車(chē)身碰撞安全的若干關(guān)鍵技術(shù)

保振安 靳育平

1.上汽通用五菱汽車(chē)股份有限公司 廣西柳州市 545007 2.柳州五菱汽車(chē)工業(yè)有限公司 廣西柳州市 545007

1 引言

考慮到我國(guó)汽車(chē)工業(yè)技術(shù)及社會(huì)發(fā)展趨勢(shì)，汽車(chē)交通事故在短期內(nèi)依舊無(wú)法完全避免，甚至?xí)霈F(xiàn)一定程度的增加趨勢(shì)，因此，為了進(jìn)一步提升我國(guó)的道路交通安全防控能力，提升對(duì)交通事故的可控性，必須加大對(duì)汽車(chē)安全性的研究，最大程度降低交通安全事故給人民群眾來(lái)的的生命財(cái)產(chǎn)損失。在具體的汽車(chē)安全性研究領(lǐng)域中，汽車(chē)碰撞實(shí)驗(yàn)是研究汽車(chē)安全性能必不可少的內(nèi)容之一，通過(guò)碰撞實(shí)驗(yàn)?zāi)軌蚩陀^、真實(shí)的獲取車(chē)輛在真實(shí)碰撞條件下的變形抵抗能力，從而客觀評(píng)定車(chē)輛的安全性。不論是哪家汽車(chē)生產(chǎn)廠商，在研發(fā)出一款新車(chē)型后，勢(shì)必會(huì)進(jìn)行全面的車(chē)輛碰撞實(shí)驗(yàn)，獲取車(chē)輛抵抗碰撞變形的能力，從而全面評(píng)估車(chē)輛安全性能。

2 關(guān)于車(chē)輛碰撞問(wèn)題的整車(chē)碰撞模型仿真技術(shù)分析

2.1 關(guān)于車(chē)輛碰撞問(wèn)題的仿真模型有限元分析基本流程

在車(chē)輛碰撞實(shí)驗(yàn)過(guò)程中，為了降低實(shí)驗(yàn)的投入，實(shí)現(xiàn)碰撞實(shí)驗(yàn)的精準(zhǔn)性，提升實(shí)驗(yàn)效率，在具體的車(chē)輛碰撞實(shí)驗(yàn)前，可以考慮建立有限元模型進(jìn)行仿真分析，獲取碰撞理論值，再將理論值與實(shí)驗(yàn)值進(jìn)行比對(duì)，提升實(shí)驗(yàn)值的可參考性。在具體的碰撞模型建立過(guò)程中，應(yīng)該遵循以下基本建模流程：第一，先對(duì)擬研究對(duì)象建立一定比例的縮尺模型，在縮尺過(guò)程中必須考慮縮尺后的力學(xué)參數(shù)的相應(yīng)削減系數(shù)，在建立幾何模型的過(guò)程中，可以選用CAD軟件建立；第二，為了實(shí)現(xiàn)模型的有限元分析，必須將幾何模型轉(zhuǎn)變?yōu)橛邢拊Ｐ?，為了?shí)現(xiàn)模型的遷移，必須先將CAD格式的文件轉(zhuǎn)變?yōu)閕gs格式，并將文件導(dǎo)入ANSYS有限元分許軟件中；第三，對(duì)幾何模型劃分節(jié)點(diǎn)和單元，將幾何模型轉(zhuǎn)化為有限元模型，實(shí)現(xiàn)網(wǎng)格劃分；第四，對(duì)模型中各部分賦予真實(shí)的力學(xué)屬性和參數(shù)，并施加相應(yīng)的荷載及邊界條件，編寫(xiě)相應(yīng)的碰撞命令流，運(yùn)行程序，有限元計(jì)算完畢后，進(jìn)入軟件后處理模塊，提取碰撞后車(chē)體相應(yīng)的應(yīng)力、應(yīng)變分布云圖和相應(yīng)數(shù)據(jù)，通過(guò)分析運(yùn)算結(jié)果和相應(yīng)云圖判定車(chē)輛的碰撞情況。

2.2 關(guān)于車(chē)輛碰撞有限元模型建立的關(guān)鍵問(wèn)題分析

在車(chē)體碰撞過(guò)程中，由于劇烈膨脹因素影響，此過(guò)程發(fā)生的碰撞行為屬于大變形動(dòng)力學(xué)過(guò)程，由于材料出現(xiàn)大變形，在具體分析中就無(wú)法回避運(yùn)算過(guò)程中出現(xiàn)的幾何非線(xiàn)性、材料非線(xiàn)性及較為復(fù)雜的單元接觸問(wèn)題，由于運(yùn)算過(guò)程涉及到較為明顯的非線(xiàn)性，在運(yùn)算過(guò)程中很容易出現(xiàn)運(yùn)算不收斂問(wèn)題。因此，為了提升運(yùn)算的效率和精確性，增加運(yùn)算收斂的可能性，可以考慮對(duì)單元網(wǎng)格進(jìn)行動(dòng)態(tài)調(diào)整，優(yōu)化各材料的本構(gòu)關(guān)系，尤其是材料在非線(xiàn)性階段的本構(gòu)關(guān)系。此外，應(yīng)該選取合理的接觸單元，保證接觸單元在運(yùn)算過(guò)程中不會(huì)出現(xiàn)大變形和單元畸變問(wèn)題。比如，在分析過(guò)程中，汽車(chē)的前保險(xiǎn)杠部分一般選用鋁合金制成，縱梁材質(zhì)為高強(qiáng)度鋼，在具體分析過(guò)程中，保險(xiǎn)杠和縱梁的接觸不能簡(jiǎn)單選定為綁定，可以添加接觸單元模擬縱梁和保險(xiǎn)杠之間的連接，從而提升分析的可行性和精確性。

2.3 關(guān)于車(chē)輛正面碰撞問(wèn)題分析

關(guān)于車(chē)輛正面碰撞過(guò)程中的能量分析，車(chē)輛碰撞從能量角度分析屬于能量典型的能量轉(zhuǎn)化過(guò)程，為了提升材料的抵抗碰撞能力，可以考慮加強(qiáng)車(chē)輛的吸能能力，實(shí)現(xiàn)短時(shí)間內(nèi)的能量快速消解，能量吸收可以通過(guò)塑性變形來(lái)吸收，塑性變形吸收能量可以從碰撞速度方面分配，實(shí)現(xiàn)結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性，能夠?qū)⒛芰靠焖購(gòu)能?chē)頭擴(kuò)散到整車(chē)。關(guān)于車(chē)輛正面碰撞的能量變化曲線(xiàn)分析，在具體的碰撞過(guò)程中，車(chē)輛的總能量保持不變，伴隨車(chē)輛突然出現(xiàn)剛性碰撞開(kāi)始，車(chē)身出現(xiàn)局部碰撞大變形，在大變形過(guò)程中吸收能力，增加車(chē)輛內(nèi)能，伴隨車(chē)輛變形的增加，內(nèi)能呈現(xiàn)非線(xiàn)性增加形式，動(dòng)能一部分轉(zhuǎn)化為內(nèi)能，總動(dòng)能降低，所以在碰撞過(guò)程中會(huì)出現(xiàn)部分能量耗損的現(xiàn)象。關(guān)于車(chē)輛的正面碰撞加速分析，在車(chē)輛碰撞階段，車(chē)體前半部分是主要的變形部位，車(chē)輛B柱以后變形較小。因此，在采集車(chē)輛碰撞過(guò)程中的加速度值時(shí)，可以將傳感器安裝在支撐B柱下方。

3 關(guān)于車(chē)輛碰撞過(guò)程中的側(cè)面碰撞有限元分析

3.1 關(guān)于車(chē)輛側(cè)面碰撞過(guò)程中的有限元分析模型建立

在具體的車(chē)輛側(cè)面碰撞分析過(guò)程中，同正面碰撞一致，參照上述流程建立具體的有限元分析模型，并將車(chē)輛的幾何模型導(dǎo)入到ANSYS有限元計(jì)算軟件中，并將分析對(duì)象的各參數(shù)賦予模型中。在具體分析前，編寫(xiě)相應(yīng)的命令流實(shí)現(xiàn)車(chē)輛之間的側(cè)面碰撞，在選定具體的側(cè)面碰撞位置時(shí)，可以考慮將碰撞點(diǎn)選在前排副駕駛位置的R點(diǎn)位置，上下誤差不超過(guò)20cm。

3.2 關(guān)于車(chē)輛側(cè)面碰撞的有限元計(jì)算結(jié)果分析

關(guān)于車(chē)輛側(cè)面碰撞的計(jì)算結(jié)果分析，在有限元計(jì)算軟件中，車(chē)輛側(cè)面碰撞設(shè)定的碰撞仿真計(jì)算時(shí)間為100毫秒，在整個(gè)有限元模擬分析階段，為了保證分析的可視性，通過(guò)編寫(xiě)命令流顯示全程動(dòng)畫(huà)過(guò)程，若在輸出時(shí)間點(diǎn)得到的圖像越多，在動(dòng)畫(huà)中就越能反饋出車(chē)輛側(cè)面碰撞過(guò)程中的真實(shí)情況。有限元分析過(guò)程完畢后，可以獲取具體的車(chē)輛車(chē)身變形情況，在獲取的最后一步計(jì)算步完成后的變形云圖中選取車(chē)身變形最嚴(yán)重的側(cè)面進(jìn)行詳細(xì)分析，車(chē)輛側(cè)面在受到對(duì)象車(chē)輛的撞擊下，將發(fā)生較為嚴(yán)重的變形，此種變形可以歸結(jié)為大變形問(wèn)題，且部分銜接位置將出現(xiàn)明顯的褶皺，通過(guò)分析變形云圖可以發(fā)現(xiàn)，在車(chē)輛B柱的上部出現(xiàn)兩種褶皺變形，且伴有一定程度的屈曲問(wèn)題，屈曲位置有出現(xiàn)瞬間脆斷的趨勢(shì)。與100%正面剛性壁障不同，側(cè)碰移動(dòng)壁障前端是可變形的碰撞塊，其剛度根據(jù)大量的側(cè)面碰撞交通事故提出的，代表乘用車(chē)汽車(chē)前端的平均剛度，為了便于比較和評(píng)價(jià)不同車(chē)型側(cè)面結(jié)構(gòu)對(duì)乘員保護(hù)的能力，故采用同一標(biāo)準(zhǔn)的變形壁障。因此在側(cè)面碰撞中移動(dòng)壁障作為變形吸能的一部分，對(duì)結(jié)果具有很大的影響。

此外，為了提高有限元模擬計(jì)算的準(zhǔn)確性和計(jì)算效率，建議在既有模型的基礎(chǔ)上進(jìn)一步改進(jìn)模型。考慮到在碰撞模擬結(jié)果中發(fā)現(xiàn)車(chē)輛B柱位置的上部出現(xiàn)了較為嚴(yán)重的屈曲問(wèn)題，且隨時(shí)有斷裂的可能性，可以考慮在該處增加結(jié)構(gòu)強(qiáng)度，加厚柱厚度，為了降低加固成本，可以選用屈服強(qiáng)度為300Mpa左右的鋼板，與B柱貼合，該加固操作簡(jiǎn)便，且易于實(shí)現(xiàn)。關(guān)于車(chē)輛碰撞的安全性能評(píng)估分析，在具體的車(chē)輛碰撞實(shí)驗(yàn)過(guò)程中，尤其是在側(cè)面碰撞過(guò)程中，為了模擬人員在車(chē)輛內(nèi)部出現(xiàn)的傷害，可以選用假人實(shí)驗(yàn)，通過(guò)分析實(shí)驗(yàn)完成后假人的傷害程度可以間接反應(yīng)車(chē)輛的抵抗碰撞能力。假人在反應(yīng)車(chē)輛安全性能方面主要體現(xiàn)在假人頭部、假人胸部及假人的下腹部和骨盆及股骨位置。通常情況下，經(jīng)過(guò)大量實(shí)驗(yàn)研究發(fā)現(xiàn)，假人碰撞實(shí)驗(yàn)后的傷害情況一般反映在假人胸部、下腹部和骨盆位置，在實(shí)驗(yàn)中發(fā)現(xiàn)，假人頭部受傷的指標(biāo)遠(yuǎn)低于其他部位，故此次實(shí)驗(yàn)不考慮頭部受傷問(wèn)題。實(shí)驗(yàn)研究表明，側(cè)向碰撞后，假人在上述三個(gè)位置均出現(xiàn)傷害情況，其中下腹部和骨盆的傷害程度最大。

4 結(jié)語(yǔ)

伴隨車(chē)輛保有量的進(jìn)一步增加，車(chē)輛交通事故出現(xiàn)的頻率快速上升，交通安全日益被關(guān)注，道路交通事故已經(jīng)成為世界性的一大社會(huì)難題。在汽車(chē)交通事故中，正面碰撞發(fā)生的幾率最大，約占汽車(chē)碰撞的40%。本文研究整車(chē)碰撞和整車(chē)側(cè)面碰撞，希望對(duì)提高汽車(chē)安全性能有所幫助。