不同材料本構(gòu)模型車輛碰撞仿真對(duì)比分析

白云靜

(廣州汽車集團(tuán)股份有限公司汽車工程研究院，廣東 廣州 511434)

0 前言

隨著經(jīng)濟(jì)的不斷發(fā)展和科技的不斷進(jìn)步，人們的生活水平不斷提高[1]，汽車已經(jīng)成為人們生活中的必需交通工具，我國(guó)汽車銷量近年來也處于不斷穩(wěn)定增長(zhǎng)的態(tài)勢(shì)，這說明人們對(duì)于汽車的需求是很大的。在不斷增加的汽車需求市場(chǎng)中，各大汽車品牌和廠家應(yīng)當(dāng)嚴(yán)格把控汽車質(zhì)量[2]，汽車質(zhì)量高低直接關(guān)乎駕駛?cè)撕统俗藛T的生命安危，因此在汽車質(zhì)量尤其是汽車安全方面需要下功夫。不同車輛的安全性能都有著不太一樣的差異，因此人們?cè)谶x擇購(gòu)買汽車時(shí)也會(huì)考慮汽車的安全性因素，而車輛碰撞試驗(yàn)是最能直接反映車輛安全性能的測(cè)試，因此很多消費(fèi)者很注重汽車碰撞試驗(yàn)的結(jié)果。

在新時(shí)期環(huán)境下，各種類型的車輛已經(jīng)成為人們生活中不可缺少的出行工具，同時(shí)人們對(duì)車輛的安全性能要求也比較高，其和人們的安全性有著密切的關(guān)系[3]。當(dāng)車輛發(fā)生安全事故的時(shí)候，車輛被動(dòng)的安全性能和人員的傷亡情況有著密切關(guān)系[4]，而不同的材料對(duì)車輛被動(dòng)的安全性能也有著直接的影響。為了對(duì)車輛被動(dòng)的安全性能進(jìn)行驗(yàn)證，并對(duì)不同材料下被動(dòng)的安全性能效果進(jìn)行分析，本文就開展了不同材料本構(gòu)模型車輛碰撞仿真的對(duì)比試驗(yàn)。

1 建立仿真模型

通過Hypermesh軟件來進(jìn)行有限元的計(jì)算模型建立，在模型建立中主要選取的是整列的列車。為了對(duì)計(jì)算進(jìn)行簡(jiǎn)化，對(duì)接觸面所對(duì)應(yīng)兩節(jié)的Tc車通過殼單元實(shí)施離散處理，之外車體都通過剛性車殼實(shí)施模擬，并對(duì)它們進(jìn)行不同密度賦予實(shí)施配重。對(duì)兩節(jié)的Tc車其車體與防爬器有限元的模型使用螺栓進(jìn)行連接，對(duì)車鉤通過彈簧單元進(jìn)行模擬，并對(duì)彈簧單元材料進(jìn)行車鉤力行程的曲線賦予；對(duì)轉(zhuǎn)向架通過剛性體的單元進(jìn)行模擬；對(duì)地面通過剛性墻進(jìn)行模擬。在碰撞的工況設(shè)定中，兩輛車輛都是六節(jié)的編組，其中一列在25km/h車速和另一列靜止的車輛進(jìn)行碰撞[1]。

2 材料的選擇

對(duì)車輛車體使用的是鋁合金的結(jié)構(gòu)，基于對(duì)不同部件需要進(jìn)行滿足，對(duì)不同的部件所用不同類型的鋁合金材料[5]。在本文城軌車輛的碰撞仿真過程中，所用材料主要是雙線性、彈塑性的材料本構(gòu)，簡(jiǎn)稱作材料A，材料的參數(shù)包括材料密度、屈服的極限、彈性的模量、切線的模量和泊松比等。在本文中，增加使用另外一種應(yīng)變率材料本構(gòu)，簡(jiǎn)稱作材料B，此本構(gòu)模型材料于不同的變形速率條件下應(yīng)力應(yīng)變的試驗(yàn)數(shù)據(jù)實(shí)施擬合而得到[6]。

3 碰撞結(jié)果的分析

3.1 碰撞后車體變形的情況對(duì)比

將計(jì)算的時(shí)間設(shè)定為0.6s，通過對(duì)碰撞結(jié)果進(jìn)行觀察，能夠看到運(yùn)用材料B碰撞模型的車體在發(fā)生碰撞后，處在運(yùn)動(dòng)狀態(tài)的列車其司機(jī)室的地板和靜止列車相比，發(fā)生了一定抬升，且垂向的位移約有2.5cm，也就和防爬器的筋板厚度一樣，但材料A模型是不存在此情形的[7]。

3.2 對(duì)碰撞過程的能量對(duì)比

通過對(duì)能量時(shí)間關(guān)系曲線進(jìn)行對(duì)比，能夠看出在發(fā)生碰撞中其總能量是保持不變的，它們的動(dòng)能在慢慢減小，而內(nèi)能與摩擦能是逐漸增加的。材料A列車進(jìn)行撞擊中，其沙漏能是21.25kJ，是0.44%的總能量，而材料B列車進(jìn)行撞擊中，其沙漏能是38.73kJ，是0.78%的總能量，它們兩者都于5%范圍中，因此滿足精確度計(jì)算的要求，其計(jì)算的結(jié)果十分準(zhǔn)確。

在對(duì)兩種材料的本構(gòu)碰撞中，它們的總能量值較為接近，而材料B車體的吸能值是比材料A車體的吸能要少的，但車鉤的吸能則多了，則能量的吸收分配發(fā)生了改變。

3.3 對(duì)防爬器的壓潰管吸能對(duì)比

通過對(duì)防爬器的壓潰管吸能進(jìn)行對(duì)比能夠得知，材料A的本構(gòu)下其壓潰管的總吸能是219.63kJ，而材料B的本構(gòu)下其壓潰管的總吸能是338.22kJ，因此材料B的本構(gòu)下其防爬器的壓潰管具有吸能是比材料A的本構(gòu)下其壓潰管的吸能要大的。

3.4 對(duì)車鉤力的變化對(duì)比

A和B材料的本構(gòu)下，其車鉤力變化并不是很大，且全自動(dòng)的車鉤力都是800kN，都達(dá)到車鉤其最大的沖擊負(fù)載要求，其車鉤已經(jīng)被壓潰[8]。

4 結(jié)語

首先對(duì)汽車碰撞進(jìn)行建模仿真的操作，通過計(jì)算機(jī)軟件對(duì)碰撞試驗(yàn)的車輛和場(chǎng)景進(jìn)行建模。然后對(duì)車輛的材料進(jìn)行選擇，試驗(yàn)的目的是測(cè)試不同材料的車輛碰撞效果，因此要選擇不同的材料來完成試驗(yàn)。接著進(jìn)行碰撞仿真試驗(yàn)，同時(shí)分析碰撞結(jié)果，主要分成4個(gè)方面：碰撞試驗(yàn)后車體的變形情況結(jié)果，碰撞時(shí)能量的對(duì)比，防爬器的壓潰管吸能對(duì)比，車鉤力變化對(duì)比。通過車輛碰撞仿真對(duì)比可以有效地預(yù)測(cè)不同材料下車輛的安全性能和碰撞結(jié)果，可以根據(jù)碰撞仿真實(shí)驗(yàn)的結(jié)果來進(jìn)行車輛材料的選擇和設(shè)計(jì)，為車輛的安全性實(shí)驗(yàn)提供良好的基礎(chǔ)和鋪墊。

在兩列車通過25km/ h車速進(jìn)行碰撞時(shí)，兩種材料的本構(gòu)下它們碰撞的能量是由車鉤以及司機(jī)室的前端位置變形的吸能區(qū)進(jìn)行吸收，而車鉤過載的裝置發(fā)生動(dòng)作以及防爬器的嚙合，來對(duì)爬車現(xiàn)象進(jìn)行阻止[9]。通過防爬器以及司機(jī)室的前端地板發(fā)生借助塑性變形來對(duì)碰撞的能量進(jìn)行吸收，車體的客室區(qū)并沒有遭受損傷。在碰撞的工況下，生存的空間指標(biāo)以及平均的減速度指標(biāo)都滿足碰撞的標(biāo)準(zhǔn)[10]。