接觸摩擦因數對碰撞仿真分析相關性的影響

劉保祥 雷應鋒 曾皓

（長安汽車股份有限公司輕型車研發(fā)中心）

在汽車碰撞安全性能的開發(fā)過程中，基于LS-DYNA仿真分析軟件，對車身骨架進行截面設計，提供一些基本規(guī)律和指導方向[1]。在汽車碰撞中整車與壁障的接觸摩擦因數是不同的，汽車與光滑表面的壁障（如鋼板材質）發(fā)生碰撞，接觸摩擦因數小一些；與粗糙表面的壁障（如蜂窩鋁材質）發(fā)生碰撞，其接觸摩擦因數大一些。所以只有設置正確的接觸摩擦因數，才能得到更接近實際狀態(tài)的仿真分析結果，進而對試驗中出現的其他問題進行改進。因此仿真與試驗的對標環(huán)節(jié)是至關重要的。目前汽車與壁障的接觸摩擦因數設置的研究在行業(yè)內鮮有報道。文章通過調整仿真模型中接觸摩擦因數，分析了某型車15 km/h RCAR正碰工況，較為真實地復現了試驗中出現的問題。并在此基礎上進行結構優(yōu)化，最終滿足了該型車低速碰撞性能的要求。

1 RCAR正面碰撞試驗工況

低速碰撞一般是指車速低于15 km/h時的汽車碰撞，這種碰撞形式是城市交通中最常見的汽車碰撞。汽車發(fā)生低速碰撞事故后，事故引起的車輛損失往往由保險公司承擔，因此保險公司須對汽車進行保險等級評估。目前，歐盟各國對汽車保險評級方法不完全相同，但主要采用RCAR的正面碰撞和尾部碰撞試驗進行汽車低速碰撞性能評級[2]。RCAR是歐洲保險機構為確定汽車的保險評級而制定的測試要求，重點考察汽車在低速碰撞事故中的維修工時和成本。

在RCAR正面碰撞試驗中，試驗車以15 km/h的速度撞擊前方的RCAR剛性壁障，壁障高度應高于試驗車，撞擊點位置為汽車前部40%寬度處，試驗車質量為整備質量加上75 kg的駕駛員質量[3]，圖1示出RCAR正面碰撞試驗工況示意圖。

圖1 RCAR正面碰撞試驗工況示意圖

為考察汽車在RCAR正面碰撞試驗中的碰撞性能，將汽車零件分為可替換零件、可維修零件及不損傷零件。1）可替換零件一般通過螺栓和卡扣與車身連接，例如前保險杠、前格柵、前防撞梁及吸能盒等，此類零件損壞后可以簡單方便的用新零件替換，維修工時少；2）可維修零件包括發(fā)動機進氣管、風扇及發(fā)動機罩等，此類零件不能有大的結構變形，通過簡單維修即可復原；3）不損傷零件包括前縱梁和水箱上橫梁等與車身焊接的結構，此類零件維修時涉及到切割、焊接及整形等工藝，工藝復雜，維修工時較長，費用較高。因此，RCAR正面碰撞試驗的主要設計思路就是通過前部吸能盒和防撞梁等可替換零件的充分變形吸能，防止不可替換零件的損壞[4]。

2 試驗中出現的問題及優(yōu)化

2.1 15 km/h RCAR正碰試驗及仿真結果分析

在工裝車試制階段，按照RCAR正面碰撞工況的試驗方法進行試驗，試驗后通過拆車發(fā)現，在碰撞過程中，前部吸能盒未能按照理想的方式發(fā)生潰縮，而是偏向一側，這種情況不利于保護汽車前端其他零部件。圖2示出某型車15 km/h RCAR正面碰撞后吸能盒變形結果。

圖2 某型車15 km/h RCAR正面碰撞后吸能盒變形圖

由圖2可以看出，在碰撞過程中，吸能盒未能起到潰縮吸能的作用，向內側傾斜。造成了吸能盒與縱梁連接的上側安裝板發(fā)生撕裂，右側安裝板發(fā)生嚴重的鈑金變形。同時對前端模塊、中冷及機艙蓋等零部件造成的損傷也較為嚴重，不利于RCAR保險等級評估。

所以為了解決試驗中暴露的吸能盒未能起到潰縮吸能作用的問題，搭建了15 km/h RCAR正面碰撞試驗仿真模型，通過調整整車與壁障的接觸摩擦因數，較為真實地復現了試驗中的碰撞結果。圖3示出某型車15 km/h RCAR正面碰撞仿真分析結果。從圖3可以看出，吸能盒沒有潰縮，而是歪向一側，未起到吸收能量作用，與吸能盒相連的安裝板變形嚴重，不利于拆卸更換維修。在通過仿真分析真實復現碰撞試驗結果的基礎上進行下一步工作：即通過仿真分析方法，對整車結構進行改進，避免多次實車碰撞試驗造成的浪費。

圖3 某型車15km/h RCAR正面碰撞吸能盒仿真分析圖

2.2 接觸摩擦因數對仿真結果的影響

圖4示出設置不同接觸摩擦因數的吸能盒潰縮變形仿真結果。通過對比圖4仿真分析結果可以發(fā)現：當接觸摩擦因數設置較大時，吸能盒完全潰縮；當接觸摩擦因數設置較小時，吸能盒潰縮不完全或不發(fā)生潰縮，出現了與試驗中相吻合的仿真結果。這是因為接觸摩擦因數過大時，較大的摩擦力阻止了吸能盒向一側傾斜。因此可以得出結論，整車與壁障的接觸摩擦因數的設置對仿真結果起到至關重要的作用。在50 km/h正面全寬剛性壁障碰撞、64 km/h可變性壁障偏置碰撞及15 km/h的RCAR正面碰撞工況中，碰撞壁障形狀各異，表面處理也各有不同，所以接觸摩擦因數也不相同。因此接觸摩擦因數的選取不能一概而論。應針對不同的工況進行調整。

圖4 不同接觸摩擦因數的吸能盒潰縮變形仿真圖

2.3 防撞梁造型與吸能盒結構分析

發(fā)生低速碰撞時，決定其防撞性能的關鍵部件是汽車保險杠系統(tǒng)的吸能部件，吸能特性好的部件將把碰撞產生的能量全部吸收，使車體的其它結構避免永久變形，從而保護汽車前縱梁和發(fā)動機等重要部件免受損壞，因此汽車吸能部件的抗撞性能尤為重要[5]。

前保險杠是塑料件，不能承受太大的力，防撞梁及吸能盒才是吸能零部件。為解決試驗中出現的吸能盒不潰縮的問題，分析防撞梁與吸能盒的造型與布置。發(fā)現在碰撞發(fā)生過程中，防撞梁的拐角與壁障首先接觸，圖5示出某車型防撞梁拐角與壁障接觸點。某車型防撞梁拐角受力分析，如圖6所示，因防撞梁與吸能盒前端焊接在一起，防撞梁拐角處的受力變形，會帶動吸能盒前端的變形，對吸能盒前端有很強的誘導作用，如果吸能盒前端比較硬，不容易變形，力F在F2方向的分力增加，造成吸能盒向內側傾斜。

圖5 某型車防撞梁拐角與壁障接觸點示意圖

圖6 某型車防撞梁拐角處受力分析示意圖

某型車吸能盒低速碰撞變形仿真結果，如圖7所示，當防撞梁拐角受力變形，并通過F1和F2向后和向內側擠壓吸能盒時，由于吸能盒前端結構剛度較大，存在較大張力，造成防撞梁不能向后平推吸能盒，致使吸能盒不發(fā)生潰縮，而是向內側傾斜。

圖7 某型車吸能盒低速碰撞變形仿真圖

根據以上分析結果可以得出，防撞梁的造型和防撞梁與吸能盒的搭接方式是造成吸能盒未能發(fā)生潰縮的主要原因。在工裝車試制階段，防撞梁造型的設計變更會引起周邊零部件的變化，并且防撞梁重新開模的費用較高，所以主要考慮在防撞梁與吸能盒搭接區(qū)域進行結構優(yōu)化，優(yōu)化的目標是吸能盒由不潰縮到潰縮的一個起死回生的過程。

2.4 基于試驗結果基礎上的仿真優(yōu)化

因該車RCAR正面碰撞為剛性壁障，接觸摩擦因數較小，根據以上分析結果，設置整車與壁障仿真模型的接觸摩擦因數為0.05，使仿真結果與試驗狀態(tài)最為接近，在此基礎上對吸能盒進行優(yōu)化設計。為了使吸能盒具有更大的吸能量和具有更平穩(wěn)的吸能過程，采取一些措施使得變形更趨于理想的軸向折疊壓縮模式[6]。由于吸能盒前端結構配合防撞梁造型進行搭接，造成吸能盒前端結構剛度較大，現削去部分前端結構進行結構優(yōu)化，優(yōu)化后防撞梁向后平推吸能盒，得到較為理想的變形結果。圖8示出該車吸能盒結構優(yōu)化后仿真圖，圖9示出該車吸能盒結構優(yōu)化后潰縮變形仿真圖。

圖8 某型車吸能盒結構優(yōu)化后仿真圖

圖9 某型車吸能盒結構優(yōu)化后潰縮變形仿真圖

2.5 基于仿真優(yōu)化方案的實車驗證

根據仿真優(yōu)化結果，試制部門重新開發(fā)了該車吸能盒樣件，如圖10所示。由于吸能盒結構改動較小，只需在原有模具基礎上進行修改，大大節(jié)省了開發(fā)成本。裝車后進行實車碰撞驗證，圖11示出該車吸能盒結構優(yōu)化后實車碰撞試驗結果。

圖10 某型車吸能盒優(yōu)化后樣件圖

圖11 某型車吸能盒結構優(yōu)化后實車碰撞試驗圖

通過實車碰撞試驗驗證，優(yōu)化后的吸能盒前端結構剛度弱化，引導防撞梁向后平推吸能盒，吸能盒潰縮狀態(tài)良好，從根本上提升了該車的低速碰撞性能。

3 結論

文章以某款自主開發(fā)車型在RCAR正面碰撞工況中出現的問題為例，較為系統(tǒng)的描述了碰撞仿真分析中接觸摩擦因數對仿真結果的影響，并通過設置0.05的接觸摩擦因數真實地復現了低速RCAR碰撞試驗中出現的問題，并在此基礎上進行結構優(yōu)化，將吸能盒前部與防撞梁相連的結構削去一部分，造成誘導潰縮趨勢。這種改進設計在工程應用中易于實施，最終使優(yōu)化設計后的吸能盒結構達到理想的變形效果，提高了RCAR保險評估等級。

由此得出，不同的碰撞工況中壁障的材質和形狀是有差異的，因此汽車與壁障的接觸摩擦因數是不同的。在整車碰撞安全開發(fā)過程中，仿真分析手段起到了至關重要的引導作用。通過針對試驗工況調整仿真分析的方法，切實地改進了該款車型車體結構耐撞性能，對企業(yè)提升自主品牌具有重要意義。