基于LS-DYNA的整車(chē)正面碰撞仿真分析及優(yōu)化

王開(kāi)松，彭新宇，謝有浩,2

(1.安徽理工大學(xué)機(jī)械工程學(xué)院，安徽 淮南 232001;2.安徽獵豹汽車(chē)有限公司，安徽 滁州 239000)

國(guó)家制定了安全法規(guī)，C-NCAP(中國(guó)新車(chē)評(píng)價(jià)規(guī)程)，其碰撞試驗(yàn)項(xiàng)目主要包括正面100%重疊剛性壁障碰撞、正面40%重疊可變形壁障碰撞、可變形移動(dòng)壁障側(cè)面碰撞和低速后碰撞頸部保護(hù)試驗(yàn)。而在汽車(chē)碰撞事故中，正面碰撞發(fā)生的幾率是最大的。所以，對(duì)正面碰撞的研究顯得格外重要[1]。本文以某款車(chē)型為研究對(duì)象，利用基于動(dòng)態(tài)顯式非線(xiàn)性有限元理論的LS-DYNA進(jìn)行正面碰撞，仿真，分析結(jié)構(gòu)的不足之處并進(jìn)行改進(jìn)優(yōu)化，提升車(chē)輛結(jié)構(gòu)安全性。

1 碰撞仿真模型的建立

1.1 有限元模型的建立

首先，在CATIA中建立整車(chē)模型，在建模過(guò)程中，對(duì)有些零部件作適當(dāng)簡(jiǎn)化處理。隨后將數(shù)模轉(zhuǎn)換成stp格式導(dǎo)入到hypermesh中進(jìn)行幾何清理以及網(wǎng)格劃分。車(chē)身大部分零件是鈑金件，采取殼單元?jiǎng)澐?；汽?chē)底盤(pán)等是實(shí)體，采用實(shí)體單元?jiǎng)澐?。在賦予單元材料屬性時(shí)，白車(chē)身等鈑金件一般定義為彈塑性材料，采用MAT24模擬；發(fā)動(dòng)機(jī)、變速箱等在碰撞過(guò)程中不易發(fā)生變形的部件，則定義為剛性材料，采用MAT20模擬；輪胎等線(xiàn)彈性材料可選MAT1模擬；MAT100則用于模擬焊點(diǎn)材料。

1.2 邊界條件的設(shè)立

1)約束剛性墻六個(gè)自由度。

2)車(chē)輛以50km/h的初速度垂直撞擊剛性墻，方向?yàn)閄軸負(fù)方向，碰撞時(shí)間設(shè)定為100ms，同時(shí)對(duì)整車(chē)模型施加沿Z軸負(fù)方向的重力加速度。

3)本文采用基于粘度的沙漏模式，因此設(shè)置沙漏粘性類(lèi)型為1，沙漏能系數(shù)設(shè)置為0.1。

4)整車(chē)自身的接觸算法采用常見(jiàn)的自動(dòng)單面接觸；整車(chē)與剛性墻、輪胎與地面之間均采用剛性墻接觸。

將有限元模型導(dǎo)出為K文件并提交LS-DYNA求解器計(jì)算。

2 正面碰撞仿真結(jié)果分析

2.1 碰撞總能量曲線(xiàn)

碰撞過(guò)程中，能量是以不同的形式組成的，不同時(shí)間各不相同。主要由以下五種能量構(gòu)成：動(dòng)能、內(nèi)能、沙漏能、滑移界面能和總能量，如圖1所示。

圖1 碰撞總能量曲線(xiàn)

從圖1中可以得到如下結(jié)論：

1)汽車(chē)總能量曲線(xiàn)接近水平狀態(tài)。

2)由動(dòng)能曲線(xiàn)可知在5ms之后，動(dòng)能開(kāi)始迅速下降，碰撞開(kāi)始；在75ms之后，動(dòng)能維持在一定數(shù)值不再變化，以較小的速度回彈。

3)內(nèi)能隨著時(shí)間的推移逐漸增大，而后保持相對(duì)穩(wěn)定。

4)滑移界面能約占2.7%，沙漏能約占1.1%。

圖中五條曲線(xiàn)比較光滑，沒(méi)有異常的波動(dòng)，表明符合碰撞過(guò)程中動(dòng)能轉(zhuǎn)變?yōu)閮?nèi)能的實(shí)際規(guī)律；滑移界面能和沙漏能所占比例均小于5%[2]，滿(mǎn)足工程經(jīng)驗(yàn)，計(jì)算結(jié)果不會(huì)失真。

2.2 汽車(chē)速度曲線(xiàn)

整車(chē)的初始速度為50km/h，即13.889m/s，仿真結(jié)果如圖2所示。

圖2 碰撞速度曲線(xiàn)

B柱下端速度的變化，代表了整車(chē)吸能變化，速度過(guò)零的時(shí)刻反應(yīng)了整車(chē)變形吸能時(shí)間的長(zhǎng)短[3]。左側(cè)B柱下端速度過(guò)零時(shí)刻早于右側(cè)B柱，說(shuō)明左側(cè)縱梁相對(duì)右側(cè)結(jié)構(gòu)較硬。

2.3 汽車(chē)加速度曲線(xiàn)

B柱加速度對(duì)假人頭部的損傷值(HPC)具有重要的參考意義，是碰撞試驗(yàn)的重要指標(biāo)之一。加速度的測(cè)量位置一般選擇在B柱底端和門(mén)檻梁的交界處[4]。

在正面碰撞中，加速度的值不宜超過(guò)40g[5]。從圖3中可以看出，左、右B柱的加速度峰值為34g和32g，出現(xiàn)在36ms左右，加速度數(shù)值正常。

圖3 碰撞加速度曲線(xiàn)

2.4 車(chē)門(mén)變形量

碰撞試驗(yàn)后車(chē)門(mén)不能正常開(kāi)啟是導(dǎo)致車(chē)輛不能通過(guò)碰撞法規(guī)的因素之一。確定碰撞結(jié)束后能否在規(guī)定作用力下正常開(kāi)啟車(chē)門(mén)難度較大，但可以通過(guò)對(duì)門(mén)框變形量的分析對(duì)其進(jìn)行間接評(píng)價(jià)。碰撞過(guò)程中，在縱向沖擊力的作用下門(mén)框主要表現(xiàn)為縱向壓縮。當(dāng)門(mén)框變形量足夠大，使車(chē)門(mén)發(fā)生變形，導(dǎo)致卡死現(xiàn)象，是導(dǎo)致車(chē)門(mén)不能開(kāi)啟的主要原因[6]。如圖4所示，觀(guān)察門(mén)框上有代表性的測(cè)量點(diǎn)A-J的最大變形量見(jiàn)表1。根據(jù)經(jīng)驗(yàn)，車(chē)門(mén)門(mén)框變形小于50mm以下，車(chē)門(mén)可以正常開(kāi)啟。

圖4 車(chē)門(mén)變形測(cè)量點(diǎn)

測(cè)量點(diǎn)最大變形量/mm左前門(mén)右前門(mén)目標(biāo)值小于50/mm A109合格B2216合格C3731合格D4638合格E4334合格F3530合格G2525合格H1726合格I1426合格J1629合格

2.5 前圍板入侵量

汽車(chē)正面碰撞時(shí)，前圍板受到擠壓變形，前圍板用于保護(hù)制動(dòng)踏板系統(tǒng)和轉(zhuǎn)向管柱系統(tǒng)，當(dāng)踏板和方向盤(pán)的向后位移量過(guò)大會(huì)對(duì)乘員的胸部和腿部造成傷害。一般工程試驗(yàn)經(jīng)驗(yàn)認(rèn)為，前圍入侵量小于150mm能夠滿(mǎn)足法規(guī)《GB 11551-2014汽車(chē)正面碰撞的成員保護(hù)》對(duì)腿部的傷害值要求[7]。圖5為前圍板結(jié)構(gòu)優(yōu)化前的碰撞入侵量。

圖5 前圍板位移圖

由圖5知，前圍板入侵量最大值為284.7mm，不滿(mǎn)足相應(yīng)要求，需要對(duì)其進(jìn)行優(yōu)化改進(jìn)。

3 結(jié)構(gòu)分析與改進(jìn)

針對(duì)前圍板侵入過(guò)大，主要是因?yàn)榭v梁前部吸能太少，能量集中于縱梁根部導(dǎo)致變形過(guò)大，增大了轉(zhuǎn)向系統(tǒng)及踏板的侵入。故需對(duì)縱梁進(jìn)行結(jié)構(gòu)改進(jìn)，盡可能的將變形集中于縱梁前部，避免車(chē)體發(fā)生較大變形。某公司曾提出兩種優(yōu)化方案，如縮短縱梁加強(qiáng)板和提升縱梁根部加強(qiáng)板的厚度，減少縱梁前部?jī)?nèi)外板的厚度，但優(yōu)化效果并不明顯。所以在原有的基礎(chǔ)上，繼續(xù)弱化縱梁前部變形。提出改進(jìn)方案一：

(1)修改縱梁加強(qiáng)筋，改為向外突起，并縮短100mm。增加外突起導(dǎo)引槽來(lái)增加其壓縮變形，如圖6所示。

圖6 縱梁加強(qiáng)筋改進(jìn)圖

(2)縱梁內(nèi)板開(kāi)導(dǎo)引槽，引導(dǎo)變形，如圖7所示；折彎部分需要增加外凸槽，增加抗彎能力，如圖8所示。

圖7 縱梁內(nèi)板改進(jìn)圖

圖8 縱梁折彎改進(jìn)圖

經(jīng)分析得縱梁前部變形增大，縱梁后部變形減小，有一定優(yōu)化效果，改進(jìn)方案一前圍板入侵量如圖9所示。

圖9 方案一前圍入侵量位移圖

從圖9中知最大入侵量為223.5mm，較之前減小，但仍不滿(mǎn)足要求，在方案一基礎(chǔ)上進(jìn)一步提出改進(jìn)，方案二如圖10所示。

圖10 改進(jìn)方案二

取消吸能盒，并延長(zhǎng)縱梁至防撞梁位置，可以增大變形空間以及更好的控制變形。改進(jìn)方案二前圍入侵量如圖11所示，前圍板最大入侵量為216.8mm。

圖11 方案二前圍入侵量位移圖

基于結(jié)構(gòu)優(yōu)化無(wú)法明顯改善前圍侵入，所以對(duì)縱梁材料進(jìn)行替換，方案三在前述基礎(chǔ)上，進(jìn)行如下修改，將材料換成高強(qiáng)度鋼板，高強(qiáng)度鋼能夠增加縱梁各板件的抗變形、抗扭曲能力，提高能量吸收能力和擴(kuò)大彈性應(yīng)變性，如圖12所示。

圖12 改進(jìn)方案三

圖13 方案三前圍入侵量位移圖

改進(jìn)方案三的前圍入侵量如圖13所示，可以得出最大入侵量降至145.9mm，優(yōu)化效果明顯，且入侵量滿(mǎn)足碰撞法規(guī)對(duì)腿部的傷害值要求。

4 結(jié)論

論文利用有限元的方法，應(yīng)用計(jì)算機(jī)在LS-DYNA中對(duì)整車(chē)被動(dòng)安全性進(jìn)行仿真分析，對(duì)結(jié)果進(jìn)行優(yōu)化，通過(guò)對(duì)前縱梁結(jié)構(gòu)的改進(jìn)和材料的替換，改善了前圍入侵量，提高了汽車(chē)耐撞性，為今后的設(shè)計(jì)工作提供了理論指導(dǎo)。