汽車行人保護(hù)前風(fēng)擋玻璃的有限元建模與仿真

汪家勝， 李文穎， 董傳林

(北京汽車股份有限公司，北京101300)

在汽車設(shè)計(jì)發(fā)展過程中，乘員保護(hù)一直是汽車被動(dòng)安全的主要研究部分，經(jīng)過幾十年的努力，汽車的安全性能逐漸提高，乘員保護(hù)技術(shù)得到了較為明顯的改善.相比之下，行人保護(hù)的技術(shù)發(fā)展較為緩慢.中國公路交通是典型的混合型交通，加之行人安全意識淡薄，導(dǎo)致行人事故死亡率居高不下[1]，因此，中國引入了行人保護(hù)性能評估作為重要組成部分的2018版C-NCAP.

2018版C-NCAP相比基于GTR制定的行人保護(hù)法規(guī)對行人的頭部保護(hù)性能提出更為嚴(yán)格的要求，評判標(biāo)準(zhǔn)也發(fā)生了變化，對行人保護(hù)CAE分析也提出了挑戰(zhàn).相比法規(guī)頭碰區(qū)域更大，較大數(shù)量的頭落在前風(fēng)擋玻璃上，所以,前風(fēng)擋玻璃的研究對汽車的行人保護(hù)設(shè)計(jì)有著重要的作用.

目前，汽車的前風(fēng)擋玻璃主要為PVB(聚乙烯醇縮丁醛)夾層玻璃，很多學(xué)者通過試驗(yàn)及數(shù)值模擬的方式對PVB夾層風(fēng)擋玻璃進(jìn)行了大量研究.Xu等[2]通過試驗(yàn)發(fā)現(xiàn)PVB夾層玻璃較普通玻璃有更強(qiáng)的吸能性，同時(shí)還發(fā)現(xiàn)了應(yīng)力應(yīng)變關(guān)系和率相關(guān)特征；Herndon等[3]通過兩種材料的汽車側(cè)風(fēng)擋玻璃進(jìn)行了沖擊實(shí)驗(yàn)，得到了載荷-位移曲線.Wingren等[4]也通過實(shí)驗(yàn)方法得到了風(fēng)擋玻璃在受頭部沖擊的凹陷程度與玻璃曲率和頭部沖擊角度的關(guān)系.在數(shù)值模擬方面，Bois等[5]采用共節(jié)點(diǎn)的一層殼單元與一層膜單元對PVB夾層玻璃進(jìn)行了數(shù)值模擬，得到了與試驗(yàn)較為一致的裂紋形態(tài)；Timmel等[6]采用兩層殼單元及等效厚度密度等參數(shù)模擬PVB夾層風(fēng)擋玻璃，分析了網(wǎng)格類型對玻璃裂紋的影響；劉奇等[7]使用兩層殼單元和一層體單元模擬夾層玻璃的各層結(jié)構(gòu)對PVB夾層玻璃進(jìn)行了仿真模擬，能較為準(zhǔn)確的模擬出破碎形態(tài)和頭部損傷情況.劉博涵[8]通過三層殼共節(jié)點(diǎn)的方式，研究了汽車風(fēng)擋玻璃夾層材料的力學(xué)特性；韓雪峰等[9]采取多種方式建模方式進(jìn)行仿真分析，得出*MAT_24一層玻璃殼單元與一層PVB殼單元的方式是最為精確的建模方式，與試驗(yàn)結(jié)果較為接近.

這些方法雖然都可以對風(fēng)擋玻璃進(jìn)行模擬，但是玻璃和PVB層都需要分別建模，且相互間要增加接觸，實(shí)際風(fēng)擋玻璃是一個(gè)整體，為了更貼近實(shí)際，提高計(jì)算效率和模擬仿真精度.本文基于LS-DYNA分析軟件，采用一層殼單元模擬夾層玻璃，采用MAT32材料作為夾層玻璃的材料，考慮網(wǎng)格形狀及尺寸等因素，針對某車型進(jìn)行了成人頭碰撞的數(shù)值模擬，在夾層玻璃的破碎形態(tài)和頭部的傷害與試驗(yàn)進(jìn)行對比分析.

1 行人保護(hù)頭部沖擊試驗(yàn)

為評價(jià)行人保護(hù)性能，中國汽車技術(shù)研究中心建立了車輛行人性能評價(jià)系統(tǒng)測試平臺(tái)，該試驗(yàn)性能評價(jià)試驗(yàn)臺(tái)包括行人頭部發(fā)射試驗(yàn)臺(tái)、行人頭部模塊、光電測速裝置、沖擊響應(yīng)電測量設(shè)備、高速攝像設(shè)備等.實(shí)驗(yàn)對某車型，按照C_NCAP評價(jià)規(guī)程要求進(jìn)行試驗(yàn)，在成人頭碰撞區(qū)域選擇目標(biāo)點(diǎn)，通過頭部發(fā)射試驗(yàn)頭對成人頭沖擊器進(jìn)行發(fā)射，以65度角發(fā)射，經(jīng)過一定距離的自由飛行后與車輛風(fēng)擋玻璃相撞，確保在頭部碰撞風(fēng)擋時(shí)速度為40±0.72 km/h，行人頭部模塊采用成人頭型沖擊器，成人頭型沖擊器為鋁制、均質(zhì)結(jié)構(gòu)、球形.直徑為165±1 mm，質(zhì)量為4.5±0.1 kg.頭部沖擊試驗(yàn)點(diǎn)位置選取如圖1所示.

圖1 頭部沖擊試驗(yàn)點(diǎn)位置

頭型內(nèi)部安裝加速度傳感器，用以采集質(zhì)心處X，Y，Z方向的加速度.并根據(jù)式(1)計(jì)算頭部傷害值HIC.

(1)

式中：aR為合成加速度，其中t1和t2是檢測加速度-時(shí)間脈沖的開始和結(jié)束時(shí)間.

(t2-t1)≤ 15 ms.對加速度進(jìn)行持續(xù)時(shí)間的積分，迭代搜索HIC數(shù)值最大的時(shí)間間隔(t1,t2)，獲取HIC的最大值.通過高速攝像設(shè)備和沖擊響應(yīng)電測量設(shè)備可獲得試驗(yàn)結(jié)果，如圖2所示為行人保護(hù)頭碰試驗(yàn)后的玻璃受到?jīng)_擊破損狀態(tài)，從圖中可以發(fā)現(xiàn)裂紋呈現(xiàn)環(huán)形和輻射狀且環(huán)形裂紋和徑向裂紋清晰可見.由此可見，由于PVB層的存在使得玻璃在受到?jīng)_擊時(shí)表現(xiàn)較強(qiáng)的吸能性.

圖2 碰撞后的風(fēng)擋裂紋形態(tài)

如圖3所示為頭部加速度時(shí)間歷程曲線，圖中曲線有兩個(gè)峰值，第一個(gè)峰值出現(xiàn)的時(shí)間較短，且峰值較大，因?yàn)樵陬^型沖擊風(fēng)擋玻璃的瞬間，風(fēng)擋玻璃的上層玻璃層起到了承載作用，但玻璃的失效應(yīng)變很小，玻璃層破損后，峰值下降，接著PVB層起承載作用，頭部加速度繼續(xù)上升達(dá)到第二個(gè)峰值，隨后隨著風(fēng)擋破壞區(qū)域的擴(kuò)大逐漸下降最后趨于平穩(wěn).

圖3 頭部加速度時(shí)間歷程曲線

2 行人頭部沖擊分析有限元模型建立

2.1 有限元模型建立

行人頭部沖擊分析模型如圖4所示.采用ARUP公司開發(fā)的、包括金屬球體、背板、皮膚和傳感器單元的成人頭部模型，頭部模型各部分均為六面體實(shí)體網(wǎng)格劃分如圖5所示.文中采用某車型完整的行人保護(hù)車體模型，主要包括前風(fēng)擋玻璃、頂棚、儀表盤、A柱、風(fēng)擋玻璃下橫梁、通風(fēng)飾板、流水槽總成、雨刮總成、空調(diào)出風(fēng)管路、玻璃粘膠、風(fēng)擋處密封棉等所有和風(fēng)擋玻璃相關(guān)聯(lián)或有作用的零件全部完整建模.

圖4 行人頭部沖擊分析模型

前風(fēng)擋玻璃為PVB夾層玻璃，如圖6所示.文中采用一層厚度為4.7 mm的殼單元對整個(gè)前風(fēng)擋玻璃進(jìn)行建模，考慮到夾層玻璃的構(gòu)成方式，對夾層玻璃進(jìn)行分層定義，使用*INTEGRATION_SHELL關(guān)鍵字進(jìn)行積分點(diǎn)定義，卡片設(shè)置如圖7所示，其中NIP積分點(diǎn)個(gè)數(shù)一般定義為3，用來定義3層(玻璃2層，PVB聚合物1層)，S為定義積分點(diǎn)坐標(biāo),如圖8所示，在-1與1之間(上層取負(fù)值).WF為每個(gè)積分點(diǎn)所占整體厚度比例(根據(jù)夾層玻璃具體的實(shí)際厚度進(jìn)行定義).采用不同的網(wǎng)格形式和不同的網(wǎng)格尺寸進(jìn)行對比分析.同時(shí)，考慮到風(fēng)擋玻璃在受到?jīng)_擊時(shí)變形較大，風(fēng)擋玻璃采用全積分算法.成人頭與夾層玻璃的殼單元等其他接觸均采用* Contact_Automatic_Surface_To_Surface定義.

圖5 成人頭模型

圖6 PVB夾層玻璃示意圖

圖7 卡片設(shè)置示意圖

圖8 S積分點(diǎn)坐標(biāo)計(jì)算示意圖

2.2 前風(fēng)擋玻璃材料模型

前風(fēng)擋玻璃采用LS-DYNA材料庫中的MAT32號材料模型，依據(jù)單元塑性應(yīng)變作為失效判斷準(zhǔn)則，單元應(yīng)變達(dá)到一定值時(shí)從計(jì)算模型中刪除[10]，雖然整個(gè)夾層玻璃由一層殼網(wǎng)格模擬，但依然對玻璃和PVB的材料進(jìn)行分別定義，在材料卡片上進(jìn)行相應(yīng)的設(shè)置，進(jìn)而與風(fēng)擋玻璃的結(jié)構(gòu)特性保持吻合.其中常規(guī)材料參數(shù)如表1所示進(jìn)行設(shè)置，MAT32號卡片中ρ為夾層玻璃的整體密度，ET、EF要根據(jù)廠家提供風(fēng)擋玻璃材料特性用戶進(jìn)行設(shè)置.

表1 材料參數(shù)

其中，ρ為材料密度，E為楊氏模量，PR為

泊松比，SY為材料屈服應(yīng)力，ET為塑性硬化模量，EF為失效應(yīng)變.

2.3 頭部沖擊仿真邊界條件

根據(jù)2018版C -NCAP中的行人保護(hù)性能評價(jià)要求，搭建行人頭部沖擊模型，在風(fēng)擋玻璃上選取一點(diǎn)為目標(biāo)點(diǎn)，成人頭以65度的沖擊角、以40 km/h的速度對風(fēng)擋玻璃沖擊.同時(shí)考慮前風(fēng)擋玻璃建模的網(wǎng)格形狀和網(wǎng)格尺寸兩個(gè)因素，對頭部沖擊試驗(yàn)進(jìn)行仿真分析.

3 仿真結(jié)果與頭部沖擊試驗(yàn)對比分析

為了使得仿真結(jié)果更為精確，文中對網(wǎng)格結(jié)構(gòu)和網(wǎng)格尺寸進(jìn)行了頭部沖擊仿真分析，通過控制變量的方式，首先以6 mm為基準(zhǔn)尺寸，分別采用幾種不同的網(wǎng)格進(jìn)行了分析.以玻璃碰撞后的裂紋形式為仿真結(jié)果與試驗(yàn)對比的重要考核指標(biāo).圖9為不同類型下的風(fēng)擋玻璃網(wǎng)格和頭部沖擊后的玻璃裂紋形態(tài).

圖9 不同網(wǎng)格類型的玻璃裂紋形態(tài)

4種網(wǎng)格類型下的風(fēng)擋玻璃，分析結(jié)果都出現(xiàn)了環(huán)形裂紋和徑向裂紋，環(huán)形裂紋數(shù)量和范圍相似，但是風(fēng)擋玻璃中直角網(wǎng)格存在越多，環(huán)形裂紋越直，相比試驗(yàn)后的裂紋形式差異越大.網(wǎng)狀三角形的玻璃裂紋形態(tài)中出現(xiàn)了較為光順徑向裂紋和環(huán)狀裂紋，與試驗(yàn)形態(tài)最為接近.

選取網(wǎng)狀三角形作為網(wǎng)格類型，針對企業(yè)碰撞工況下的CAE仿真建模及分析規(guī)范，考慮計(jì)算成本，結(jié)合試驗(yàn)對標(biāo)經(jīng)驗(yàn)，文中網(wǎng)格尺寸分別選擇6 mm、10 mm、15 mm，對風(fēng)擋玻璃進(jìn)行模擬，探討網(wǎng)格尺寸對分析結(jié)果的影響，如圖10所示為不同網(wǎng)格尺寸下的風(fēng)擋玻璃受頭部沖擊后的裂紋形態(tài).從圖10可以看出網(wǎng)格尺寸越大環(huán)形裂紋的層數(shù)越稀疏，裂紋的尺寸越大，玻璃的失效區(qū)域越小，與試驗(yàn)結(jié)果相比，尺寸較小的網(wǎng)格尺寸模擬結(jié)果與試驗(yàn)結(jié)果較為貼近.

圖10 不同網(wǎng)格尺寸的玻璃裂紋形態(tài)

通過影響因素的分析，認(rèn)為采用6 mm的網(wǎng)狀三角形網(wǎng)格建模，仿真結(jié)果更為精確.從高速攝像設(shè)備獲取的試驗(yàn)信息來看，玻璃的失效是逐漸擴(kuò)散的.圖11為頭部沖撞擊風(fēng)擋玻璃典型時(shí)刻的試驗(yàn)和仿真裂紋形態(tài)對比，典型時(shí)刻分別為接觸的3 ms、8 ms、12 ms、15 ms、20 ms和35 ms.

從圖11可以看出頭部沖擊試驗(yàn)與仿真結(jié)果的裂紋擴(kuò)散形式一致，最開始產(chǎn)生的是徑向裂紋，而后向外慢慢擴(kuò)散，并形成環(huán)狀裂紋.在20 ms時(shí)刻后裂紋逐漸區(qū)為穩(wěn)定，從加速度時(shí)間曲線可知，20 ms時(shí)刻后加速度變化速率較小.

圖11 典型時(shí)刻的試驗(yàn)和仿真裂紋形態(tài)對比

對比試驗(yàn)的加速度曲線和HIC值，如圖12所示為試驗(yàn)和仿真加速度曲線對比圖，從圖中可以看出試驗(yàn)和仿真的加速度隨時(shí)間變化的趨勢較為一致，主要誤差出現(xiàn)在頭部沖擊風(fēng)擋玻璃初期，試驗(yàn)有一個(gè)較大的波峰，而仿真曲線第一個(gè)波峰較低.主要原因是仿真分析以單元塑性應(yīng)變作為失效判斷準(zhǔn)則，單元應(yīng)變達(dá)到一定值時(shí)從計(jì)算模型中刪除，這樣在玻璃受到較大沖擊的瞬間，刪除網(wǎng)格過程會(huì)影響玻璃應(yīng)力的傳遞，所以導(dǎo)致模擬和試驗(yàn)的加速度曲線在第一個(gè)峰值處存在較大誤差.由公式(1)可知，頭部傷害值HIC取決于t2與t1兩個(gè)時(shí)間段的加速度積分，從圖12中的曲線可以看出試驗(yàn)的HIC值和仿真分析的HIC值誤差較小，僅為0.2%，由此可見該種建模方式的精度是較高的.

圖12 試驗(yàn)和仿真加速度曲線對比圖

4 結(jié) 論

文中提出了一種新的行人保護(hù)前風(fēng)擋玻璃的有限元建模方法，基于LS-DYNA分析軟件，采用一層殼單元模擬夾層玻璃，采用MAT32材料作為夾層玻璃的材料，通過對玻璃進(jìn)行分層定義，可以準(zhǔn)確模擬擋風(fēng)玻璃的特性，對玻璃和PVB的材料分別進(jìn)行定義，與擋風(fēng)玻璃結(jié)構(gòu)特性吻合.與以往傳統(tǒng)的仿真建模方法相比，本建模方法有以下優(yōu)勢：(1)對整個(gè)風(fēng)擋玻璃只采用一層殼單元模擬，并利用關(guān)鍵字分層定義，更能真實(shí)的仿真風(fēng)擋玻璃；(2)無需設(shè)置風(fēng)擋玻璃中玻璃層和PVB層的接觸關(guān)系，操作較為簡單；(3)單層網(wǎng)格和無接觸設(shè)置大大減少了計(jì)算量，較大程度上提高了計(jì)算效率.

由仿真分析與試驗(yàn)結(jié)果的對比分析可知，頭部加速度隨時(shí)間變化趨勢和玻璃裂紋形態(tài)和試驗(yàn)都比較一致.通過對網(wǎng)格類型和網(wǎng)格尺寸大小對仿真結(jié)果影響的分析，文中得出采用6 mm的網(wǎng)狀三角形網(wǎng)格對風(fēng)擋玻璃進(jìn)行建模，獲得的仿真精度較高，該建模方法可為后續(xù)的行人保護(hù)性能設(shè)計(jì)可提供幫助.