汽車正面耐碰撞性有限元仿真分析

鄭何妍,盧耀輝,張德文,趙智堂,劉俊杰

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

據(jù)調(diào)查顯示，汽車正面碰撞是所有碰撞類型之中發(fā)生最頻繁的，占事故發(fā)生數(shù)的半數(shù)以上[1]。因此，汽車正面碰撞時(shí)的安全性研究對(duì)提高車輛性能、減少事故發(fā)生概率和保護(hù)人們的生命財(cái)產(chǎn)安全都有極其重要的意義。

隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)以及相關(guān)汽車工程軟件的開發(fā)與應(yīng)用，碰撞試驗(yàn)由最初的實(shí)車碰撞逐步被模擬碰撞的仿真技術(shù)替代。在20世紀(jì)70年代，美國(guó)Lawrence Livermore實(shí)驗(yàn)室率先研究了用于汽車碰撞的模擬仿真技術(shù)，將汽車碰撞研究帶入了全新的領(lǐng)域[2]。汽車碰撞模擬仿真技術(shù)真正的突破始于1986年，通過(guò)應(yīng)用LS-DYNA仿真軟件成功地模擬了整車大變形的過(guò)程[3]。這說(shuō)明將動(dòng)態(tài)顯式非線性有限元理論應(yīng)用于整車碰撞仿真模擬領(lǐng)域是可行的，這一研究方法隨后被世界各國(guó)廣泛使用。計(jì)算機(jī)技術(shù)的發(fā)展帶動(dòng)了有限元模擬仿真技術(shù)的發(fā)展，目前被廣泛應(yīng)用于汽車碰撞模擬計(jì)算的軟件有PAM-CRASH、MSC/DYTRAN及LS-DYNA等。

在實(shí)車碰撞領(lǐng)域，我國(guó)第1個(gè)實(shí)車碰撞試驗(yàn)臺(tái)于1989年在清華大學(xué)汽車實(shí)驗(yàn)室內(nèi)建立。清華大學(xué)在汽車安全性研究領(lǐng)域一直走在全國(guó)前列。裘新等[4]在1997年建立了一個(gè)簡(jiǎn)單的整車有限元模型，并用該模型進(jìn)行了前碰撞的有限元模擬研究。隨后逐漸開發(fā)了多種不同方法來(lái)分析評(píng)價(jià)汽車碰撞過(guò)程，如：陳濤、戴江璐等[5]建立載荷數(shù)據(jù)庫(kù)，提出了一種基于梯度的等效靜載荷法、G1-G2設(shè)計(jì)規(guī)則及與載荷傳遞路徑相結(jié)合的正面碰撞關(guān)鍵結(jié)構(gòu)的優(yōu)化設(shè)計(jì)方法；朱冰等[6]建立了碰撞預(yù)警安全距離模型，采用基于最小二乘法與斜率法的路面附著系數(shù)估算法來(lái)精確識(shí)別全滑移率工況下的路面附著系數(shù)，提出了一種基于路面附著系數(shù)估計(jì)的自適應(yīng)汽車縱向碰撞預(yù)警策略，應(yīng)用Matlab和Simulink-CarSim軟件聯(lián)合進(jìn)行仿真，并通過(guò)實(shí)車測(cè)試來(lái)驗(yàn)證此策略；龍江啟等[7]建立了車輛正面碰撞有限元仿真模型，選取對(duì)于1階模態(tài)影響較大的車身零部件進(jìn)行輕量化設(shè)計(jì)，通過(guò)對(duì)比輕量化設(shè)計(jì)前后白車身的彎曲模態(tài)和扭轉(zhuǎn)模態(tài)，預(yù)測(cè)了輕量化設(shè)計(jì)后的增程式純電動(dòng)汽車的正面碰撞安全性能。

本文主要利用HyperMesh軟件進(jìn)行前處理，將CAD模型轉(zhuǎn)化為CAE有限元模型，輸出k文件，并通過(guò)LS-DYNA軟件仿真求解，對(duì)整車變形、車身能量、B柱加速度和前圍侵入量等結(jié)果進(jìn)行分析，研究了汽車吸能部件對(duì)碰撞結(jié)果的影響，為結(jié)構(gòu)優(yōu)化方案提出參考建議。

1 正面碰撞法規(guī)

鑒于汽車碰撞事故給各國(guó)帶來(lái)了巨大的經(jīng)濟(jì)損失和人員傷亡，許多國(guó)家相繼出臺(tái)了強(qiáng)制性碰撞法規(guī)，以此來(lái)降低碰撞過(guò)程中產(chǎn)生的損失。美國(guó)、歐洲等國(guó)家在很早以前已經(jīng)制定了相關(guān)的碰撞法規(guī)，主要有美國(guó)的聯(lián)邦機(jī)動(dòng)車安全標(biāo)準(zhǔn)FMVSS(federal motor vehicle safe standard)和歐盟的ECE法規(guī)體系[8]，其他國(guó)家的碰撞法規(guī)大多是參考美國(guó)、歐盟的法規(guī)體系來(lái)建立的。其中中國(guó)的碰撞法規(guī)主要參考?xì)W盟的ECE法規(guī)體系來(lái)建立，于1999年10月頒布并實(shí)施的《關(guān)于正面碰撞乘員保護(hù)的設(shè)計(jì)規(guī)則》CMVDR294法規(guī)是參考?xì)W洲正面碰撞法規(guī) ECER94[9]。目前，我國(guó)關(guān)于汽車碰撞的強(qiáng)制性標(biāo)準(zhǔn)已有60余項(xiàng)，有16項(xiàng)涉及被動(dòng)安全性標(biāo)準(zhǔn)，其中已用法規(guī)《乘用車正面碰撞的乘員保護(hù)》(GB 11551—2003)代替《汽車乘員碰撞保護(hù)》(GB/T 11551—1989)，并規(guī)定汽車的碰撞速度是50 km/h[8]。中美正面碰撞法規(guī)對(duì)比見表1。

表1 中美正面碰撞法規(guī)對(duì)比

*M1類車輛：至少有4個(gè)車輪、且廠定最大總質(zhì)量超過(guò)1 t、包括駕駛員座位在內(nèi)座位數(shù)不超過(guò)9座的載客車輛。

2 整車有限元模型的建立及碰撞參數(shù)設(shè)置

根據(jù)某車型圖紙，通過(guò)Catia軟件建立了含底盤的整車模型，再將CAD模型導(dǎo)入有限元軟件 HyperMesh中進(jìn)行碰撞前處理。車身有限元模型主要是以殼單元為主，選用SHELL163殼單元，部分構(gòu)件采用實(shí)體單元建模，車窗玻璃也選用殼單元進(jìn)行建模，車身的主體結(jié)構(gòu)如門檻和前縱梁均采用高強(qiáng)度鋼板；對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)、變速器和輪轂等變形不明顯的結(jié)構(gòu)部件采用近似處理，用SOLID164實(shí)體單元建模，并賦予MAT20(剛性材料)的材料屬性；對(duì)車架等絕大部分結(jié)構(gòu)采用MAT24(普通鋼)材料，并忽略車身小半徑的孔洞及圓角；對(duì)于車輪等橡膠塑性材料，則采用MAT1(塑料)材料。一些線路和管路的連接因?yàn)橘|(zhì)量較小，在建模時(shí)已將其省略。以IGES圖形數(shù)據(jù)交換格式將CAD模型導(dǎo)入有限元軟件HyperMesh進(jìn)行網(wǎng)格劃分。綜合考慮求解速度與精度，車身結(jié)構(gòu)按照平均單元長(zhǎng)度為10 mm來(lái)進(jìn)行，前部主要吸能區(qū)域應(yīng)適當(dāng)減小單元大小(不小于5 mm)以提高結(jié)果精度。網(wǎng)格其他參數(shù)如翹曲角度、雅可比參數(shù)等參照汽車碰撞通用規(guī)范。最終搭建的整車有限元模型(如圖1)包含了998 218個(gè)節(jié)點(diǎn)和974 383個(gè)單元。

根據(jù)國(guó)內(nèi)碰撞法規(guī)相關(guān)規(guī)定，建立正面碰撞的有限元模型。參照《乘用車正面碰撞的乘員保護(hù)》(GB 11551—2003)的要求，剛性墻一般是由鋼筋與混凝土制成的，前部寬度≥3m，高度≥1.5m，墻壁前表面的法線應(yīng)與車輛直線行駛的方向成0°夾角，并且其表面覆蓋20 mm厚的膠合板[10]。根據(jù)壁障的法規(guī)要求，剛性墻和剛性地面都是剛性平面，所以建模時(shí)的材料類型選用了剛性體模型，單元類型采用了SHELL163殼單元。整車碰撞仿真需要對(duì)計(jì)算控制參數(shù)進(jìn)行設(shè)置，以保證碰撞過(guò)程中整車仿真結(jié)果的準(zhǔn)確性。沙漏設(shè)置中的沙漏參數(shù)QH為0.03，默認(rèn)沙漏控制類型為類型1基于黏性的沙漏控制。仿真時(shí)間步長(zhǎng)設(shè)置為1.00 μs。初始速度設(shè)置為50 km/h。在LS-DYNA軟件仿真過(guò)程中，為避免出現(xiàn)車架與剛性墻接觸的穿透問題，已將碰撞壁障模型按無(wú)限平面的剛性墻設(shè)置，其模型由k文件編輯生成(圖2)。

圖1 整車有限元模型

3 碰撞結(jié)果分析

求解完成后產(chǎn)生的結(jié)果文件在Hyperview軟件中進(jìn)行查看，可觀察到整個(gè)碰撞過(guò)程中整車在不同時(shí)刻的變形，如圖3所示。由圖3可知：在整車碰撞的25 ms時(shí)，該車的保險(xiǎn)杠、前圍板、前縱梁、發(fā)動(dòng)機(jī)罩等車身前部構(gòu)件都產(chǎn)生了很大的塑性變形，說(shuō)明汽車前部已經(jīng)開始吸收撞擊能量；在75 ms時(shí)汽車尾部有較為明顯的升高趨勢(shì)，這是由于剛性墻與汽車前部之間相互的作用力中心和整車的慣性中心在汽車垂直方向有距離差，從而導(dǎo)致碰撞過(guò)程中整車的慣性力產(chǎn)生了一個(gè)繞前部碰撞作用力中心轉(zhuǎn)動(dòng)的力矩，由該力矩引起了汽車尾部上抬的趨勢(shì)。

圖3 汽車正面碰撞模擬示意圖

3.1 質(zhì)量縮放

在LS-DYNA的仿真分析中，由于正面碰撞是一個(gè)短暫且復(fù)雜的仿真過(guò)程，所以在仿真過(guò)程中采用了質(zhì)量縮放技術(shù)，此方法縮短了整個(gè)仿真過(guò)程所需時(shí)間。有限元模型仿真計(jì)算中涉及不同的接觸算法和多種積分算法，系統(tǒng)為了保證計(jì)算的正常進(jìn)行，有時(shí)會(huì)自動(dòng)增加某些部件的質(zhì)量，若質(zhì)量增加在可接受的范圍內(nèi)，則認(rèn)為該模型的仿真計(jì)算結(jié)果是可信的。圖4表示汽車質(zhì)量增加的過(guò)程，可見質(zhì)量增加沒有超過(guò)12.5 kg，而汽車有限元模型總質(zhì)量為1 400 kg，相對(duì)增加比為0.89%，滿足求解過(guò)程中模型增加質(zhì)量必須小于模型總質(zhì)量5%的要求，因此該模型的仿真結(jié)果是可信的。

3.2 能量轉(zhuǎn)化分析

在碰撞期間，汽車前保險(xiǎn)杠首先與剛性墻進(jìn)行碰撞接觸，車身前部變形逐漸增大，達(dá)到最大值后與剛性墻進(jìn)行分離直至停止，這一過(guò)程中將大部分的動(dòng)能轉(zhuǎn)變?yōu)榱塑嚿淼淖冃文?，同時(shí)部分熱能消散，整個(gè)碰撞期間是一個(gè)能量守恒的過(guò)程。圖5顯示：在碰撞期間，在0～80 ms的時(shí)間內(nèi)，整車的動(dòng)能由最初的峰值125 000 J下降到3 300 J，這是由于碰撞時(shí)動(dòng)能被轉(zhuǎn)化而減少，減少掉的動(dòng)能一部分轉(zhuǎn)化為車身內(nèi)能，一部分則轉(zhuǎn)化為熱能消耗掉了，而在60 ms后動(dòng)能幾乎不變是由于此時(shí)的碰撞過(guò)程基本結(jié)束，汽車速度也基本不變。碰撞后整車的內(nèi)能由最初的0 J逐漸升高到110 000 J，這是由于汽車前部構(gòu)件在碰撞過(guò)程中會(huì)產(chǎn)生塑性變形，結(jié)構(gòu)受到破壞和坍塌，從而吸收動(dòng)能來(lái)轉(zhuǎn)化為汽車的內(nèi)能。當(dāng)沙漏能為正值且占比在總能量的5%以內(nèi)，認(rèn)為沙漏對(duì)計(jì)算結(jié)果影響不顯著。4條曲線走勢(shì)光滑，無(wú)明顯跳躍，則認(rèn)為整個(gè)仿真過(guò)程比較成功。

圖4 增加質(zhì)量與總質(zhì)量之比

3.3 加速度分析

B柱加速度可間接反映出乘員頭部加速度的大小，并能體現(xiàn)出碰撞過(guò)程中車身的變化，從而反映車身的耐碰撞性能，進(jìn)一步評(píng)價(jià)乘員受到的損傷。在研究正面碰撞過(guò)程的加速度曲線時(shí)，為避免構(gòu)件自身變形給加速度讀取精度帶來(lái)的影響，其測(cè)點(diǎn)一般都選在B柱下方的位置上。讀取結(jié)果文件，輸出B柱下端左右兩側(cè)Y軸方向的速度曲線。因速度值在任何時(shí)刻都具有收斂性，所以對(duì)速度曲線求導(dǎo)可得到相對(duì)應(yīng)的加速度時(shí)間歷程的初始數(shù)據(jù)。經(jīng)過(guò)SAE 60 Hz的濾波通道對(duì)初始曲線進(jìn)行濾波處理后，得到如圖6所示的加速度時(shí)間歷程曲線。從圖6可以得出：B柱在碰撞過(guò)程中的最大加速度為41.6g，左右側(cè)的加速度結(jié)果相近，且滿足國(guó)內(nèi)標(biāo)準(zhǔn)中碰撞最大加速度峰值不超過(guò)50g的要求[11]，性能良好。

圖6 B柱左右側(cè)加速度曲線

3.4 保險(xiǎn)杠和前縱梁變形分析

仿真結(jié)果顯示：汽車與剛性墻發(fā)生正面碰撞時(shí)，保險(xiǎn)杠最先與剛性墻發(fā)生接觸碰撞，產(chǎn)生塑性變形。保險(xiǎn)杠在變形的初期進(jìn)行吸能，隨后通過(guò)前縱梁進(jìn)行吸能。圖7顯示：保險(xiǎn)杠相對(duì)車身最大位移量為490 mm，在很大程度上緩解了碰撞過(guò)程中產(chǎn)生的沖擊力，說(shuō)明其對(duì)汽車碰撞起到了很好的減速吸能作用。在碰撞過(guò)程中，前縱梁起到了減緩汽車碰撞沖擊力、吸收碰撞能的作用。圖8顯示了前縱梁的壓塌變形情況，可見前縱梁的最大變形為241.2 mm，說(shuō)明在碰撞過(guò)程中前縱梁較好地減緩了汽車碰撞沖擊力和較好地吸收了碰撞能。

圖7 保險(xiǎn)杠變形

3.5 前圍板的侵入量分析

以車尾后部變形較小的一點(diǎn)為參照設(shè)置相對(duì)坐標(biāo)系分析前圍板的侵入量。前圍板的最大侵入量發(fā)生在駕駛員側(cè)的上半部分，最大值達(dá)到178 mm，遠(yuǎn)大于國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)GB 11551—2003中要求的胸部最大壓縮量75 mm，會(huì)對(duì)駕駛員的胸部造成巨大傷害，因此在碰撞時(shí)該車前圍板的性能有待加強(qiáng)。汽車前圍板位移云圖如圖9所示。

圖9 前圍板位移云圖

3.6 A柱夾角的變化形態(tài)

在正面碰撞過(guò)程中，A柱是乘員艙的主要支承部件，它的完好性可以確保車門在碰撞后正常開啟，以保證乘員在事故后能夠成功逃離。由于本文未加入假人模型，為了評(píng)估駕駛員生存空間的變化情況，故對(duì)駕駛側(cè)的A柱折彎情況進(jìn)行檢測(cè)，從A柱夾角的變形來(lái)間接求出乘員的傷害情況(圖10)。圖11為A柱與水平線的夾角變化過(guò)程，可看出汽車初始夾角為27.5°，在75 ms時(shí)刻達(dá)到最大值29.9°，角度變化量?jī)H為2.4°，A柱折彎程度不高，說(shuō)明碰撞中A柱對(duì)乘員艙造成的影響較小，車身結(jié)構(gòu)性能良好。

圖10 A柱測(cè)點(diǎn)位置

3.7 座椅加速度

由于本文研究的正面碰撞車輛模型是無(wú)假人模型，所以不必依照新車評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)來(lái)對(duì)車輛的乘員保護(hù)進(jìn)行評(píng)價(jià)。本文通過(guò)采集駕駛員座椅上部的加速度，參考駕駛員在碰撞過(guò)程中受到的沖擊力，并選取駕駛員頸部接觸的座椅上端位置為測(cè)量點(diǎn)來(lái)對(duì)駕駛員的安全保護(hù)進(jìn)行評(píng)價(jià)。從圖12中可以看出：座椅的最大加速度為250 000 mm/s2，換算后為25.5g。說(shuō)明由于車身前部吸能材料的作用，駕駛員在碰撞過(guò)程中所受到的沖擊力會(huì)大大減小。

圖12 座椅上部加速度

3.8 優(yōu)化建議

由以上分析可得：前圍板結(jié)構(gòu)需要進(jìn)一步加強(qiáng)。在碰撞過(guò)程中，前圍板的作用主要是通過(guò)吸收碰撞產(chǎn)生的能量對(duì)乘員進(jìn)行保護(hù)，同時(shí)也需要考慮結(jié)構(gòu)和材料等對(duì)整體系統(tǒng)的影響，所以在優(yōu)化設(shè)計(jì)時(shí)可將吸能性、結(jié)構(gòu)和材料等考慮進(jìn)去。首先，考慮前圍板吸能方面，可采用泡沫鋁作為吸能結(jié)構(gòu)材料來(lái)提高前圍板的吸能能力；其次，考慮結(jié)構(gòu)方面，可通過(guò)增加1個(gè)十字形的加強(qiáng)結(jié)構(gòu)來(lái)提高其抗撞性，使其有效地傳遞和分擔(dān)碰撞帶來(lái)的沖擊載荷，以保證駕駛艙內(nèi)的人員安全；最后，考慮耐撞性方面，可采用高強(qiáng)度鋼或增大其板料厚度來(lái)加強(qiáng)其屈服強(qiáng)度及剛度，從而提高前圍板的耐撞性。

前縱梁作為汽車正面碰撞中主要的吸能部件，提高其變形能力可以減少碰撞對(duì)乘員艙帶來(lái)的影響，所以其結(jié)構(gòu)性能對(duì)于汽車的安全性尤為重要。若要對(duì)汽車前縱梁進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)，可從以下兩個(gè)方面著手：① 考慮影響汽車碰撞性能的主導(dǎo)因素，也就是前縱梁由于彎曲變形而導(dǎo)致的吸能不足可通過(guò)在縱梁與副車架之間設(shè)計(jì)一個(gè)支撐件來(lái)解決，使前縱梁充分吸能、產(chǎn)生軸向壓潰力變形，從而改善其受力情況，并可通過(guò)支撐件分散碰撞時(shí)產(chǎn)生的沖擊力，合理建立碰撞力的傳遞路徑；② 考慮前縱梁的耐撞性方面，可在前縱梁的尾部處安裝加強(qiáng)筋板，或者在前縱梁各部分連接的過(guò)渡處增加焊點(diǎn)，進(jìn)而增加構(gòu)件的剛度以提高其防撞性。

4 結(jié)論

本文從事故類型出發(fā)，選擇最常見的正面碰撞類型的交通事故進(jìn)行模擬仿真分析。在碰撞速度為50 km/h和沖擊時(shí)間為100 ms的條件下，對(duì)汽車的結(jié)構(gòu)耐撞性進(jìn)行了綜合性能評(píng)價(jià)，得到以下結(jié)論：

1) B柱在碰撞過(guò)程中的最大加速度大小為41.6g，滿足國(guó)內(nèi)碰撞最大加速度峰值不超過(guò)50g的要求，說(shuō)明其性能良好。

2) 本文通過(guò)仿真計(jì)算出前縱梁的最大變形為241.2 mm，說(shuō)明其吸收了大部分汽車碰撞能，減緩了主要的沖擊力，使乘員艙變形較小，能實(shí)現(xiàn)碰撞后不使用工具開車門這一設(shè)計(jì)目的。

3) 前圍板相對(duì)駕駛室的入侵量為178 mm，遠(yuǎn)大于100 mm，會(huì)對(duì)駕駛員的胸部造成巨大傷害，因此本文針對(duì)前圍板提出了一系列優(yōu)化設(shè)計(jì)的建議。

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