰撞安全性的研究，對(duì)減輕交通事故中人員的傷亡具有非常重要的意義。

在車(chē)型開(kāi)發(fā)過(guò)程中，車(chē)體的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)是車(chē)輛安全的基礎(chǔ)。本文基于碰撞仿真技術(shù)對(duì)某車(chē)型64 km/h偏置碰撞性能進(jìn)行分析與評(píng)估，提出優(yōu)化方法，切實(shí)可行地提升了車(chē)身結(jié)構(gòu)的偏置碰撞性能。

1、有限元模型的建立

采用Hypermesh作為前處理建模軟件，直接導(dǎo)入CAD模型進(jìn)行整車(chē)建模。整車(chē)模型的輸入內(nèi)容包括白車(chē)身、四門(mén)兩蓋、懸架系統(tǒng)、轉(zhuǎn)向機(jī)構(gòu)、動(dòng)力總成、散熱系統(tǒng)等主要結(jié)構(gòu)件，其中發(fā)動(dòng)機(jī)和變速箱作為剛體考慮。整車(chē)模型總質(zhì)量1.63t，網(wǎng)格劃分尺寸8mm，最小網(wǎng)格尺寸2.5mm，網(wǎng)格最大翹曲角度15度，最小雅克比0.6，共計(jì)1242866個(gè)節(jié)點(diǎn)、2372214個(gè)單元。

2、整車(chē)仿真模型的計(jì)算檢查

仿真模型完成后，經(jīng)過(guò)多次計(jì)算、模型調(diào)試與校正，確定模型的正確性和可靠性。仿真結(jié)果的真實(shí)性和準(zhǔn)確性，可以通過(guò)定量的方法進(jìn)行評(píng)價(jià)。定量評(píng)價(jià)主要集中在整車(chē)碰撞能量變化曲線和質(zhì)量增加比例的分析上，如果整個(gè)模型的沙漏能占總能量的比例在10％以?xún)?nèi)，質(zhì)量增加不超過(guò)總質(zhì)量的5％，那么模型計(jì)算精度可得到保證。

圖1　正面40％偏置碰撞能量曲線

表1　質(zhì)量增加數(shù)據(jù)

從圖1中曲線可以看出，在發(fā)生碰撞的初始時(shí)刻，由于汽車(chē)的動(dòng)能較大，在很短的時(shí)間內(nèi)形成極高的沖擊力，產(chǎn)生的應(yīng)力遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于材料的屈服應(yīng)力，因而形成較大的塑性變形。隨著碰撞過(guò)程的推進(jìn)，車(chē)輛的動(dòng)能大部分轉(zhuǎn)化為系統(tǒng)的內(nèi)能。但由于汽車(chē)在碰撞的最后階段發(fā)生了回彈，所以動(dòng)能并沒(méi)有降為零，而是保持在10 kJ左右。在整個(gè)碰撞過(guò)程中出現(xiàn)了很少沙漏能，幾乎為零。同時(shí)，由表1可以看出，質(zhì)量增加比例為0.9％，遠(yuǎn)小于5％的評(píng)價(jià)要求。所以足以說(shuō)明該仿真符合汽車(chē)正面偏置碰撞規(guī)律，計(jì)算結(jié)果準(zhǔn)確有效。

3、整車(chē)模型64km/h偏置碰撞仿真分析

參照C-NCAP試驗(yàn)標(biāo)準(zhǔn)，車(chē)輛以64km/h的速度與可變形壁障發(fā)生40％重疊率的偏置碰撞，可變形壁障右側(cè)表面偏移車(chē)輛中心線約10％的車(chē)輛寬度，建立圖2所示整車(chē)仿真模型。

圖2　正面40％偏置碰撞有限元模型

碰撞通過(guò)LS-DYNA進(jìn)行仿真計(jì)算，碰撞發(fā)生后，變形順序依次為前防撞梁、吸能盒和縱梁，前艙吸能變形完畢后將能量傳遞到A柱、前圍及乘員艙，整車(chē)發(fā)生甩尾，直至碰撞結(jié)束，整車(chē)變形圖如圖3所示。

圖3　正面40％偏置碰撞整車(chē)變形圖

經(jīng)過(guò)局部分析，發(fā)現(xiàn)車(chē)體結(jié)構(gòu)存在以下問(wèn)題：1）吸能盒吸能不充分，左縱梁前端變形不充分，后端變形較大，抵抗變形能力偏弱，如圖4①所示；2）A柱上部發(fā)生折彎，如圖4②所示；3）A柱中部變形嚴(yán)重，如圖4③所示；4）前地板下縱梁變形嚴(yán)重，如圖4④所示。

圖4　正面40％偏置碰撞前艙、A柱、前地板下縱梁變形圖

上述四點(diǎn)導(dǎo)致乘員艙防火墻C區(qū)入侵量達(dá)到142mm，超過(guò)120mm目標(biāo)值，如圖5和表2所示。

圖5　正面40％偏置碰撞防火墻入墻量圖示

表2　防火墻入侵量數(shù)據(jù)

左B柱下部加速度超標(biāo)，達(dá)到46g，超過(guò)42g目標(biāo)值，如圖6和表3所示。

圖6　左、右B柱下部加速度數(shù)據(jù)曲線

表3　左、右B柱下部加速度數(shù)據(jù)

4、優(yōu)化方案

針對(duì)上述問(wèn)題，需對(duì)車(chē)體結(jié)構(gòu)進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)，經(jīng)過(guò)多方案對(duì)比分析，采用以下措施能夠取得較好的改善效果。

1）針對(duì)偏置碰撞中吸能盒和左縱梁變形不理想的問(wèn)題，對(duì)其進(jìn)行結(jié)構(gòu)和材料改進(jìn)，如圖7所示。

圖7　吸能盒和左縱梁結(jié)構(gòu)優(yōu)化示意圖

吸能盒位于前保險(xiǎn)杠骨架與前縱梁之間，其主要作用是在發(fā)生碰撞時(shí)利用充分的變形來(lái)吸收能量，從而保護(hù)前縱梁不至于發(fā)生太大變形，并降低發(fā)艙內(nèi)重要部件的損壞程度。在優(yōu)化方案中，將吸能盒的原材質(zhì)B340/590DP改為B250P1，這樣可以弱化吸能盒強(qiáng)度，使吸能盒在碰撞過(guò)程中充分利用結(jié)構(gòu)變形更好的吸收碰撞能量，從而對(duì)前縱梁起到更好的保護(hù)作用。

同時(shí)，因?yàn)樽罂v梁前端變形不充分，后端變形較大，說(shuō)明后端抵抗變形能力較弱。所以，在優(yōu)化方案中，新增左縱梁前加強(qiáng)板B340LA-1.2t和左縱梁后加強(qiáng)板B340LA-1.6t，起到加強(qiáng)后端，讓前端發(fā)生變形吸能的效果。

2）針對(duì)A柱上部彎折，經(jīng)詳細(xì)分析，發(fā)現(xiàn)彎折點(diǎn)在A柱加強(qiáng)板搭接邊避讓缺口處，優(yōu)化方案為在避讓缺口處新增盒狀加強(qiáng)件B410LA-1.8t，與A柱加強(qiáng)板焊接，從而避免彎折變形，將碰撞能量有效傳遞，如圖8所示。

圖8　A柱上部加強(qiáng)件優(yōu)化方案

針對(duì)A柱中部變形嚴(yán)重，導(dǎo)致碰撞能量不能有效傳遞的問(wèn)題，解決措施是加強(qiáng)變形區(qū)域處的結(jié)構(gòu)，減小其變形甚至不變形。具體方案為延長(zhǎng)左前門(mén)下鉸鏈固定加強(qiáng)板B410LA-1.2t搭接邊100mm，同時(shí)新增左A柱中內(nèi)板加強(qiáng)板B340LA-2.0t，這樣的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)可使其搭接部分更充分，在碰撞過(guò)程中能更好的進(jìn)行碰撞能量的吸收和傳遞，如圖9所示。

圖9　A柱下端變形優(yōu)化方案

針對(duì)前地板下縱梁變形嚴(yán)重的問(wèn)題，改進(jìn)方案是延長(zhǎng)前地板下縱梁加強(qiáng)板至發(fā)艙縱梁后段，有效傳遞碰撞能量；同時(shí)在前地板下縱梁后段增加加強(qiáng)板，避免彎折變形，如圖10所示。

圖10　前地板下縱梁變形優(yōu)化方案

5、優(yōu)化方案結(jié)果評(píng)定

根據(jù)上述優(yōu)化方案進(jìn)行整車(chē)偏置碰撞仿真計(jì)算，并與優(yōu)化前計(jì)算結(jié)果對(duì)比。

由圖11和表4可以看出，優(yōu)化后防火墻C區(qū)入侵量降至119mm，達(dá)到目標(biāo)值要求，從而保證駕駛員在碰撞過(guò)程中，腰部以下免受踏板、

內(nèi)飾件等相關(guān)零件侵入造成二次損傷。

圖11　優(yōu)化后正面40％偏置碰撞防火墻入墻量圖示

表4　優(yōu)化前后防火墻入侵量數(shù)據(jù)

圖12　左、右B柱下部加速度數(shù)據(jù)曲線

由圖12和表5可知，左B柱下部加速度峰值降至40.3g，達(dá)到目標(biāo)值要求。同時(shí)，優(yōu)化后的加速度曲線較優(yōu)化前平滑，說(shuō)明經(jīng)過(guò)優(yōu)化，汽車(chē)前部能夠按照一定的變形順序進(jìn)行吸能，優(yōu)化效果較好。

表5　優(yōu)化前后左、右B柱下部加速度數(shù)據(jù)

6、結(jié)論

文章闡述了某車(chē)型正面40％偏置碰撞仿真分析中出現(xiàn)的問(wèn)題及原因，并對(duì)車(chē)體結(jié)構(gòu)進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)。通過(guò)弱化吸能盒內(nèi)外板，加強(qiáng)左縱梁后段結(jié)構(gòu)，優(yōu)化A柱內(nèi)板與加強(qiáng)板結(jié)構(gòu)，增強(qiáng)各件之間連接，以及優(yōu)化前地板下縱梁內(nèi)部結(jié)構(gòu)，從而使防火墻入侵量超標(biāo)、左B柱下部加速度超標(biāo)等問(wèn)題得到明顯改善，為車(chē)內(nèi)乘員提供了一個(gè)更加安全舒適的環(huán)境，在一定程度上提高了該車(chē)的安全性能。

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Simulation analysis and vehicle body structure optimization of a vehicle front 40％ offset impact

Zhang Kun
( Anhui Jianghuai Automobile Co., Ltd., Anhui Hefei 230000 )

Abstract:Through the finite element analysis method, to establish the finite element model of vehicle collisions. In accordance with the requirements of the C-NCAP test of vehicle front 40％ offset impact simulation, according to simulation results analysis we can get the body structure of the existing problems, on the body structure is optimized, the optimized vehicle front 40％ offset touch crash performance can be improved, so as to effectively safeguard the vehicle safety performance.

Keywords:finite element analysis method; 40％ offset impact; structure optimization

中圖分類(lèi)號(hào)：U462.2

文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A

文章編號(hào)：1671-7988（2016）05-84-04

作者簡(jiǎn)介：張焜，助理工程師，就職于安徽江淮汽車(chē)股份有限公司。從事乘用車(chē)車(chē)體設(shè)計(jì)工作。