某皮卡正面碰撞模擬仿真研究

田國紅，齊登科，孫立國

（遼寧工業(yè)大學(xué)汽車與交通工程學(xué)院，遼寧 錦州 121000）

某皮卡正面碰撞模擬仿真研究

田國紅，齊登科，孫立國

（遼寧工業(yè)大學(xué)汽車與交通工程學(xué)院，遼寧 錦州 121000）

文章在探討了皮卡車應(yīng)用前景后，在碰撞仿真理論的指導(dǎo)下，根據(jù)國家C-NCAP規(guī)定，以某皮卡為研究對象，利用軟件hyperworks和ls-dyna建立整車正面碰撞有限元模型并進(jìn)行仿真分析。通過對整車前部變形和加速度時間歷程曲線對比的研究，評價了整車的安全性和驗證了仿真模型的有效性，為該款車后續(xù)的碰撞性能改進(jìn)設(shè)計提供參考。

皮卡；hyperworks/LS-DYNA；正面碰撞；仿真

10.16638/j.cnki.1671-7988.2016.01.039

CLC NO.:U467.1 Document Code:A Article ID:1671-7988(2016)01-114-03

引言

隨著中國皮卡文化的升溫，近年來很多消費(fèi)者購買福特F150、雪佛蘭C2500這樣的中高端皮卡作為SUV的替代品。據(jù)了解，相關(guān)部門正在討論將皮卡車型劃分到乘用車系列中，因此國內(nèi)各大自主品牌汽車都在開發(fā)中高端皮卡車型來競爭這一市場。早期的皮卡車在設(shè)計時都沒有充分考慮碰撞安全性能設(shè)計，但現(xiàn)在開發(fā)的中高端皮卡，其定位已經(jīng)不再是工具車的概念，而是是SUB、休閑車、工具車的集成，其碰撞安全性能的定位在越野SUV之下、普通卡車之上[1]。

汽車正面碰撞事故是最常發(fā)生的交通事故，因而對汽車的碰撞研究中，正面碰撞性研究是重中之重，這樣可以較好引導(dǎo)汽車正面碰撞設(shè)計和改進(jìn)?，F(xiàn)在對汽車碰撞的研究，一般是根據(jù)汽車碰撞實驗數(shù)據(jù)，在計算機(jī)上建立有限元汽車碰撞仿真模型，然后對其進(jìn)行求解并對驗證模型的有效性。該方法碰撞復(fù)現(xiàn)性好，研發(fā)周期短。本文以某款皮卡車為研究對象，進(jìn)行計算機(jī)碰撞模擬仿真，對正面碰撞仿真結(jié)果進(jìn)行分析，驗證了模型的有效性，為后續(xù)合理的進(jìn)行車身結(jié)構(gòu)安全性設(shè)計、改善車身結(jié)構(gòu)件提供強(qiáng)有力的技術(shù)支持[2]。

1、整車有限元模型的建立

1.1 車體模型的簡化與網(wǎng)格劃分

根據(jù)正面碰撞的特點(diǎn)，在劃分網(wǎng)格時有些汽車部件需要先抽取其中面，然后在劃分二維殼單元，最后再屬性中賦予真實厚度。對于汽車來說一般分為三個艙：發(fā)動機(jī)艙、乘員艙和后備箱艙，一般希望發(fā)動機(jī)艙變形較大以便吸收更多的能量。所以對于正碰，前部是主要的變形部件，對于進(jìn)行有限元離散時，對該部件要細(xì)化網(wǎng)格來真實的反應(yīng)結(jié)構(gòu)；而對于那些在汽車后部，不參與碰撞的部件可以省略一些不關(guān)鍵的特征，對其網(wǎng)格進(jìn)行粗化；于發(fā)動機(jī)和變速箱部件，剛度大且結(jié)構(gòu)復(fù)雜，在碰撞過程中基本不變形，對其視為剛體，在劃分網(wǎng)格時可以用粗網(wǎng)格來描繪外形輪廓即可。

針對不同區(qū)域CAE模型網(wǎng)格的大小規(guī)定，在發(fā)生碰撞的變形較大的區(qū)域劃分大小為10-15mm的網(wǎng)格單元，通過控制最小單元，來控制計算過程的時間步長；非碰撞區(qū)域網(wǎng)格大小可以擴(kuò)大到25%左右。另外，三角形單元所占百分比不超過總單元數(shù)目的10%，翹曲單元不超過15%，防止集中出現(xiàn)翹曲單元的區(qū)域，在能量吸收區(qū)域盡量采用規(guī)則的網(wǎng)格劃分，以盡量提高建模精度。

1.2 材料屬性

車身大部分都是低碳合金薄鋼STL.12、STL.13和一些塑性材料等，在對仿真模型進(jìn)行材料屬性參數(shù)設(shè)置時，一般是使用試驗測出的實際材料的試驗真實值， 對于鋼一般使用軟件中的24號材料模式（在hyperworks中涉及到的關(guān)鍵字為MATL24），該材料屬于多線性彈塑性材料，材料達(dá)到屈服后硬化曲線由多段直線組成，定義比較方便。在此關(guān)鍵字下需要定義材料密度、彈性模量、泊松比、屈服應(yīng)力等參數(shù)，材料中的有效應(yīng)力應(yīng)變曲線一般是通過關(guān)鍵字Curve來設(shè)置的。圖1為前縱梁的材料應(yīng)力應(yīng)變曲線。

圖1 前縱梁的材料應(yīng)力應(yīng)變曲線

1.3 約束接觸設(shè)置和加速度傳感器布置

本文剛性墻和地面的建立通過關(guān)鍵字RIGIDWALL來創(chuàng)建的，兩者和汽車的接觸是通過關(guān)鍵字RIGIDWALL下的參數(shù)來設(shè)置的。另外汽車自身的可變形體部件接觸是通過定義一個總體的單面接觸（contact automatic-single surface）來實現(xiàn)，這種接觸方式能夠自動從殼單元的兩邊進(jìn)行接觸檢測，而且對網(wǎng)格中的接觸處理比較好。另外，汽車模型中的可變形體和剛形體的接觸連接是通過共節(jié)點(diǎn)來實現(xiàn)，也就是通過關(guān)鍵字XtraNode類型的接觸來是實現(xiàn)連接的。汽車模型中的剛形體之間的接觸連接是通關(guān)關(guān)鍵字ConstRigidRbody來實現(xiàn)的。

本車體模型中在四個位置定義了加速度傳感器測量點(diǎn)：右座椅（Right seat）、左座椅（Left seat）、發(fā)動機(jī)底部（Engine seat）和汽車中心（Vehicle CG），圖2為加速度傳感器在車體模型中的位置。一般通常采用一個等腰直角三角形定義傳感器單元，依次拾取傳感器坐標(biāo)原點(diǎn)的節(jié)點(diǎn)，圖3為傳感器節(jié)點(diǎn)順序。將節(jié)點(diǎn)N1指定為測量點(diǎn)，既可以得到所需數(shù)據(jù)[3]。

圖2 加速度傳感器位置

圖3 傳感器節(jié)點(diǎn)順序

根據(jù)正面碰撞法規(guī)，正面剛性墻碰撞速度不低于50km/h，本皮卡實車碰撞速度為56km/h（沿x方向），碰撞角為零即垂直于壁障前表面的直線與車輛行駛的方向之間的夾角為0o，本模型的仿真速度為56km/h，模型施加向下的加速度為9.8m/s2。從hyperworks中導(dǎo)出為k文件，用ls-dyna求解器進(jìn)行求解。圖4為正面碰撞邊界條件。

圖4 正面碰撞邊界條件

2、碰撞模型的驗證與評價

對模型仿真后的文件進(jìn)行分析，和實車碰撞數(shù)據(jù)對比分析得出仿真模型的有效性，并對此正面碰撞進(jìn)行評價。正面碰撞仿真結(jié)果的真實性和準(zhǔn)確性評價，通常采用定性分析和定量分析[4]。

定性評價主要是實車試驗結(jié)果和仿真模擬結(jié)果進(jìn)行對比，觀察撞擊區(qū)域在各個時刻的變形形式和各主要部件的撞擊特征，主要是整車前部的變形情況和實車碰撞結(jié)果對比。圖5為底盤前部在t=0ms和t=75ms的變形量。

圖5 底盤前部變形量

通過對比結(jié)果可知，二者變形基本一致，仿真結(jié)果和實車碰撞結(jié)果基本吻合。圖6為正碰過程中能量變化情況。

圖6 正碰過程中能量變化

定量分析時度數(shù)量特征、數(shù)量關(guān)系和數(shù)量變化的分析。汽車碰撞過程中的加速度變化就是一種定量分析。在正碰事故中乘員的傷害形式主要是運(yùn)動傷害和接觸傷害。接觸傷害就是駕駛艙變形量較大而駕駛員沒有足夠的生存空間，從前部變形量中可知，接觸傷害能夠滿足碰撞法規(guī)的要求；運(yùn)動傷害就是指乘員在大的加速度沖擊下，身體各器官相對運(yùn)動過大，對內(nèi)臟造成損傷。所以說，降低車體的碰撞減速度是考慮重點(diǎn)。通過觀察座椅的加速度來判斷人體的加速度變化情況，圖7為左右座椅的速度和加速度的變化形式。

對仿真模型和實車碰撞中的座椅加速度變化進(jìn)行對比，可知加速度曲線吻合度較高，進(jìn)一步證明了車體模型的有效性，通過座椅的加速變化情況來間接知道乘員在碰撞過程中的減速度沖擊，在此速度對人體不造成損傷。

通過車身前部變形對比和代表乘員減速度的座椅減速度對比，最后得出汽車仿真模型是有效的。并且通過車身前部變形可知，駕駛艙變形較小，滿足碰撞法規(guī)要求；座椅的減速度變化也在法規(guī)規(guī)定范圍內(nèi)，不會對人體造成損傷。

圖7 座椅速度和加速度變化

3、總結(jié)

利用計算機(jī)仿真技術(shù)對皮卡正面碰撞進(jìn)行有限元仿真，并通過正面碰撞試驗的變形時間歷程及車身前部結(jié)構(gòu)變形驗證了整車碰撞有限元模型的有效性。在本文中，碰撞過程中的乘員減速度變化是通過測量座椅處的減速度來表現(xiàn)的，此處的加速度是評價乘員傷害程度的一個重要指標(biāo)。通過觀察車身前部的變形量可知，發(fā)動機(jī)艙變形量較大和乘員艙變形量較小，這樣既滿足了車身前部既能吸收較多的能量，又滿足了乘員艙變形較小的要求。皮卡仿真模型的有效性對于后續(xù)研究碰撞性能改進(jìn)提供參考。

[1] 唐波.中國高端皮卡安全性能標(biāo)桿研究[J].汽車與配件,2012(12):46-48.

[2] 田湘龍.某微車正面碰撞模擬仿真與優(yōu)化[J].機(jī)械設(shè)計與制造,2002(9):218-220.

[3] 胡志遠(yuǎn),曾必強(qiáng).基于LS-DYNA和Hyperworks的汽車安全仿真與分析[M]. 北京:清華大學(xué)出版社,2011.

[4] 黃世霖,張金換,王曉冬等.汽車碰撞安[M].北京:清華大學(xué)出版社,2003.

Simulation research for one pickup frontal crashworthiness

Tian Guohong, Qi Dengke, Sun Liguo

（Liao Ning University of Technology Automobile and Traffic Academy, Liaoning Jinzhou 121000）

The prospect of application of the pickup is discussed in this paper firstly,according to the C-NCAP and based on the basic principle of vehicle crash analysis using the nonlinear finite element method.A pickup truck as the research object, the frontal crash finite element mode of pickup is established and simulation analysis using the software hyperworks and ls-dyna.After analyzing the deformation of the front of the vehicle and curves of acceleration,Evaluat the safety of the vehicle and verify the effectiveness of the simulation model.which will supply the reference standard for the collision performance of the subsequent improvement of the car design.

pickup; hyperworks/LS-DYNA; frontal impact; simulation

U467.1

A

1671-7988(2016)01-114-03

田國紅，就職于遼寧工業(yè)大學(xué)汽車與交通工程學(xué)院。齊登科，就讀于遼寧工業(yè)大學(xué)汽車與交通工程學(xué)院。