針對(duì)行人保護(hù)頭部仿真分析中雨刮臂的接觸設(shè)置研究

蘇柏宇　田國(guó)紅　李賀　柯宇佐

摘 要：利用計(jì)算機(jī)進(jìn)行有限元仿真分析，在汽車行人保護(hù)性能開發(fā)過(guò)程中有著廣泛的應(yīng)用。對(duì)于行人保護(hù)建模來(lái)說(shuō)，風(fēng)擋玻璃區(qū)域應(yīng)按照實(shí)際情況對(duì)玻璃進(jìn)行準(zhǔn)確建模，然而對(duì)于風(fēng)擋玻璃與雨刮器采用以往的接觸設(shè)置，雨刮臂與玻璃產(chǎn)生穿透現(xiàn)象。因此為了解決穿透問(wèn)題，準(zhǔn)確模擬出其實(shí)際運(yùn)動(dòng)關(guān)系，對(duì)于雨刮臂與風(fēng)擋玻璃之間的接觸設(shè)置研究是非常有必要的。

關(guān)鍵詞：行人保護(hù);仿真分析;接觸設(shè)置

中圖分類號(hào)：U467? 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：B ?文章編號(hào)：1671-7988（2020）03-113-03

引言

“行人保護(hù)”，顧名思義是對(duì)行人的保護(hù)。它是被動(dòng)安全研究的一個(gè)重要方向，包括一切旨在減輕事故中汽車對(duì)外部人員的傷害而為汽車專門設(shè)計(jì)的措施。2018版C-NCAP首次將行人保護(hù)納入到評(píng)分項(xiàng)目中，這就意味著各大汽車企業(yè)在車型開發(fā)時(shí)必須要考慮到對(duì)行人的保護(hù)[1]。CAE仿真分析作為行人保護(hù)性能開發(fā)的主要方法之一，其仿真結(jié)果的準(zhǔn)確性直接影響整個(gè)開發(fā)過(guò)程，因此對(duì)于有限元模型的正確搭建是尤為重要的。本文基于某款車型在仿真試驗(yàn)中，前風(fēng)擋玻璃與雨刮臂產(chǎn)生穿透問(wèn)題進(jìn)行接觸設(shè)置研究，探索出一種有效的接觸設(shè)置方法，提高行人保護(hù)仿真試驗(yàn)精度。

1 仿真模型搭建

在搭建有限元模型初期，對(duì)幾何模型進(jìn)行準(zhǔn)確高質(zhì)量的網(wǎng)格劃分是非常重要的。行人保護(hù)試驗(yàn)涉及到的是汽車前部，由于頭部沖擊器碰撞車輛頭部產(chǎn)生的能量較小，車輛后部沒(méi)有受到影響，所以在有限元建模過(guò)程中只搭建整車A柱之前的部分，下面對(duì)于頭前風(fēng)擋玻璃的建模過(guò)程做簡(jiǎn)單介紹。

汽車前風(fēng)擋玻璃為夾層玻璃，兩側(cè)為普通玻璃，中間一層為PVB透明膠片，對(duì)于風(fēng)擋玻璃的建模方式有很多種，許多專家學(xué)者也一直在探索最貼合真實(shí)狀況的玻璃建模方式[3]，本文對(duì)玻璃的建模方式為：兩側(cè)玻璃采用殼單元模擬，厚度為2mm，中間PVB夾層采用實(shí)體單元模擬，厚度為0.7mm，并在PVB膠的上下表面各建立一層空殼單元，包殼單元厚度為0.2mm。玻璃材料采用123號(hào)本構(gòu)， PVB材料采用MAT27材料卡表征。

圖1為搭建好的有限元模型，該模型共有830756個(gè)節(jié)點(diǎn)、867036個(gè)單元。

2 接觸設(shè)置研究

對(duì)于行人保護(hù)試驗(yàn)來(lái)說(shuō)，前風(fēng)擋玻璃為重要考察區(qū)域，本文按照上述方法對(duì)風(fēng)擋玻璃進(jìn)行建模，準(zhǔn)確模擬出玻璃的三層結(jié)構(gòu)。對(duì)于風(fēng)擋玻璃與雨刮臂之間的接觸設(shè)置不同于由抽中面建模出的玻璃與雨刮臂之間的接觸設(shè)置形式，因?yàn)镻VB夾層采用體單元模擬并在體單元外表面建立了0.2mm的包殼單元。由于包殼單元厚度很小，而且雨刮臂立面與風(fēng)擋玻璃為垂直接觸，在運(yùn)算過(guò)程中很可能造成雨刮臂與風(fēng)擋玻璃發(fā)生穿透，造成仿真結(jié)果不準(zhǔn)確，下文將探究一種正確的接觸設(shè)置形式，防止穿透問(wèn)題發(fā)生。

2.1 *CONTACT_AUTOMATIC_SURFACE_TO_SURFACE

以往對(duì)于前風(fēng)擋玻璃、雨刮臂、頭部碰撞器三者之間的接觸設(shè)置形式為：*CONTACT_AUTOMATIC_SURFACE_ TO_SURFACE，將頭部碰撞器設(shè)置為主面，雨刮臂和前風(fēng)擋玻璃設(shè)置為從面。從仿真試驗(yàn)結(jié)果中可以看出，雨刮臂完全穿過(guò)風(fēng)擋玻璃，由于上下兩層玻璃已設(shè)置失效，當(dāng)玻璃失效后，雨刮臂穿過(guò)玻璃屬于正?，F(xiàn)象，但由于PVB上下兩層進(jìn)行了包殼處理，并已設(shè)置接觸，但仍發(fā)生穿透，因此這種設(shè)置方式不適用于此類接觸。下面仍采取面-面接觸形式，原來(lái)的接觸設(shè)置不變，將雨刮臂與前風(fēng)擋玻璃單獨(dú)設(shè)置一個(gè)面面接觸，雨刮臂設(shè)置為主面，前風(fēng)擋玻璃設(shè)置為從面，并將PVB上下兩層包殼的接觸厚度設(shè)置為1.5mm，重新進(jìn)行計(jì)算。由圖2 可以看出，雨刮臂與前風(fēng)擋玻璃仍然發(fā)生穿透，此種接觸設(shè)置方式仍不適用。

2.2 *CONTACT_AUTOMATIC_GENERAL

由計(jì)算結(jié)果可以看出以上兩種接觸設(shè)置都沒(méi)有解決穿透問(wèn)題，因此更改接觸設(shè)置形式，采用*CONTACT_AUTOM ATIC_GENERAL，將雨刮臂、前風(fēng)擋玻璃、頭部碰撞器放入一個(gè)set中，并設(shè)置PVB包殼接觸厚度為1.5mm，重新進(jìn)行計(jì)算。由圖3可以看出，雨刮臂與前風(fēng)擋玻璃仍然發(fā)生穿透，此種接觸設(shè)置形式仍然沒(méi)有解決穿透問(wèn)題。

2.3 接觸區(qū)域設(shè)置梁?jiǎn)卧?p style="margin-left：18.0pt">由于上述采用的接觸設(shè)置都不能有效識(shí)別雨刮臂和玻璃中的PVB夾層，只能采用一種較麻煩的方式。在雨刮臂立面、風(fēng)擋玻璃可能與雨刮臂接觸的碰撞區(qū)域建立梁?jiǎn)卧?，如圖4梁?jiǎn)卧霃綖?mm，賦予MAT9號(hào)材料，采用上述第二種*CONTACT_AUTOMATIC_GENERAL接觸設(shè)置，重新進(jìn)行計(jì)算。由運(yùn)動(dòng)動(dòng)畫可以看出，雨刮臂與前風(fēng)擋玻璃沒(méi)有出現(xiàn)穿透現(xiàn)象，接觸設(shè)置問(wèn)題得以解決。

3 總結(jié)

本文對(duì)采用上述建模方法的風(fēng)擋玻璃與雨刮臂之間的接觸設(shè)置進(jìn)行研究，為了解決二者之間的穿透問(wèn)題，共進(jìn)行了3種接觸設(shè)置形式的仿真試驗(yàn)，最終探索出在接觸區(qū)域建立梁?jiǎn)卧⒃O(shè)置*CONTACT_AUTOMATIC_GENERAL可解決此種建模方式帶來(lái)的接觸設(shè)置失效，出現(xiàn)穿透的現(xiàn)象。

參考文獻(xiàn)

[1] 胡偉，魏春德，覃禎員.等.某輕型客車行人保護(hù)改進(jìn)的試驗(yàn)研究[J].客車技術(shù)與研究，2018，40（05）：48-51.

[2] 張良安，喬維高.基于成年行人頭部保護(hù)的汽車發(fā)動(dòng)機(jī)罩優(yōu)化[J].武漢理工大學(xué)學(xué)報(bào)（交通科學(xué)與工程版），2017，41（01）：151-154.

[3] 汪家勝，李文穎，董傳林.汽車行人保護(hù)前風(fēng)擋玻璃的有限元建模與仿真[J].車輛與動(dòng)力技術(shù)，2018（04）：42-47.