CAE分析在汽車被動安全設(shè)計中的應(yīng)用

鄭州日產(chǎn)汽車有限公司技術(shù)中心 祝小康 李夢帆 蘇秀榮

一．引言

保證汽車結(jié)構(gòu)的碰撞安全性以提高乘員的被動安全，早已成為汽車設(shè)計過程中優(yōu)先考慮的工作。本文主要從白車身的正碰、側(cè)碰和尾碰3個方面著手介紹了CAE在汽車被動安全性設(shè)計中的具體應(yīng)用。

二． CAE分析的動力學(xué)模擬理論

大多數(shù)非線性動力學(xué)問題都是采用顯式求解方法，特別是在求解大型結(jié)構(gòu)的瞬時高度非線性問題時，顯示求解方法有明顯的優(yōu)越性。下面簡要介紹一下顯示求解方法。

圖1 彈簧阻尼系統(tǒng)示意圖

如圖1所示，先考慮簡單的單自由度線性彈簧阻尼系統(tǒng)，根據(jù)達朗貝爾動力學(xué)原理可得：為加速度，為速度，u為位移，p(t)為外力。對于非線性問題， k為位移u的函數(shù)，方程為：

對于非線性問題用解析方法一般很難求解，所以應(yīng)用數(shù)值解法來求解，常用的為有限差分法和有限元法。對于有限元法而言，上述運動方程的矩陣形式為：

求解該運動方程目前使用較多的方法有兩種，一種是振型疊加法，另一種是逐步積分法。對于復(fù)雜問題，一般采用逐步積分法。

三． 汽車門鎖及車門保持件性能的CAE模擬分析

本文所述車型的側(cè)滑門是在已有車型的基礎(chǔ)上進行重新造型、重新設(shè)計的側(cè)滑門，因此需要重新校核其是否滿足國標(biāo)《GB15086汽車門鎖及車門保持件的性能要求和試驗方法》的法規(guī)要求。

本文利用Hyperworks軟件對側(cè)滑門及側(cè)圍總成采用殼單元進行網(wǎng)格劃分，可得172358個單元、181232個節(jié)點。在安裝螺栓孔位置和焊點處作RBE2 SPIDER連接，側(cè)滑門內(nèi)外板粘膠處作一層solidmap實體單元。利用LS-dyna R6進行模擬分析。

1.約束和加載

①約束車身截面處所有節(jié)點6個方向的自由度。

②加載位置及加載裝置位移示意圖如圖2所示，兩個壓頭上分別施加9kN的壓力。

圖2 CAE加載位置及加載過程示意圖

2. [N]版數(shù)據(jù)的模擬分析

（1）方案說明

[N]版數(shù)據(jù)的C柱鎖扣安裝處側(cè)圍內(nèi)外板總成由2個點焊焊點連接，如圖3所示

圖3 [N]版數(shù)據(jù)C柱鎖扣安裝處側(cè)圍內(nèi)外板總成的連接示意圖

（2）分析結(jié)果

通過計算可知側(cè)滑門總成的最大位移量為100.4mm，不滿足法規(guī)要求（法規(guī)要求試驗后最大間隙值＜100mm），方案NG。

模擬分析的加載過程如圖4所示，C柱內(nèi)外板的位移云圖如圖5所示，模擬分析后側(cè)滑門與側(cè)圍的間隙示意圖如圖6所示。

圖4 [N]版數(shù)據(jù)模擬分析的加載過程示意圖

圖5 [N]版數(shù)據(jù)C柱內(nèi)外板的位移云圖

圖6 [N]版數(shù)據(jù)模擬分析后側(cè)滑門與側(cè)圍的間隙示意圖

3.[1]版數(shù)據(jù)的模擬分析

（1）方案說明

[1]版數(shù)據(jù)在[N]版數(shù)據(jù)的基礎(chǔ)上，在C柱鎖扣安裝處附近增加1個連接支架和1個焊點，具體如圖7所示

圖7 [1]版數(shù)據(jù)C柱鎖扣安裝處附近側(cè)圍內(nèi)外板總成的連接示意圖

（2）分析結(jié)果

通過計算可知側(cè)滑門總成的最大位移量為68.5mm，相比[N]版數(shù)據(jù)試驗后的最大間隙值（100.4mm）得到很大改善，且滿足法規(guī)要求（法規(guī)要求試驗后最大間隙值＜100mm），方案OK。

模擬分析的加載過程如圖8所示，C柱內(nèi)外板的位移云圖如圖9所示，模擬分析后側(cè)滑門與側(cè)圍的間隙示意圖如圖10所示

圖8 [1]版數(shù)據(jù)模擬分析的加載過程示意圖

圖9 [1]版數(shù)據(jù)C柱內(nèi)外板的位移云圖

圖10 [1]版數(shù)據(jù)模擬分析后側(cè)滑門與側(cè)圍的間隙示意圖

4.總結(jié)

將[N]版數(shù)據(jù)和[1]版數(shù)據(jù)的結(jié)果匯總?cè)绫?所示，由表1可知：

結(jié)構(gòu)改進后，C柱內(nèi)板Y向位移量無明顯變化；

結(jié)構(gòu)改進后，C柱外板的Y向位移量減少41%；

結(jié)構(gòu)改進后，試驗過程中車門后側(cè)間隙量明顯減小，且滿足法規(guī)要求（法規(guī)要求試驗后最大間隙值＜100mm），側(cè)滑門試驗后未脫開。

表1 結(jié)構(gòu)改進前后的模擬分析結(jié)果對比表

四． 結(jié)語

本文通過對LS-dyna R6在某車型中對汽車門鎖及車門保持件性能的模擬分析為例，簡述了CAE在汽車安全性設(shè)計中的具體應(yīng)用。利用CAE技術(shù)對汽車安全部品的設(shè)計進行模擬分析，可以有效地評估設(shè)計方案的可行性，避免后期實車試驗時方案NG對項目節(jié)點延后、設(shè)計方案無法改進、試驗費用高等問題的產(chǎn)生。