基于數(shù)值模擬的汽車100%剛性墻碰撞分析

陸云江

摘 要：汽車被動安全具有重要的研究意義。為了研究某一車型在100%全正面碰撞下的安全性能，首先基于數(shù)值模擬的方法，利用前處理軟件HyperMesh對車型進行簡化，建立了車輛對應(yīng)的碰撞有限元模型。接著基于非線性動力學(xué)理論，通過采用軟件LS-DYNA對車輛在100%全正面碰撞下的沖擊過程進行了模擬，根據(jù)仿真結(jié)果分析了碰撞過程的能量變化、車輛變形情況、速度加速度變化和結(jié)構(gòu)件的強度等。結(jié)果表明：碰撞過程中汽車前端的吸能結(jié)構(gòu)有效地提高了車輛的安全性;汽車座椅的連接始終可靠，而發(fā)動機會脫離車身;前圍板會造成乘員的腿部損傷，需要進行優(yōu)化。相比于整車試驗，仿真技術(shù)可以節(jié)省大量的時間和研發(fā)費用，縮短整車的研發(fā)周期。

關(guān)鍵詞：汽車碰撞;安全性能;數(shù)值模擬;有限元模型

0 引言

提升汽車碰撞安全性能一直以來都是汽車制造業(yè)的重要目標[1]，目前，針對汽車碰撞安全性的研究方法有整車碰撞實驗和整車仿真。整車碰撞實驗是采用真實樣車進行碰撞相關(guān)實驗[2]，優(yōu)點是數(shù)據(jù)真實可靠，滿足國家強制性法規(guī)要求;缺點是試驗需要準備的真實樣車制造周期長、成本較高，并且對于碰撞實驗的場地和設(shè)備要求很高，現(xiàn)主要應(yīng)用于已經(jīng)研發(fā)完成的車型的安全測試。整車安全仿真是利用計算機對車輛的碰撞過程進行數(shù)值模擬分析，從而對車身結(jié)構(gòu)強度和安全性進行判斷[3]。雖然仿真技術(shù)在結(jié)果上與實驗方法相比存在著一定的差距，但是仿真過程時間更短，成本更低，能夠十分有效地將新車研發(fā)周期縮短，尤其適合在研發(fā)階段驗證車輛的安全性以及得出優(yōu)化方向;并且隨著計算機水平的不斷發(fā)展和碰撞仿真模擬理論的進一步完善[4]，使得碰撞仿真分析在整車研發(fā)流程中發(fā)揮著越來越大的作用。

在整車安全仿真方面，Abdel-Nasser[5]針對車輛與路燈的正面碰撞進行了研究，通過軟件Abaqus對碰撞過程的加速度、速度、沖擊力以及變形情況分析，發(fā)現(xiàn)新型材料的杠可以有效降低碰撞過程車身的加速度，同時吸收更大的沖擊力，給與車內(nèi)乘員更高的安全保護性。Grunert[6]針對汽車模擬過程求解時間成本高的缺陷，采用了模型縮減法，將線性行為和非線性力學(xué)行為自動分離。并將其引用于福特金牛座的整車仿真，結(jié)果與工程經(jīng)驗相比，可以在不失正確性的基礎(chǔ)之上縮小有限元模擬的求解時間。武和全等人[7]參照我國的汽車安全法規(guī)標準建立了客車的前碰有限元模型，在車身前端設(shè)計了新型吸能結(jié)構(gòu)，并將有限元方法和實驗設(shè)計法、響應(yīng)面法相結(jié)合對該吸能機構(gòu)進行了優(yōu)化設(shè)計，結(jié)果表明該吸能機構(gòu)能夠在碰撞過程中更好地吸收沖擊能量。

本文主要針對車輛的被動安全采用數(shù)值仿真技術(shù)進行研究，有助于認識碰撞過程的運動趨勢，從而開發(fā)出更加安全的車身以及座椅系統(tǒng)，并有助于發(fā)動機下沉技術(shù)的研究。

1汽車實體及有限元模型建立

1.1汽車實體模型

研究開展所依據(jù)的某型號汽車的實體及三維模型如圖1所示。前端由左右兩邊的縱梁、圍板、擋泥板和前側(cè)板等一系列的剛度較高的框架構(gòu)成;車身中部為側(cè)板、地板、頂蓋構(gòu)成的盒型框架;車身后端包括后縱梁、后保險杠和行李艙等。

1.2網(wǎng)格模型

將建立的整車三維模型導(dǎo)入軟件HyperMesh，根據(jù)不同的零部件特點進行特征簡化以及網(wǎng)格劃分，分別得到保險杠和吸能盒的網(wǎng)格模型（圖2）、車身主車架的網(wǎng)格模型（圖3）、車門系統(tǒng)的網(wǎng)格模型（圖4）、主駕駛座椅的網(wǎng)格總成（圖5）。

1.3材料模型

在LS-DYNA程序中[9]，發(fā)動機蓋外板使用的材料是24號分段線性塑性材料模型。車身前部的保險杠殼體材料為與金屬材料相同的彈塑性材料本構(gòu)。 前后風窗和側(cè)窗玻璃為夾層2D平面單元，材料模型選用LS-DYNA中的123號修改的分段線性彈塑性模型。上述材料主要參數(shù)如表1所示。駕駛座椅是軟質(zhì)聚酸酯泡沫，在仿真中選用57號低密度泡沫模型（*MAT_LOW_DENSITY_FOAM，材料密度1.0*10-10 kg/mm3，楊氏模量4.16Mpa，粘性系數(shù)0.2）。汽車輪胎使用材料為*AIRBAG_SIMPLE_AIRBAG_MODEL，可以模擬空氣的熱動力學(xué)行為，主要特性參數(shù)有：定容比熱容7.17*108J/（kg·K），定壓比熱容1.004*109 J/（kg·K），初始氣體溫度300K，初始氣壓0.1Mpa，氣體密度1.2*10-12 kg/mm3。

2 碰撞仿真參數(shù)

2.1接觸參數(shù)及傳感器設(shè)置

汽車的碰撞過程中是大沖擊、大變形問題，在碰撞過程中，某些零部件的變形情況不可預(yù)知，因此選用自動單面接觸（*CONTACT_AUTOMATIC_SINGLE_SURFACE），該接觸算法能夠在模擬過程中的每一個時間步自動搜索接觸。

在實際的碰撞測試中，除了監(jiān)控車輛重力中心的速度變化，還需要得到車身各個基準點的加速度變化，因此在模型中設(shè)定了4個加速度傳感器，分別為后排左側(cè)座椅、后排右側(cè)座椅、發(fā)動機上參考點以及發(fā)動機下參考點。

2.2邊界條件及其他參數(shù)

圖6為建立的100%正面碰撞模型。在該模型中，邊界條件為剛性墻不變形，且其在6個自由度方向上被完全約束，汽車以一定的初速度沖擊在剛性墻上。成員設(shè)置用集中質(zhì)量點來替代主副駕的成員，質(zhì)量設(shè)定為75 kg。根據(jù)C-NCAP法規(guī)強制要求[13]，對于100%正面碰撞，測試速度最小為50 km/h，因此碰撞速度設(shè)置為在X軸正方向?qū)ζ囀┘右缓愣ǖ某跏妓俣龋笮?6.2km/h。實際碰撞過程車輛的沖擊持續(xù)時間大約在0.1 s之內(nèi)，因此求解時間設(shè)置為200ms。

3? 正面碰撞結(jié)果與分析

3.1車身變形結(jié)果分析

圖7為整車在0 ms、20 ms、50 ms、100 ms、150ms和200 ms時刻的整體變形圖。從圖中可以看出，給車身賦予了64 km/h的初速度后，汽車以高速撞擊剛性墻，并產(chǎn)生很大的沖擊力，與剛性墻壁的接觸過程中，車身底盤前端的排氣裝置由于遭受沖擊發(fā)生了很大的變形，該零部件的應(yīng)變明顯大于其材料的斷面收縮率，在真實的碰撞過程中很有可能折斷;在碰撞結(jié)束后發(fā)動機艙已經(jīng)完全潰縮，這一過程完全吸收了汽車的沖擊能量，因此對于乘客所在的駕駛艙而言，由于車輛吸能裝置的潰縮吸能作用，駕駛艙主體在沖擊過程中基本保持完整，駕駛艙的空間并未被大幅度壓縮，從而保證了乘客的安全。

圖8為剛性墻面的沖擊力隨時間的變化曲線圖，車輛前部分與剛性墻的接觸產(chǎn)生接觸力，該接觸力的大小與車輛的初始速度、整車質(zhì)量和接觸參數(shù)有關(guān)?？梢钥吹?，起始階段，車輛以64 km/h的速度撞擊剛性墻，接觸力迅速上升;此后在0.03 ms到0.06 ms之間，沖擊力在一個高水平值上來回波動，此時汽車對剛性墻的沖擊力最大，達到了600 kN。隨著車身的潰縮吸能作用，車輛的速度下降，導(dǎo)致沖擊力迅速下降，并在0.1 ms左右降到0，即此時車輛已經(jīng)脫離了剛性墻面并向后回彈。

3.2碰撞過程能量變化分析

全正面碰撞過程是一個短時間內(nèi)的能量守恒以及動量的交換過程，賦予初速度的汽車具有的動能在與剛性墻接觸后，車身速度迅速下降，其動能絕大部分轉(zhuǎn)換為車輛零部件的內(nèi)能（即變形能），小部分動能以熱能、沙漏能和其他方式的能量耗散。在撞擊開始后，車身的變形從小到大，直到車身開始回彈時變形達到最大，此后汽車與剛性墻脫離相互運動。在這一整個過程，由于阻尼能和沙漏能很小，可以認為總能量近似恒定。如圖9所示為動能、內(nèi)能和總能隨時間的變化曲線。在10 ms左右，車身與剛性墻開始接觸，動能開始轉(zhuǎn)換為內(nèi)能，這一過程一直持續(xù)到60 ms左右。在這一過程中，系統(tǒng)動能呈現(xiàn)非線性下降，由初始的160 kJ降到8 kJ左右。與之對應(yīng)地是在碰撞過程中由于汽車零部件的變形吸能，系統(tǒng)的內(nèi)能迅速從0上升到140 kJ。

如圖10所示為車輛保險杠及其吸能裝置的位移云圖，可以看到，在碰撞過程中車身左右兩邊的吸能盒發(fā)生了很大的變形，使其盡可能地吸收碰撞產(chǎn)生的能量。在50 ms保險杠被壓縮成近似一塊平板，吸能盒在沖擊力之下縮成了一團;之后吸能裝置隨著車身一起回彈。

圖11為左右兩邊的吸能裝置和保險杠在這一撞擊過程吸收的能量，由于汽車是一個極其復(fù)雜的產(chǎn)品，并不是嚴格意義上的左右對稱，因此左右兩邊的吸能盒的內(nèi)能增加有一定的區(qū)別，保持在15 kJ上下;整個吸能裝置總共吸收了38 kJ的能量，占系統(tǒng)總增長內(nèi)能的27.1%，這一數(shù)據(jù)證明了該車輛的吸能裝置充分發(fā)揮了作用，吸收了很大一部分沖擊帶來的能量。

3.3碰撞過程速度、加速度變化分析

如圖12為車輛后排座椅H點、車輛重心在碰撞過程中的加速度變化。從曲線中可以看出，車輛重心和座椅的H點的加速度變化基本保持一致，主要分為三個階段：在初期，車身加速度迅速上升，在吸能盒的作用下，維持在20 g左右（g=9.8 m/s^2）;隨著吸能裝置的潰縮，加速度繼續(xù)上升，吸能盒后方零部件繼續(xù)發(fā)生壓潰變形，進入穩(wěn)定的吸能階段;由于沖擊力的減弱，車輛加速度開始下降，隨著車輛的回彈在一個低水平狀態(tài)來回波動。這一變化趨勢說明在碰撞過程中，汽車座椅始終與車身連接在一起，在高速沖擊下，座椅與白車身的連接始終可靠。

圖13所示為車身發(fā)動機上下基點的加速度隨時間變化曲線，由于發(fā)動機并不是剛性連接在車身上，周邊具有較大的空間，因此減速過程中的加速度峰值達到了120 g。這說明了在碰撞過程中，發(fā)動機的運動狀態(tài)并不與白車身保持一致，發(fā)動機在一定的沖擊力下會脫離車身以便減少車身的質(zhì)量從而有效減小車身在碰撞過程中的加速度峰值。

3.4碰撞過程結(jié)構(gòu)分析

圖14為前圍板在撞擊過程中的有效塑性應(yīng)變，對于汽車用高強度鋼，斷面延伸率一般為15%～24%之間，有效塑性應(yīng)變超出這個范圍后即認為材料產(chǎn)生撕裂破壞?？梢钥闯觯?5 ms時，由于車頭零部件的侵入，副駕位置的前圍板開始出現(xiàn)較大的塑性變形，在真實的碰撞試驗中，該區(qū)域很有可能產(chǎn)生撕裂。隨著碰撞的持續(xù)，車輛地板進一步隆起，并在地板中部折彎。前圍板與地板的剛度對于乘員保護有著重要意義，剛度越大，在撞擊過程中可以確保乘員的生存空間最大化。如圖15為前圍板與后保險杠的相對距離及在撞擊過程中的變化曲線，初始距離約為3238 mm，隨著車身與剛性墻壁接觸，車輛開始被壓潰，前圍板與后保險杠的距離開始下降，在65 ms時刻達到最小值，為3120 mm左右。說明前排乘員的腿部空間的侵入量為118 mm左右，這有可能會對乘員的腿部造成損傷，在設(shè)計優(yōu)化環(huán)節(jié)，應(yīng)盡量保證該侵入量盡可能的小。

4? 結(jié)論

本文利用Hypermesh軟件建立了整車模型，同時基于LS-DYNA非線性顯式有限元求解器，以歐盟的NCAP法規(guī)作為標準對某型號汽車以64.2 km/h的速度撞擊剛性墻的碰撞過程進行了模擬分析。并使用后處理軟件分析了碰撞過程的車身變形結(jié)果、能量變化、不同位置的速度、加速度變化情況。通過結(jié)果分析可知：碰撞過程中，汽車前端的吸能結(jié)構(gòu)很好地發(fā)揮了作用，吸收了碰撞過程大約27%的能量，保證了乘員艙的框架完整，有效地提高了車輛的安全性;汽車座椅始終與車身連接在一起，在高速沖擊下，座椅與白車身的連接始終可靠，而發(fā)動機在一定的沖擊力下會脫離車身;前圍板的侵入量最大達到了118 mm，表明全碰撞過程會造成乘員的腿部損傷，后續(xù)的研究需要針對該問題進行優(yōu)化。