汽車整車結(jié)構(gòu)側(cè)面耐撞性有限元數(shù)值模擬

鄭何妍，盧耀輝，趙智堂，張德文

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汽車整車結(jié)構(gòu)側(cè)面耐撞性有限元數(shù)值模擬

鄭何妍，盧耀輝，趙智堂，張德文

（西南交通大學(xué) 機(jī)械工程學(xué)院，成都 610031）

研究汽車結(jié)構(gòu)側(cè)面主要承載部件的耐撞性，參考我國碰撞法規(guī)和ECE R95，根據(jù)國內(nèi)某SUV汽車的參數(shù)和相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)建立整車有限元模型和移動(dòng)可變形壁障模型(MDB)，對其進(jìn)行數(shù)值模擬，為結(jié)構(gòu)的優(yōu)化設(shè)計(jì)提供參考。利用HyperMesh前處理將CAD模型轉(zhuǎn)化為CAE有限元模型，輸出k文件，并通過LS-DYNA大變形有限元仿真軟件對其耐撞性進(jìn)行計(jì)算。結(jié)果仿真顯示，在汽車側(cè)面碰撞過程中，B柱和車門等主要承載部件發(fā)生了較大的變形，B柱變形量為116.6 mm，車門的變形量為190 mm，其值符合標(biāo)準(zhǔn)要求，在碰撞結(jié)束后保證了足夠的乘員空間。該車有較好的側(cè)面耐撞性，且得出的碰撞數(shù)值模擬結(jié)果可為該車的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)提供參考。

側(cè)面碰撞；大變形數(shù)值模擬；移動(dòng)變形壁障；B柱

隨著汽車保有量的不斷增加，引發(fā)越來越多的交通事故，造成大量的人員傷亡和財(cái)產(chǎn)損失。汽車引發(fā)的交通事故主要可以分為正面碰撞、側(cè)面碰撞和追尾。數(shù)據(jù)顯示，某年汽車側(cè)面碰撞的發(fā)生比例僅為27%，卻造成全年事故總財(cái)產(chǎn)損失的42%[1]。因此，每一款被設(shè)計(jì)的車型，都必須先進(jìn)行側(cè)面碰撞試驗(yàn)，以保證其安全性。

我國在1988年左右開展對車輛碰撞進(jìn)行仿真，現(xiàn)已逐步建立了完整的法規(guī)體系。2001年，孫宏圖等將有限元法與動(dòng)力學(xué)方法相結(jié)合，模擬計(jì)算了不同車型的汽車碰撞大變形過程[2]。2005年，游國忠等用LS-DYNA及ETA/VPG對有限元整車模型的性能進(jìn)行數(shù)值模擬分析，并同實(shí)車模型碰撞試驗(yàn)的結(jié)論一致，說明該建模方法有效且準(zhǔn)確[3]。2008年，Mei L、Thole C A等發(fā)現(xiàn)在使用LS-DYNA或PAMCRASH來模擬計(jì)算同一模型時(shí)，一個(gè)節(jié)點(diǎn)位置選擇的改變將會獲得有差異的仿真結(jié)果，根據(jù)此種不確定性，他們提出使用數(shù)據(jù)挖掘的算法來獲取穩(wěn)定的汽車有限元模型參數(shù)[4]。2010年，楊艷慶、田晉躍詳細(xì)闡述了提高薄壁梁吸能特性的優(yōu)化方案，再用ANSYS/LS-DYNA對經(jīng)過改進(jìn)的薄壁梁做大變形仿真分析來評價(jià)其優(yōu)化方案，從而選出最優(yōu)方案[5]。文中主要利用HyperMesh前處理將CAD模型轉(zhuǎn)化為CAE有限元模型，輸出k文件，并通過LS-DYNA仿真求解，重點(diǎn)研究分析車門與B柱的變形，為結(jié)構(gòu)優(yōu)化方案提出參考建議。

1 側(cè)面碰撞標(biāo)準(zhǔn)

1990年，美國機(jī)動(dòng)車安全法規(guī) FMVSS(Federal Motor Vehicle Safety Standards) 214于10月份在美國正式頒布執(zhí)行。1995年，歐洲也制定了相應(yīng)的汽車側(cè)面碰撞法規(guī)ECE(Economic Commission for Europe) R95，歐美這兩種側(cè)碰法規(guī)的主要不同體現(xiàn)在碰撞形式上。1998年，日本正式將汽車側(cè)面碰撞法規(guī)納入安?；鶞?zhǔn)，其內(nèi)容與歐洲ECE R95基本相同[6]。歐洲ECE法規(guī)至今已頒布實(shí)施了99項(xiàng)，其中安全性法規(guī)81項(xiàng)，包括26項(xiàng)被動(dòng)安全法規(guī)和55項(xiàng)動(dòng)安全法規(guī)[7]。ECE法規(guī)制定了一套便于理解和操作的試驗(yàn)方法及各項(xiàng)安全性能指標(biāo)，在保證汽車安全性能的基礎(chǔ)上，重點(diǎn)關(guān)注法規(guī)的協(xié)調(diào)、可操作和適應(yīng)性。

我國碰撞安全法規(guī)體系也采用ECE標(biāo)準(zhǔn)。我國以ECE R95/02法規(guī)為藍(lán)本制定側(cè)碰標(biāo)準(zhǔn)，又參考日本的相關(guān)法規(guī)以適應(yīng)亞洲人體型標(biāo)準(zhǔn)，建立了一套我國自有的汽車合格評定制度——《汽車側(cè)面碰撞的乘員保護(hù)》（GB 20071—2006）。該標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定了汽車側(cè)面碰撞的試驗(yàn)程序要求，另外還詳細(xì)規(guī)定了三維H點(diǎn)裝置、車輛型式變更、碰撞假人及移動(dòng)變形壁障[6]。中美歐碰撞法規(guī)對比見表1。

表1 中美歐側(cè)面碰撞法規(guī)對比

2 建立有限元模型

2.1 整車

參考某SUV車型參數(shù)，用Catia建立了含底盤的整車模型，再將CAD模型導(dǎo)入HyperMesh中進(jìn)行碰撞前處理。建立整車有限元模型時(shí)，對于汽車發(fā)動(dòng)機(jī)與動(dòng)力傳動(dòng)系中的變速箱、傳動(dòng)軸等剛度較大的構(gòu)件用SOLID164實(shí)體單元建模，行駛系中的輪轂選用殼單元建模。其中發(fā)動(dòng)機(jī)和輪毅在碰撞過程中幾乎不發(fā)生變形，可作為剛體處理，采用 MAT20 材料模型。對于車身的有限元建模，首先車身由薄鋼板和車身梁柱框架焊接而成，選用SHELL163殼單元，車窗玻璃也選用殼單元建模；其次，車身主體結(jié)構(gòu)如前縱梁、門檻及乘員倉框架均大量使用高強(qiáng)度鋼板。整車模型還包括B柱、門檻梁、車門防撞桿、前后車門、車頂、地板等影響汽車側(cè)面碰撞安全性的主要部件，均采用板殼單元建模。一些線路及管路的連接由于質(zhì)量較小，建模時(shí)將其省略。模型簡化可通過將體積和剛度均較大，且在變形過程中不明顯的部件用剛性單元模擬，并且對變形可忽略的小構(gòu)件用點(diǎn)質(zhì)量單元模擬。網(wǎng)格劃分時(shí)，可能發(fā)生大變形區(qū)域的單元長度控制在約10 mm，而最小單元長度應(yīng)控制在4 mm以上。最終建立的SUV整車有限元模型包含478 624個(gè)節(jié)點(diǎn)，494 117個(gè)單元，如圖1所示。

圖1 整車有限元模型

2.2 移動(dòng)變形壁障

根據(jù)國內(nèi)碰撞法規(guī)相關(guān)規(guī)定，參考ECE R95法規(guī)，建立移動(dòng)可變形壁障（MDB）有限元模型。根據(jù)GB 20071—2006《汽車側(cè)面碰撞的乘員保護(hù)》的要求，碰撞試驗(yàn)的移動(dòng)變形壁障由一個(gè)臺車和一個(gè)漸變性蜂窩狀的碰撞壁組成，臺車選擇剛性MAT20材料模型，碰撞壁模型材料選擇MAT26蜂窩材料。最終MDB有限元模型包含70 228個(gè)單元，其質(zhì)心點(diǎn)的坐標(biāo)為(1358,－2915,169)，如圖2所示。

圖2 移動(dòng)變形壁障有限元模型

3 碰撞參數(shù)設(shè)置

在整車碰撞分析中，采用“Contact_Automatic_Si- ngle_Surface”來定義車身的接觸方式。此外，還需定義局部接觸，其中包括整車與移動(dòng)壁障的接觸、MDB的自身接觸、Beam焊點(diǎn)單元接觸、車輪與地面的接觸等。根據(jù)國內(nèi)碰撞法規(guī)規(guī)定，賦予MDB 以50 km/h的初速度，即13 889 mm/s。采用LS-DYNA 中的*CONTROL_HOURGLASS（黏性阻尼法），設(shè)置沙漏系數(shù)QH為0.05，默認(rèn)沙漏控制類型為類型3基于黏性的沙漏控制，其仿真時(shí)間設(shè)為120 ms。在HyperMesh中將設(shè)置完畢的模型寫入k文件并輸出，將k文件導(dǎo)入ANSYS/LS-DYNA中計(jì)算。側(cè)面碰撞有限元模型如圖3所示。

圖3 側(cè)面碰撞有限元模型

4 汽車結(jié)構(gòu)側(cè)面碰撞結(jié)果分析

碰撞中整車結(jié)構(gòu)的變形云圖如圖4所示，色調(diào)越暖表示變形越大。20 ms車體開始大變形，從圖4中可以看出，前車門侵入量很大；70 ms后，車體變形基本不變，只是整體發(fā)生位移，部分變形量到達(dá)峰值的節(jié)點(diǎn)已經(jīng)開始回彈；100~120 ms期間，可以看到變形量較大的結(jié)構(gòu)都有明顯的回彈過程。還可以看出，車體的總體位移為546.3 mm，節(jié)點(diǎn)最大位移為736.3 mm，可計(jì)算出實(shí)際侵入最大位移為190.0 mm。由此可得出，在MDB垂直碰撞汽車左側(cè)，B柱變形嚴(yán)重，A柱和C柱沒有太大變化；車體其他部位沒有發(fā)生明顯的變形；左側(cè)前、后車門都發(fā)生明顯的凹陷，但加強(qiáng)桿位置變形較小，吸收了大部分的碰撞能量，所以變形主要集中在前車門的中部和后車門的下部。由于該模型在車門中裝有防撞梁，起到一定支撐作用，故車門檻的變形相對良好。

4.1 能量分析

該次側(cè)面碰撞模擬中，系統(tǒng)的能量變化曲線如圖5所示。可以看出，在整個(gè)仿真過程中，系統(tǒng)能量守恒。在側(cè)面碰撞初始時(shí)刻，即=0時(shí)，系統(tǒng)的內(nèi)能為0，動(dòng)能最大，為130 000 kJ，系統(tǒng)能量全部來源于移動(dòng)變形壁障的初動(dòng)能。隨著時(shí)間的推移，系統(tǒng)內(nèi)能逐漸增加，動(dòng)能逐漸減小。當(dāng) 80 ms≤≤120 ms時(shí)，動(dòng)能和內(nèi)能保持穩(wěn)定，系統(tǒng)總能量仍然守恒。從圖5可知，沙漏能約占總能量的7％，認(rèn)為此分析結(jié)果是有效的。

圖4 側(cè)面碰撞變形

圖5 系統(tǒng)能量變化曲線

4.2 車門與B柱變形分析

由圖6可知，車前門相對于后門侵入量更大，影響范圍更廣，因此車內(nèi)前排乘員相對較危險(xiǎn)。變形量最大節(jié)點(diǎn)為NODE 692648，上文得到車體總體位移為546.3 mm，所以此處變形量穩(wěn)定在190.0 mm，可看出車前門的十字交叉加強(qiáng)桿起到了較好的抗沖擊作用。

圖6 車門變形

圖7表示B柱變形云圖。由于B柱是側(cè)面碰撞的主要承載件，其變形量較大。從圖7中可以看出，B柱的變形主要在中下部，尤其中部變形量最大，上端靠近頂蓋的位置沒有明顯變形。變形量最大節(jié)點(diǎn)為NODE 235590，根據(jù)車體總體位移為546.3 mm，得出其變形量為116.6 mm，可看出碰撞中B柱中部變形量為最大。

圖7 B柱變形

4.3 B柱侵入量分析

B柱作為側(cè)面碰撞中的主要承載部件對于側(cè)面碰撞安全性有至關(guān)重要的作用，其侵入量與乘員頭部、肋骨和盆骨損傷都密切相關(guān)。因此將B柱的侵入量作為在側(cè)面碰撞仿真分析中一個(gè)重要的側(cè)碰安全評價(jià)指標(biāo)，在B柱從上到下設(shè)置7個(gè)傳感器，其相對應(yīng)的節(jié)點(diǎn)編號如圖8a所示。

利用HyperGraph繪圖輸出測點(diǎn)的侵入量變化，得圖8b為B柱侵入量曲線圖，可明顯看到大體分為上、中、下三部分。由圖8可知，B 柱中部侵入量明顯大于上、下部位，且在70 ms時(shí)中部侵入量達(dá)到峰值，在最大測點(diǎn)NODE 982336處侵入量達(dá)到170.2 mm。70 ms后B柱結(jié)構(gòu)發(fā)生回彈，侵入量減小。最終在120 m時(shí)刻最大測點(diǎn)侵入量僅為86.3 mm，證明其在70~120 ms的回彈量相當(dāng)大，材料的彈性較好。

圖8 B柱傳感器測點(diǎn)分布及侵入量變化

4.4 B柱侵入速度及加速度分析

B柱中部的三個(gè)測點(diǎn)（NODE 982336，NODE 982351，NODE 982356）分別與假人胸部上、中、下肋骨位置大致對應(yīng)，能直觀地評價(jià)假人胸部損傷，因此選擇這三點(diǎn)的數(shù)據(jù)整理并評價(jià)，利用HyperGraph讀取節(jié)點(diǎn)速度和加速度數(shù)據(jù)，并進(jìn)行濾波處理，得到圖9的侵入速度變化曲線和圖10侵入加速度變化曲線。

圖9 B柱中部侵入速度變化曲線

圖10 B柱中部侵入加速度變化曲線

由圖9可知，7.1 ms以前B柱侵入速度保持在0左右，MDB與車體正式接觸后，B柱碰撞速度劇增。50 ms左右三個(gè)測點(diǎn)的侵入速度均達(dá)到峰值，其最大速度為84 m/s，之后速度逐漸減?。?0 ms后速度基本穩(wěn)定。從圖10可以看出，B柱的碰撞加速度值從7.1 ms開始接觸到20 ms之間變化最大，且在20 ms處三測點(diǎn)均達(dá)到峰值，最大加速度為59，需將其性能進(jìn)一步優(yōu)化。在侵入量最大時(shí)，即70 ms時(shí)刻，B 柱中部侵入速度均降到6.4 m/s以下，侵入加速度為－8以下。

4.5 碰撞評價(jià)

碰撞試驗(yàn)在駕駛員一側(cè)進(jìn)行，符合我國法規(guī)的規(guī)定，且碰撞模型中整車和移動(dòng)變形壁障的質(zhì)量和尺寸均符合標(biāo)準(zhǔn)。碰撞過程中B柱最大侵入量為170.2 mm，在B柱中部，所以駕駛員的胸部即肋骨受到傷害最大，但是不會造成致命傷害。碰撞后，車身最大侵入量為190 mm，側(cè)圍結(jié)構(gòu)均發(fā)生一定量的回彈，造成永久性損傷。對碰撞過程結(jié)束后車門的最終變形進(jìn)行對比分析，其結(jié)果如圖11所示。可以看出，最終左側(cè)前門橫向變形量為－25.6 mm，左側(cè)后門橫向變形量可以忽略不計(jì)，因此，在碰撞后車門間隙足夠，車門可以正常打開。

4.6 優(yōu)化建議

由以上分析結(jié)果可知B柱需要加強(qiáng)，對改進(jìn)B柱的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)尤為重要。在其方案設(shè)計(jì)時(shí)，需同時(shí)考慮到材料、結(jié)構(gòu)等對整體系統(tǒng)的影響，以此來確定最優(yōu)的設(shè)計(jì)方案。首先，考慮到分散碰撞力方面，可以增加B柱與車內(nèi)的連接強(qiáng)度，使其在碰撞時(shí)將碰撞能傳到其他部件共同承受，以減小B柱的變形量。比如通過將B柱鉸鏈加強(qiáng)板向下方加長與門檻連接起來，使其在碰撞時(shí)將碰撞力從B柱鉸鏈加強(qiáng)板傳到地板上，以此來分散碰撞力。其次，B柱材料的選取對汽車的安全性至關(guān)重要，可以將原B柱結(jié)構(gòu)件用泡沫鋁金屬等吸能結(jié)構(gòu)件來取代，提高其抗沖擊性，減小碰撞時(shí)的加速度，以此優(yōu)化B柱。

在碰撞過程中，車門通過吸收碰撞產(chǎn)生的能量和提供較好的傳力路徑來實(shí)現(xiàn)對乘員的保護(hù)，因此車門結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)也很重要。由于車門的結(jié)構(gòu)、厚度及材料對車門性能有重要的影響，因此可通過以下兩個(gè)方面來進(jìn)行優(yōu)化。

1）考慮到車門吸能量方面，改變車門防撞梁的幾何形狀可以明顯增大車門的吸能量，從而減小車門變形。由于凹凸板狀結(jié)構(gòu)增加了吸收沖擊的凸臺，所以可將車門防撞梁中間部分制作為有凹凸的板狀結(jié)構(gòu)，進(jìn)而來提高防撞梁吸收能量的能力。

2）在提高車門耐撞性方面，可通過在碰撞過程中車門的主要接觸區(qū)域選用大厚度或者高強(qiáng)度材料的母板來提高其碰撞性能，比如采用高強(qiáng)度鋼板或者抗凹陷鋼板來進(jìn)一步提高車門的耐撞性。

5 結(jié)語

通過在汽車整車結(jié)構(gòu)的側(cè)面碰撞大變形有限元數(shù)值模擬，對整車變形、車門變形、B柱變形及入侵量的研究，得到的結(jié)論如下。

1）根據(jù)我國側(cè)面碰撞法規(guī)標(biāo)準(zhǔn)，該車在側(cè)面碰撞過程中，B柱碰撞的最大加速度為59，其性能需要加強(qiáng)。

2）側(cè)面碰撞大變形數(shù)值模擬結(jié)果顯示，前車門最大變形量為190 m，B柱最大變形量為116.6 m，且該車的變形主要集中于前車門和B柱中部，B柱上下部和后車門相對變形量不大，故可說明垂直中心的側(cè)面碰撞過程中，前車乘員將受到更大傷害，車內(nèi)乘員的胸部損傷將比頭部和腹部盆骨更大。

3）該究結(jié)果為汽車結(jié)構(gòu)耐碰撞性設(shè)計(jì)提供參考建議，對結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)提供了參考方法。

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FEM Numerical Simulation of Side Crashworthiness for Vehicle Structure

ZHENG He-yanLU Yao-huiZHAO Zhi-tangZHANG De-wen

(School of Mechanical Engineering, Southwest Jiaotong University, Chengdu 610031, China)

To study the crashworthiness of the main bearing parts on the side of the car structure, establish finite element model of the vehicle and the moving deformable barrier model (MDB) according to parameters and related standards of a domestic SUV by referring to China's collision regulation and ECE R95.The HyperMesh preprocessing was used to convert the CAD model into CAE finite element model to output the k file, and put it in LS-DYNA (large deformation finite element simulation software) to calculate side crashworthiness of the vehicle. Result The main bearing parts such as the B-pillar and the door had large deformation in vehicle side impact. The deformation of the B-pillar was 116.6mm, and the deformation of the door was 190mm. It was in line with the requirement of China's regulations and ensured sufficient occupant space after impact.The vehicle has better side crashworthiness, and the numerical simulation results can provide a reference for the structural design of the vehicle.

side impact; large deformation numerical simulation; moving deformation barrier; B-pillar

10.7643/ issn.1672-9242.2017.12.009

TJ07；U462.3

A

1672-9242(2017)12-0045-06

2017-07-20；

2017-08-12

國家自然科學(xué)基金（51275428）；西南交通大學(xué)科研訓(xùn)練國創(chuàng)項(xiàng)目（201610613033）

鄭何妍（1993—），女，四川內(nèi)江人，碩士生，主要研究方向?yàn)檐囕v結(jié)構(gòu)疲勞強(qiáng)度可靠性與動(dòng)力學(xué)。

盧耀輝（1973—），男，甘肅民勤人，博士，副教授，從事車輛結(jié)構(gòu)疲勞強(qiáng)度可靠性與動(dòng)力學(xué)研究。