某轎車正面碰撞安全結(jié)構(gòu)改進(jìn)研究

黃超群

摘 要：以某轎車為研究對(duì)象，利用有限元模擬仿真技術(shù)，進(jìn)行了的正面碰撞研究。針對(duì)該轎車駕駛區(qū)壓潰嚴(yán)重、駕駛員生存空間變小的情況，對(duì)車架前縱梁進(jìn)行結(jié)構(gòu)改進(jìn)，改進(jìn)后B柱加速度最大值有所減小，提高轎車的正面碰撞安全性。關(guān)鍵詞：正面碰撞;有限元分析;被動(dòng)安全中圖分類號(hào)：U462.1 ?文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：B ?文章編號(hào)：1671-7988（2020）08-62-03

Abstract： Taking a car as the research object， the frontal collision research is carried out by using the finite element simulation technology. In view of the serious collapse of the driving area and the small living space of the driver， the structure of the front longitudinal beam of the car frame is improved. After the improvement， the maximum acceleration of the B-pillar is reduced， and the safety of the car in front collision is improved.Keywords： Front impact; the finite element simulation technology; Passive safetyCLC NO.： U462.1 ?Document Code： B ?Article ID： 1671-7988（2020）08-62-03

前言

汽車被動(dòng)安全的研究最可靠的方法是進(jìn)行實(shí)車碰撞試驗(yàn)，但實(shí)車碰撞試驗(yàn)存在費(fèi)用昂貴、周期長(zhǎng)，不具備可重復(fù)性，數(shù)據(jù)采集少等缺點(diǎn)。隨著高性能計(jì)算機(jī)的出現(xiàn)，汽車被動(dòng)安全方面的工作，越來(lái)越多的單位都引進(jìn)了計(jì)算機(jī)模擬技術(shù) [1-6]。

本文以某轎車為研究對(duì)象，采用有限元仿真分析技術(shù)，對(duì)其進(jìn)行了正面碰撞的分析及改進(jìn)研究，改進(jìn)后的轎車正面安全結(jié)構(gòu)能夠有效地在正面碰撞中保護(hù)乘員。

1?轎車正面碰撞模型建立及驗(yàn)證

1.1?有限元正面碰撞模型建立

所建立的某轎車正面碰撞模擬分析的有限元模型如圖1所示。

（1）根據(jù)正面碰撞發(fā)生時(shí)車身的變形情況，車前端變形大，車后端變形小甚至不變形，進(jìn)行單元網(wǎng)格劃分，其遵循的原則“前密后疏”，即在發(fā)生正面碰撞變形嚴(yán)重的部位的網(wǎng)格劃分細(xì)，不變形區(qū)域的網(wǎng)格劃分粗。

（2）對(duì)于正面碰撞過(guò)程中產(chǎn)生嚴(yán)重壓潰變形的車前端零部件，采用非線性的各向同性隨動(dòng)塑性材料模型.

（3）對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)等在碰撞過(guò)程基本上不發(fā)生變形的總成，采用剛性材料模型。

（4）保險(xiǎn)桿至駕駛室之間的車身各部件連接用的焊點(diǎn)考慮失效，其它焊點(diǎn)不考慮失效。

1.2?有限元模型驗(yàn)證

圖2所示為整車正面碰撞B柱的加速度曲線，由圖2可知，試驗(yàn)曲線仿真曲線和的變化趨勢(shì)基本一致，試驗(yàn)加速度的第一個(gè)峰值為45.2g，仿真結(jié)果為44.5g，試驗(yàn)加速度的第二個(gè)峰值為43.4g，仿真結(jié)果為43.6g，仿真曲線上的兩個(gè)峰值出現(xiàn)的時(shí)刻稍提前。由此可見(jiàn)，本文所建立的轎車正面碰撞有限元模型是有效，可以用來(lái)進(jìn)行正面碰撞仿真分析。

2?仿真結(jié)果分析

利用LS-dyna軟件，對(duì)該轎車進(jìn)行正面碰計(jì)算，得到的變形情況如圖3所示，分析該轎車的正面碰撞的結(jié)果，其變形特點(diǎn)主要有：

（1）前保險(xiǎn)桿到乘員艙防火墻間，變形嚴(yán)重，特別是發(fā)動(dòng)機(jī)到前保險(xiǎn)杠之間，前縱梁發(fā)生了折彎和失穩(wěn)變形，見(jiàn)圖4所示，這也是加速度曲線上出現(xiàn)第二個(gè)波峰的原因。

（2）乘員艙區(qū)域被壓縮，防火墻被擠壓，并且乘員艙下的地板縱梁出現(xiàn)了向內(nèi)彎折的現(xiàn)象，并造成方向盤后移動(dòng)擠壓駕駛員，駕駛員的生存空間變得很小。

3?結(jié)構(gòu)改進(jìn)以及對(duì)比分析

3.1?改進(jìn)方案

車身前縱梁是車輛發(fā)生正面碰撞時(shí)的主要吸能部件和傳遞載荷的主要路徑，因此，優(yōu)化前縱梁的結(jié)構(gòu)使其能夠產(chǎn)生合理的變形形態(tài)和吸收足夠的碰撞能量，是能夠提高車身正面碰撞性能。國(guó)內(nèi)外的研究結(jié)果表明：前縱梁理想的變形是褶皺變形。

該轎車前縱梁在正面碰撞過(guò)程中出現(xiàn)了失穩(wěn)現(xiàn)象，故需要對(duì)其進(jìn)行結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)，以便其在碰撞過(guò)程中能發(fā)生較好的褶皺變形，以提高其吸能特性并降低加速度峰值。結(jié)構(gòu)優(yōu)化后的前縱梁有限元模型見(jiàn)圖5所示，在其內(nèi)側(cè)增加了2個(gè)加強(qiáng)板。

3.2?改進(jìn)后的計(jì)算結(jié)果分析

按相同的邊界條件再次進(jìn)行仿真計(jì)算，改進(jìn)后前縱梁的變形情況見(jiàn)圖6所示，對(duì)比圖4和、圖6，可以看出改進(jìn)后前縱梁的變形得到了明顯改善。圖7為改進(jìn)前后的B柱加速度曲線，從圖中可以看出：碰撞加速度峰值由改進(jìn)前的43.4g降為32.9g，且碰撞緩沖時(shí)間增長(zhǎng)了約40ms?？梢?jiàn)改進(jìn)后前縱梁具有更好的緩沖吸能能力，加速度峰值和緩沖時(shí)間的延長(zhǎng)大大的降低了乘員危險(xiǎn)系數(shù)。

4 結(jié)語(yǔ)

本文建立的某轎車的正面碰撞有限元模型，并進(jìn)行了碰撞分析，該轎車的前縱梁在碰撞中發(fā)生了失穩(wěn)變形，為此進(jìn)行了結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)和優(yōu)化，改進(jìn)后的前縱梁在碰撞中未出現(xiàn)失穩(wěn)變形，B柱的加速度峰值大大降低，提高了該轎車的正面碰撞安全性能。

（1）本文以某轎車為研究對(duì)象，完成了該型轎車正面碰撞的模擬仿真，與試驗(yàn)對(duì)比，驗(yàn)證了轎車正面碰撞有限元模型是有效，可以用來(lái)進(jìn)行正面碰撞仿真分析;

（2）指出了該款車前縱梁在正面碰撞中存在失穩(wěn)現(xiàn)象，致使整車加速度曲線出現(xiàn)了第二次波峰;

（3）對(duì)前縱梁進(jìn)行了結(jié)構(gòu)優(yōu)化，仿真數(shù)值表明了整車加速度峰值降低，碰撞緩沖時(shí)間增長(zhǎng)，有利于保護(hù)乘員。

參考文獻(xiàn)

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