小客車側(cè)翻試驗仿真研究與影響因素分析*

周廷美 嚴(yán) 燕 莫易敏 劉昌業(yè)

(武漢理工大學(xué)機(jī)電工程學(xué)院1) 武漢 430070) (上汽通用五菱汽車股份有限公司技術(shù)開發(fā)中心2) 柳州 540057)

小客車側(cè)翻試驗仿真研究與影響因素分析*

周廷美1)嚴(yán) 燕1)莫易敏1)劉昌業(yè)1,2)

(武漢理工大學(xué)機(jī)電工程學(xué)院1)武漢 430070) (上汽通用五菱汽車股份有限公司技術(shù)開發(fā)中心2)柳州 540057)

為研究小客車側(cè)翻碰撞安全性能，建立了基于客車上部結(jié)構(gòu)強(qiáng)度要求及試驗方法的目標(biāo)車型小客車側(cè)翻有限元仿真模型，并驗證了模型的有效性和準(zhǔn)確性.研究了側(cè)翻試驗初始翻轉(zhuǎn)角度、初始翻轉(zhuǎn)角速度、擋板高度和翻轉(zhuǎn)平臺高度等四個初始碰撞參數(shù)對側(cè)翻碰撞安全性能的影響.結(jié)果表明，所選取的A柱、上邊梁和頂蓋等關(guān)鍵結(jié)構(gòu)最大變形量,以及地面最大接觸力四項評價指標(biāo)與初始翻轉(zhuǎn)角度和翻轉(zhuǎn)平臺高度大體上呈正相關(guān)，與初始翻轉(zhuǎn)角速度和擋板高度呈負(fù)相關(guān)，并且翻轉(zhuǎn)平臺高度即跌落高度對試驗結(jié)果的影響最為明顯.

小客車；側(cè)翻試驗；有限元模型；碰撞參數(shù)

0 引 言

在汽車安全相關(guān)事故中，主要有側(cè)翻、平臺翻滾、正碰、側(cè)碰、追尾等幾種形式，車輛發(fā)生側(cè)翻的比例較低，雖然如此，在正面碰撞和側(cè)面碰撞中，由于車輛自身的結(jié)構(gòu)特點，可采用不同的結(jié)構(gòu)和裝置進(jìn)行吸能[1]，而在側(cè)翻事故中車體變形較大，特別是車輛上部如頂蓋、上邊梁等結(jié)構(gòu)的變形較大，侵入乘員的生存空間，對乘員保護(hù)比較困難,因此，側(cè)翻事故對乘員的傷害程度遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于其他幾種形式.目前，國內(nèi)外在車輛側(cè)翻安全性能的相關(guān)法規(guī)和標(biāo)準(zhǔn)主要面對大中型客車及校車等[2]，主要考核客車側(cè)翻時上部結(jié)構(gòu)的承載能力.在面向小客車的側(cè)翻試驗方面國內(nèi)外目前還沒有發(fā)布相關(guān)法規(guī)，在側(cè)翻試驗設(shè)計方面也主要是按文獻(xiàn)[2]的整車側(cè)翻試驗和車體截斷試驗方法來進(jìn)行，因此，研究車輛特別是小客車的側(cè)翻安全性能對車輛側(cè)翻試驗的設(shè)計和安全性能的優(yōu)化具有重要意義.本文研究了側(cè)翻試驗中試驗條件參數(shù)對目標(biāo)車型小客車的側(cè)翻碰撞安全性能的影響規(guī)律.

1 仿真模型的建立與驗證

在汽車被動安全的研究中，解析法、多剛體動力學(xué)法和有限元法是比較常用的三種數(shù)學(xué)物理分析方法.三種方法都具有研究成本低、開發(fā)周期短的特點，并且對于車輛碰撞的計算準(zhǔn)確性和有效性依次提高，在汽車被動安全研究中的重要性也依次提升，同時，有限元仿真分析方法是目前車輛被動安全仿真分析的主要方法.因此，本文中采用有限元仿真分析方法進(jìn)行研究.

1.1 有限元模型的建立

在建立目標(biāo)車型小客車側(cè)翻仿真試驗有限元模型時，根據(jù)已有的小客車的幾何模型，參照文獻(xiàn)[2]客車上部結(jié)構(gòu)強(qiáng)度要求及試驗方法進(jìn)行建立和處理，具體處理和分析流程見圖1[3].

圖1 目標(biāo)車型側(cè)翻有限元仿真分析流程

1.1.1整車網(wǎng)格模型的建立

模型導(dǎo)入與幾何清理是獲得高質(zhì)量網(wǎng)格的關(guān)鍵.將目標(biāo)車型小客車的CAD幾何模型導(dǎo)入有限元前處理軟件Hypermesh中，進(jìn)行中面抽取操作后，根據(jù)導(dǎo)入模型的特征進(jìn)行相應(yīng)的幾何清理操作，得到分析適用的模型，進(jìn)一步進(jìn)行模型的網(wǎng)格劃分.

在汽車碰撞安全中，模型網(wǎng)格的劃分一般遵循變形較大的部位網(wǎng)格密度比較高、單元尺寸比較小，而對于變形小或者基本不變形的部位，網(wǎng)格密度可以比較低、單元尺寸比較大的原則[4].本文中采用自動劃分網(wǎng)格的方法來劃分網(wǎng)格，網(wǎng)格的大小選為10 mm，網(wǎng)格的形狀選為四邊形殼單元為主，輔以三角形單元.

1.1.2材料和屬性的賦予

網(wǎng)格劃分完成后，需要為各個部件分配獨(dú)自的Component，并通過該Component給這個部件賦予材料類型和屬性.本文中，整車模型變形構(gòu)件均采用各向同性的彈塑性材料，并使用MATL24本構(gòu)模型；焊點、膠粘等采用MATL100本構(gòu)模型進(jìn)行模擬；對于發(fā)動機(jī)等變形較小且對上部結(jié)構(gòu)強(qiáng)度試驗影響較小的部件采用剛性體材料MATL20模型；另外，對大部分部件采用Belytschko-Tsay算法，厚度取為0.8～1.5 mm.

1.1.3連接、接觸等的設(shè)置

連接、接觸、約束和加載的設(shè)置是有限元仿真分析中重要的設(shè)置內(nèi)容.連接主要包括螺栓連接、膠粘連接、縫焊連接和點焊連接；接觸的設(shè)置除了定義所有部件的自接觸和相應(yīng)部件之間的面面接觸之外，還單獨(dú)定義了車體與翻轉(zhuǎn)平臺以及車體與擋板之間的接觸；加載的設(shè)置通過定義關(guān)鍵字*INITIAL_VELOCITY_GENERATION對整車模型的初始翻轉(zhuǎn)角速度進(jìn)行定義.

1.1.4其他設(shè)置

小客車上部結(jié)構(gòu)強(qiáng)度試驗從水平位置開始，車體隨翻轉(zhuǎn)平臺以一個勻速的翻轉(zhuǎn)角速度進(jìn)行翻轉(zhuǎn)，翻轉(zhuǎn)至小客車的臨界側(cè)翻穩(wěn)定角處開始利用自身重力繼續(xù)翻轉(zhuǎn)，在從水平位置翻轉(zhuǎn)到臨界側(cè)翻角處車體的翻轉(zhuǎn)角速度以及車體形態(tài)沒有任何的改變，所以在仿真試驗中，以車體在臨界側(cè)翻角處的位置為初始狀態(tài)，根據(jù)小客車的受力分析計算得出小客車的臨界側(cè)翻穩(wěn)定角為46.364°.目標(biāo)車型小客車的上部結(jié)構(gòu)強(qiáng)度仿真試驗有限元模型見圖2.對相應(yīng)的輸出控制卡片進(jìn)行設(shè)置，仿真時間長度設(shè)置為3 500 ms，時間步長設(shè)置為1×10-6s.

圖2 目標(biāo)車型小客車側(cè)翻試驗仿真模型

1.2 有限元模型的驗證

在建立小客車的上部結(jié)構(gòu)強(qiáng)度試驗有限元模型后，為了保證模型的有效性和后續(xù)研究的可靠性，對所建立的小客車有限元模型進(jìn)行試驗驗證，試驗同樣參考文獻(xiàn)[2]客車上部結(jié)構(gòu)強(qiáng)度要求及試驗方法來進(jìn)行.本文中選取仿真模型與試驗小客車的臨界側(cè)翻角的對比以及仿真試驗和實車試驗中小客車關(guān)鍵運(yùn)動狀態(tài)即小客車第一次接觸地面的時刻進(jìn)行對比和相對誤差分析進(jìn)行驗證，對比結(jié)果見表2，車體第一次與地面發(fā)生碰撞時刻的仿真與實驗對比見圖3.

表1 仿真試驗與實車試驗結(jié)果對比

圖3 仿真與實驗車體第一次與地面發(fā)生碰撞時刻

根據(jù)表1和圖3進(jìn)行誤差分析，可以得到：

1) 仿真中小客車與地面發(fā)生碰撞后發(fā)生了回彈現(xiàn)象，與試驗相符.

2) 選取的對比分析參數(shù)結(jié)果中，相對誤差均在5%以內(nèi)，滿足仿真要求.

另外，在仿真試驗的過程中，沙漏能始終控制在總能量的5%以內(nèi)，滿足仿真結(jié)果的可靠性要求[5].因此，所建立的小客車上部結(jié)構(gòu)強(qiáng)度試驗仿真模型是可行的，具有一定的可靠性，可以進(jìn)行后續(xù)的研究工作.

2 試驗參數(shù)影響規(guī)律研究

基于小客車上部結(jié)構(gòu)強(qiáng)度仿真試驗有限元模型，研究試驗中每個初始試驗參數(shù)對車輛靜態(tài)側(cè)翻碰撞安全性能的影響.每一次進(jìn)行仿真分析時，只改變一個初始試驗參數(shù)，其他參數(shù)選定為基礎(chǔ)數(shù)值來進(jìn)行研究.

2.1 影響因素確定

上部結(jié)構(gòu)強(qiáng)度試驗中可以改變的因素主要有：車體初始翻轉(zhuǎn)角度、車體初始翻轉(zhuǎn)角速度、試驗擋板高度、試驗平臺距離地面高度等四項.選取上述四項初始試驗參數(shù)為試驗的影響因素，并選定文獻(xiàn)[2]客車上部結(jié)構(gòu)強(qiáng)度要求及試驗方法中的相關(guān)規(guī)定參數(shù)值為基礎(chǔ)數(shù)值，另外，基于上部結(jié)構(gòu)強(qiáng)度試驗的可實現(xiàn)范圍，并根據(jù)均勻試驗設(shè)計原則，對初始角速度、擋板高度、跌落高度三項參數(shù)分別選取與基礎(chǔ)數(shù)值偏差±5%,±10%和±15%共六個數(shù)值來進(jìn)行仿真對比研究，而對翻轉(zhuǎn)角度，由于初始狀態(tài)基礎(chǔ)數(shù)值選取的是目標(biāo)車型的靜態(tài)側(cè)翻穩(wěn)定角，是可以實現(xiàn)翻轉(zhuǎn)的最小角度，因此選取基礎(chǔ)數(shù)值偏差的5%,10%,15%,20%,25%,30%共六個數(shù)值.仿真參數(shù)選取結(jié)果見表2[6-7].

表2 仿真參數(shù)數(shù)值

2.2 結(jié)果分析

在文獻(xiàn)[2]客車上部結(jié)構(gòu)強(qiáng)度要求及試驗方法中，規(guī)定上部結(jié)構(gòu)應(yīng)具有足夠的強(qiáng)度以保證生存空間沒有受到侵入，參考生存空間的確定方式以及頂壓試驗(FMVSS216轎車車頂抗壓強(qiáng)度)中的相關(guān)指標(biāo)，本文選取A柱最大變形量、上邊梁最大變形量、頂蓋最大變形量，以及剛性墻(也就是地面)的最大接觸力共四項指標(biāo)作為側(cè)翻碰撞安全性能的評價標(biāo)準(zhǔn).為了更直觀地了解各項側(cè)翻碰撞試驗條件參數(shù)對側(cè)翻碰撞安全性能的影響規(guī)律，利用各輸出結(jié)果與基礎(chǔ)數(shù)值的比值進(jìn)行分析研究[8].

首先設(shè)定側(cè)翻碰撞參數(shù)全部為基礎(chǔ)數(shù)值時進(jìn)行仿真，結(jié)果見圖4.圖4a)為車輛側(cè)翻仿真試驗過程中A柱變形量、上邊梁變形量和頂蓋變形量的變化曲線以及出現(xiàn)最大變形量時刻對應(yīng)的車輛形態(tài)；圖4b)為車輛側(cè)翻仿真試驗過程中剛性墻(地面)接觸力的變化曲線以及剛性墻最大接觸力出現(xiàn)時刻對應(yīng)的車輛形態(tài).

圖4 以基礎(chǔ)數(shù)值作為參數(shù)時的仿真結(jié)果

目標(biāo)車型在基礎(chǔ)數(shù)值即翻轉(zhuǎn)角度為46.364°、翻轉(zhuǎn)角速度為0.087 rad/s、擋板高度為50 mm、翻轉(zhuǎn)平臺高度為800 mm進(jìn)行側(cè)翻仿真試驗時，A柱、上邊梁和頂蓋均在車體第一次接觸地面時變形量出現(xiàn)第一次峰值，隨著與地面的撞擊發(fā)生一定的回彈，在之后的過程中，車體繼續(xù)與地面發(fā)生碰撞，并產(chǎn)生累積變形，各關(guān)鍵結(jié)構(gòu)在仿真結(jié)束時產(chǎn)生最大變形量，A柱、上邊梁和頂蓋的最大變形量分別為131.108，120.712，144.842 mm；同時，剛性墻的接觸力在車體與地面發(fā)生第一次碰撞時達(dá)到最大，為65.683 kN，后續(xù)碰撞過程中，隨著車體與地面的接觸產(chǎn)生相應(yīng)的碰撞力.

2.2.1初始翻轉(zhuǎn)角度

設(shè)置不同的初始翻轉(zhuǎn)角度進(jìn)行仿真分析，初始翻轉(zhuǎn)角度對各關(guān)鍵結(jié)構(gòu)的最大變形量的影響趨勢見圖5.

圖5 初始翻轉(zhuǎn)角度對各項指標(biāo)的影響曲線

通過查看計算輸出的d3plot動畫以及相關(guān)的曲線文件可以發(fā)現(xiàn)，在不同的初始翻轉(zhuǎn)角度條件下，車體的A柱、上邊梁和頂蓋的變形量均在車體與地面發(fā)生第一次碰撞的時刻出現(xiàn)了峰值，并且不同初始翻轉(zhuǎn)角度下車體與地面發(fā)生第一次碰撞的時刻也非常接近，時間間隔均小于20 ms；在后續(xù)過程中，隨著車體與地面的繼續(xù)碰撞，變形量繼續(xù)增加，到仿真結(jié)束時刻變形量達(dá)到最大.在其他組不同初始試驗條件下亦是如此，后文不再贅述.

由圖5可知，隨著初始翻轉(zhuǎn)角度的增加，各關(guān)鍵結(jié)構(gòu)的最大變形量也在增加，這是因為初始翻轉(zhuǎn)角越大，車體發(fā)生側(cè)翻的趨勢越明顯，車體在初始翻轉(zhuǎn)角速度的作用下開始側(cè)翻后在接觸地面時刻的瞬時角速度越大，第一次與地面發(fā)生碰撞產(chǎn)生的變形越大，在后續(xù)與地面發(fā)生碰撞的過程中產(chǎn)生的累積變形的作用下，其仿真結(jié)束時刻的最大變形也越大.

在不同的初始翻轉(zhuǎn)角度條件下，剛性墻的最大接觸力隨著初始翻轉(zhuǎn)角度的增加呈現(xiàn)上升的趨勢，是由于初始翻轉(zhuǎn)角度越大，車輛發(fā)生側(cè)翻的趨勢越明顯，側(cè)翻后到達(dá)接觸地面時刻的瞬時角速度越大，產(chǎn)生的碰撞力也越大；同時，剛性墻最大接觸力在不同初始翻轉(zhuǎn)角度條件下的動態(tài)響應(yīng)相對于A柱等關(guān)鍵結(jié)構(gòu)的最大變形量的動態(tài)響應(yīng)不明顯，其中，頂蓋最大變形量的動態(tài)響應(yīng)最大，在其他初始碰撞參數(shù)下剛性墻最大接觸力的動態(tài)響應(yīng)也較小.

2.2.2初始翻轉(zhuǎn)角速度

初始翻轉(zhuǎn)角速度對各項指標(biāo)的影響趨勢見圖6.

圖6 初始翻轉(zhuǎn)角速度對各項指標(biāo)的影響曲線

由圖6可知，在初始翻轉(zhuǎn)角速度小于基礎(chǔ)值0.087 rad/s時，車體關(guān)鍵結(jié)構(gòu)的最大變形量呈下降趨勢；當(dāng)初始翻轉(zhuǎn)角速度大于基礎(chǔ)值0.087 rad/s時，初始翻轉(zhuǎn)角速度越大，車體關(guān)鍵結(jié)構(gòu)的最大變形量越大，剛性墻的最大接觸力也呈現(xiàn)出相同的變化趨勢.當(dāng)初始翻轉(zhuǎn)角速度小于基礎(chǔ)值時，初始翻轉(zhuǎn)角速度越大，車體接觸地面的時間越短，接觸地面時刻的瞬時角速度越小，第一次碰撞產(chǎn)生的變形越小，仿真結(jié)束時刻的最大變形也越??；當(dāng)初始翻轉(zhuǎn)角速度大于基礎(chǔ)值時，角速度增大的作用比較明顯，當(dāng)初始翻轉(zhuǎn)角速度成倍增加時，雖然接觸地面的時刻提前，但是在接觸地面時刻車體的瞬時角速度也成倍增加，第一次碰撞產(chǎn)生的變形和接觸力就越大，仿真結(jié)束時刻的最大變形也越大.

2.2.3擋板高度

設(shè)置不同的擋板高度對目標(biāo)車型進(jìn)行側(cè)翻仿真試驗，擋板高度對各項指標(biāo)的影響趨勢見圖7.

圖7 擋板高度對各項指標(biāo)的影響曲線

由圖7可知，隨著擋板高度的增加，車體各關(guān)鍵結(jié)構(gòu)的最大變形量和剛性墻的最大接觸力均出現(xiàn)減小的趨勢，這是因為當(dāng)擋板高度增加時，擋板對輪胎翻轉(zhuǎn)過擋板的阻礙作用變大，車體翻轉(zhuǎn)過擋板時的角速度變小，當(dāng)車體與地面發(fā)生第一次碰撞時的瞬時角速度變小，產(chǎn)生的變形量和接觸力也變小，所以仿真結(jié)束時刻的累積最大變形量也越小.當(dāng)擋板高度為55 mm時，剛性墻的最大接觸力比擋板高度為52.5 mm時較大，可能是因為擋板高度為55 mm時，輪胎翻轉(zhuǎn)過擋板后車體獲得的瞬時角加速度變大，從而使車體與地面發(fā)生第一次接觸時的瞬時角速度變大，產(chǎn)生的碰撞力也變大.

2.2.4翻轉(zhuǎn)平臺高度

在不同的翻轉(zhuǎn)平臺高度下對目標(biāo)車型進(jìn)行仿真試驗分析，翻轉(zhuǎn)平臺高度對各項指標(biāo)的影響趨勢見圖8.

圖8 翻轉(zhuǎn)平臺高度對各項指標(biāo)的影響曲線

由圖8可知，當(dāng)翻轉(zhuǎn)平臺高度大于760 mm時，隨著翻轉(zhuǎn)平臺高度的增加，A柱、上邊梁、頂蓋的最大變形量以及剛性墻的接觸力均呈現(xiàn)不斷變大的趨勢，這是因為當(dāng)擋板高度變大時，車輛的初始勢能變大，車體與地面發(fā)生碰撞時的角速度也變大，因此各關(guān)鍵部件的最大變形量和剛性墻的最大接觸力也變大.當(dāng)側(cè)翻平臺高度為720 mm時，其各項指標(biāo)相比于側(cè)翻平臺高度為760 mm時較大，可能是由于車身高度的影響關(guān)系，當(dāng)車體與地面發(fā)生第一次碰撞時接觸力的方向?qū)圀w強(qiáng)度的影響較大，所以產(chǎn)生的變形量和接觸力也較大.

由上述分析可知，側(cè)翻試驗初始翻轉(zhuǎn)角度、初始翻轉(zhuǎn)角速度、擋板高度和翻轉(zhuǎn)平臺高度這四個碰撞參數(shù)對車體A柱、上邊梁和頂蓋的最大變形以及剛性墻最大碰撞力的影響趨勢各有不同，各指標(biāo)與初始翻轉(zhuǎn)角度和翻轉(zhuǎn)平臺高度呈正相關(guān)，與擋板高度呈負(fù)相關(guān)，而對于初始翻轉(zhuǎn)角速度，在參考文獻(xiàn)[2]客車上部結(jié)構(gòu)強(qiáng)度要求及試驗方法的試驗條件下[9-10]，各項指標(biāo)與初始翻轉(zhuǎn)角速度呈負(fù)相關(guān)，并且在上述四項初始側(cè)翻碰撞參數(shù)中，翻轉(zhuǎn)平臺高度即跌落高度對試驗結(jié)果的影響最為明顯.另外，對于A柱、上邊梁和頂蓋的最大變形量而言，車體與地面第一次碰撞產(chǎn)生的變形量的大小基本上決定了整個側(cè)翻試驗過程中相應(yīng)部件的最大變形量，并且在這些關(guān)鍵部件中，頂蓋的最大變形量最大，而A柱的最大變形量大于上邊梁的最大變形量.

3 結(jié) 束 語

本文運(yùn)用非線性有限元分析軟件Hypermesh建立了某型小客車的側(cè)翻試驗仿真模型，對標(biāo)分析了仿真模型與實車試驗之間的誤差，驗證了仿真模型的準(zhǔn)確性；以試驗中車體的A柱、上邊梁和頂蓋的最大變形以及剛性墻(地面)的接觸力為評價指標(biāo)，分析了側(cè)翻試驗中初始翻轉(zhuǎn)角度、初始翻轉(zhuǎn)角速度、擋板高度和翻轉(zhuǎn)平臺高度這四個初始碰撞參數(shù)對車輛側(cè)翻碰撞安全性能的影響，得到了車體關(guān)鍵結(jié)構(gòu)與各初始碰撞參數(shù)之間的影響規(guī)律.該研究可以為小客車的側(cè)翻碰撞試驗的設(shè)計以及小客車側(cè)翻碰撞安全性能的優(yōu)化提供參考依據(jù).

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Simulation Study on Minivan Stumbling Rollover Test and Influence Factors Analysis

ZHOUTingmei1)YANYan1)MOYimin1)LIUChangye1,2)

(SchoolofMechanicalandElectronicEngineering,WuhanUniversityofTechnology,Wuhan430070,China)1)(TechnicalDevelopmentCenter,SGMWCorporation,Liuzhou540057,China)2)

In order to study the safety performance of the minivan in stumbling rollover, a finite element simulation model of the target car based on the strength requirement and test method of the bus upper structure was established, and the validity and accuracy of the model were verified. The influence of four initial collision parameters including the initial rollover angle, the initial turning angular velocity, the height of the baffle and the height of the flipping platform on vehicle safety performance in stumbling rollover was researched. The results indicate that the selected four evaluation indices including the largest deformation of A pillar, upper beam and the roof, and the largest rigid wall force are positively correlated with the initial rollover angle and the height of the flipping platform, which are negatively correlated with the initial turning angular velocity and the baffle height, and the flipping platform height is the most obvious effect on the test results.

minivan; stumbling rollover test; finite element model; collision parameters

U467.1

10.3963/j.issn.2095-3844.2017.05.017

2017-07-12

周廷美(1962—)：女，博士，教授，主要研究領(lǐng)域為管理信息系統(tǒng)、CAD、包裝動力學(xué)等

*校企合作基金項目資助(S-C08-01W10-904-010-OR19)