車門護(hù)板側(cè)沖擊仿真分析與試驗(yàn)驗(yàn)證

操芹 黃潔 占玉霞

摘 ?要：本文介紹了一種乘用車車門護(hù)板側(cè)沖擊的試驗(yàn)方法，同時(shí)運(yùn)用有限元分析方法進(jìn)行模擬仿真分析，通過車門護(hù)板腰部側(cè)沖擊仿真分析結(jié)果與試驗(yàn)數(shù)據(jù)的對比，證明了車門護(hù)板側(cè)沖擊仿真分析方法具有較高的仿真精度，能夠指導(dǎo)車門護(hù)板在汽車側(cè)面碰撞試驗(yàn)中的改進(jìn)方向;運(yùn)用車門護(hù)板側(cè)沖擊仿真分析方法，優(yōu)化了某車型的車門護(hù)板腰部沖擊區(qū)域的設(shè)計(jì)，使之滿足車門護(hù)板的設(shè)計(jì)要求。

關(guān)鍵詞：車門護(hù)板;側(cè)沖擊;仿真分析;試驗(yàn)驗(yàn)證;優(yōu)化

中圖分類號：U463.83 ? ?文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A ? ?文章編號：1005-2550（2020）05-0043-05

Abstract： This paper introduces a test method for side impact of passenger car door guards. At the same time， the finite element analysis method is used for simulation analysis. By comparing the results of simulation analysis with the test data， it is proved that the simulation analysis method of side impact of the door guard has high simulation accuracy and can guide the improvement of the door guard in side impact test of vehicle. By using the method of the door guard side impact simulation analysis， the design of the impact zone at the waist of the door guard of a vehicle is optimized to meet the design requirements of the door guard.

Key Words： Door Guard; Side Impact; Simulation Analysis; Test Verification; Optimization

1 ? ?前言

與汽車正面碰撞相比，汽車側(cè)面吸能構(gòu)件較少，且乘員與車門內(nèi)板之間僅有20-30mm的空間，一旦發(fā)生側(cè)面撞擊，沒有較大的緩沖區(qū)域，側(cè)面結(jié)構(gòu)大變形，乘員將受到強(qiáng)烈貫入的沖擊載荷作用，造成人員傷害。近年來，側(cè)面碰撞已經(jīng)成為發(fā)生頻次最高、造成傷害最多的交通事[1]。目前關(guān)于提升汽車側(cè)碰安全性能的研究文章很多，大多是基于 GB 20071-2006 進(jìn)行整車級仿真分析研究，通過前車門結(jié)構(gòu)、內(nèi)飾造型、安全帶和安全氣囊等方面來提升整車側(cè)面碰撞安全性能。周政權(quán)等[2]人通過 C-NCQP 側(cè)面碰撞試驗(yàn)工況進(jìn)行仿真分析，通過對前車門防撞桿結(jié)構(gòu)、車門內(nèi)護(hù)板扶手造型和安全帶動作策略進(jìn)行優(yōu)化，有效解決了該車型側(cè)面碰撞過程中前排假人肋骨受傷的情況，提升了該車型側(cè)面碰撞安全性能;王勇輝等[3]人針對C-NCAP側(cè)碰規(guī)范，對緩沖塊的材料剛度、形狀和大小等因素對假人傷害的影響進(jìn)行了研究，說明了車門緩沖塊對汽車側(cè)面碰撞安全性能具有重要作用。周云等[4]人以某車型在整車側(cè)面碰撞過程中門護(hù)板的破裂為例，結(jié)合CAE仿真分析，將車門內(nèi)鈑金的變形簡化為多個(gè)沖擊塊的位移，以此制定了門護(hù)板試驗(yàn)方法并進(jìn)行了有效的驗(yàn)證。

本文通過大量的試驗(yàn)與經(jīng)驗(yàn)總結(jié)，將GB 20071-2006 性能指標(biāo)進(jìn)一步細(xì)分到總成級零部件車門內(nèi)護(hù)板上，對車門內(nèi)護(hù)板總成進(jìn)行單獨(dú)的側(cè)沖擊性能試驗(yàn)，通過沖擊后車門內(nèi)護(hù)板所承受的沖擊力和吸能情況來反映人體的傷害程度，即在車門內(nèi)護(hù)板零部件設(shè)計(jì)早期，對其進(jìn)行側(cè)面碰撞性能的管控，減少后期總成零部件發(fā)生大的設(shè)計(jì)變更概率，可縮短整車開發(fā)周期，節(jié)約研發(fā)成本。

2 ? ?車門內(nèi)護(hù)板側(cè)沖擊試驗(yàn)方法

車門內(nèi)護(hù)板總成包含上蓋總成、上中片總成、下中片、扶手總成、主型板、拉手盒、側(cè)碰塊等零部件。車門內(nèi)護(hù)板側(cè)沖擊試驗(yàn)方法是用特定沖擊頭以一定的速度從車內(nèi)向車外撞擊門護(hù)板總成，通過吸能與反力的大小來研究車門內(nèi)護(hù)板在汽車側(cè)面碰撞中的性能狀況。

車門內(nèi)護(hù)板側(cè)沖擊點(diǎn)取點(diǎn)依據(jù)如圖1所示，假人為EuroSID-1 50%型側(cè)碰撞假人，將通過H點(diǎn)的鉛垂線逆時(shí)針旋轉(zhuǎn)座椅靠背角的度數(shù)，則在該直線上，距離H點(diǎn)距離為a的點(diǎn)即為腰部側(cè)沖擊點(diǎn);距離H點(diǎn)距離為b的點(diǎn)即為腹部側(cè)沖擊點(diǎn);距離H點(diǎn)距離為c的點(diǎn)即為胸部側(cè)沖擊點(diǎn)。

車門內(nèi)護(hù)板總成完全緊固（或者用模擬不可變形的車門內(nèi)板的剛性支架），車門內(nèi)板和車門內(nèi)護(hù)板之間可能影響試驗(yàn)結(jié)果的零件均應(yīng)裝配上去（揚(yáng)聲器、車門加強(qiáng)件等）。沖擊塊固定在發(fā)射器前端，試驗(yàn)前需將沖擊塊質(zhì)心調(diào)整到側(cè)沖擊點(diǎn)位置，根據(jù)假人軀干角調(diào)整沖擊塊的角度，同時(shí)還需調(diào)整發(fā)射器推力，使沖擊塊在接觸門護(hù)板的初始瞬間獲得指定的沖擊速度。沖擊塊上帶有位移和力的傳感器，可以輸出沖擊塊的位移曲線和反力曲線，通過位移與反力曲線圍成的面積，可以計(jì)算出在門護(hù)板側(cè)沖擊試驗(yàn)過程門護(hù)板吸收的能量大小。

胸部、腹部沖擊塊質(zhì)量為M1，沖擊速度V1;腰部沖擊塊質(zhì)量為M2，沖擊速度V2，如圖4所示。胸部、腹部、腰部側(cè)沖擊試驗(yàn)對車門內(nèi)護(hù)板的吸能及對應(yīng)反力的大小均有要求，同時(shí)要求試驗(yàn)完成后車門內(nèi)護(hù)板不能產(chǎn)生尖角、飛出物。

3 ? ?車門護(hù)板側(cè)沖擊仿真分析

模型前處理采用HyperMesh軟件，求解器采用Radioss計(jì)算。塑料件建網(wǎng)格模型時(shí)，要根據(jù)料厚變化、加強(qiáng)筋的高度及厚度確定合適的單元尺寸，以免漏掉某些小的結(jié)構(gòu)。

將車門護(hù)板、車門內(nèi)板和沖擊塊幾何模型導(dǎo)入HyperMesh中進(jìn)行有限元模型的建立。車門護(hù)板采用薄殼單元?jiǎng)澐?，平均網(wǎng)格尺寸2mm，料厚變化超過10%的地方需分開設(shè)置網(wǎng)格屬性，卡扣、螺栓連接的地方用Rbody單元模擬。車門內(nèi)板和沖擊塊都采用薄殼單元?jiǎng)澐郑骄W(wǎng)格尺寸10mm，車門護(hù)板與車門內(nèi)板的連接處采用Rbody單元模擬。車門護(hù)板材料類型選用彈塑性材料Law36[5]，輸入相應(yīng)材料的真實(shí)應(yīng)力應(yīng)變曲線;車門內(nèi)板用剛體材料Law13模擬，Law13材料類型不可用于有加載的單元;沖擊塊不可變形，選用彈性材料Law2，同時(shí)將沖擊塊所有節(jié)點(diǎn)作為從節(jié)點(diǎn)，用自動生成主節(jié)點(diǎn)的方法建立一個(gè)Rbody單元，即將沖擊塊也設(shè)置成剛體單元，該剛體單元不僅可以約束也可以加載。

將沖擊塊按要求調(diào)整到指定位置及角度，沖擊塊與車門護(hù)板之間建立接觸對關(guān)系。在BCs Manager中定義邊界條件，約束車門內(nèi)板全部自由度，約束沖擊塊除沖擊方向（Y向）外的所有自由度;給沖擊塊加載負(fù)Y向初速度。在output block中定義接觸反力、沖擊塊位移、速度的輸出量，Radioss計(jì)算時(shí)間取20ms。

圖5為某W1車型前左門腹部側(cè)沖擊仿真分析模型，圖6為該模型吸能與接觸反力曲線，從圖中可以看出，車門內(nèi)護(hù)板吸收100J能量時(shí)接觸反力為3.8KN，小于4KN。圖7為腹部沖擊塊接觸反力曲線，從圖中可知，在1.2ms時(shí)，腹部沖擊塊與車門內(nèi)護(hù)板開始接觸，沖擊塊的初始動能通過接觸傳遞到到車門內(nèi)護(hù)板，接觸反力由0開始增加，車門內(nèi)護(hù)板受到擠壓，發(fā)生變形，同時(shí)吸收沖擊塊的能量，隨著沖擊塊繼續(xù)往前運(yùn)動，沖擊塊與車門內(nèi)護(hù)板的接觸面積越來越大，傳遞的接觸反力也越來越大，在18.4ms時(shí)接觸反力達(dá)最大值。圖8為沖擊塊速度曲線，沖擊塊撞擊到車門內(nèi)護(hù)板后，速度不斷的降低，沖擊塊的動能轉(zhuǎn)為為車門內(nèi)護(hù)板的內(nèi)能;在18.6ms，沖擊塊瞬時(shí)速度降為0，即沖擊塊撞擊到車門內(nèi)護(hù)板后開始往回反彈運(yùn)動，隨著沖擊塊離車門內(nèi)護(hù)板的距離越來越大，它與車門內(nèi)護(hù)板的接觸面積也越來越少，接觸力也越來越小。圖9為18.6ms時(shí)刻對應(yīng)的車門護(hù)板應(yīng)力云圖，最u大應(yīng)力25 MPa小于材料的抗拉極限，即車門內(nèi)護(hù)板沒有發(fā)生破裂。

4 ? ?仿真分析與試驗(yàn)對標(biāo)

某W1車型前左門腹部側(cè)沖擊試驗(yàn)如圖10所示，圖11為腹部側(cè)沖擊試驗(yàn)后車門內(nèi)護(hù)板的狀態(tài)，在扶手下側(cè)主型板處有白化，沒有出現(xiàn)尖角、飛出物的情況。

圖12中上方曲線為車門內(nèi)護(hù)板腹部側(cè)沖擊試驗(yàn)中沖擊塊的位移曲線，另一條為車門內(nèi)護(hù)板腹部側(cè)沖擊仿真分析中沖擊塊的位移曲線，兩者位移誤差在8%左右;圖13為車門內(nèi)護(hù)板吸能與接觸反力曲線，車門內(nèi)護(hù)板吸收能量100J，試驗(yàn)測得接觸反力為3.5KN時(shí)，仿真誤差8.6%，滿足工程應(yīng)用需求。從車門內(nèi)護(hù)板腹部側(cè)沖擊試驗(yàn)與仿真分析對比中可以看出，車門內(nèi)護(hù)板側(cè)沖擊仿真分析方法具有較高的可信度。

5 ? ?門護(hù)板側(cè)沖擊仿真分析優(yōu)化

某W2車型左后門車門內(nèi)護(hù)板腹部側(cè)沖擊仿真分析結(jié)果，如圖14所示，車門內(nèi)護(hù)板吸能100J時(shí)，接觸反力為4.2KN，大于目標(biāo)值4KN，說明在沖擊過程中車門內(nèi)護(hù)板的壓縮位移過小，車門內(nèi)護(hù)板在腹部區(qū)域的設(shè)計(jì)剛性過大，該反力值超過目標(biāo)值不多，可以考慮弱化局部結(jié)構(gòu)剛性來增加門護(hù)板吸能。如圖15所示，車門內(nèi)護(hù)板腹部側(cè)沖擊點(diǎn)位于扶手外端區(qū)域，扶手結(jié)構(gòu)中沒有加強(qiáng)筋，將扶手卡扣連接處開孔弱化處理，如圖16所示。

弱化處理優(yōu)化后重新仿真計(jì)算，吸能與接觸反力曲線如圖17所示，車門護(hù)板吸能100J時(shí)，接觸反力為3.9KN，小于目標(biāo)值4KN，滿足設(shè)計(jì)要求。

6 ? ?總結(jié)

本文介紹了一種乘用車車門內(nèi)護(hù)板側(cè)沖擊的試驗(yàn)方法，同時(shí)運(yùn)用有限元分析方法進(jìn)行模擬仿真分析，通過車門內(nèi)護(hù)板腹部側(cè)沖擊仿真分析結(jié)果與試驗(yàn)數(shù)據(jù)的對比，證明了車門內(nèi)護(hù)板側(cè)沖擊仿真分析方法具有較高的仿真精度;同時(shí)，運(yùn)用車門內(nèi)護(hù)板側(cè)沖擊仿真分析方法，優(yōu)化了某車型的車門內(nèi)護(hù)板腹部沖擊區(qū)域的設(shè)計(jì)，使之滿足車門內(nèi)護(hù)板的設(shè)計(jì)要求。

參考文獻(xiàn)：

[1]公安部交通管理局，中華人民共和國道路交通事故統(tǒng)計(jì)年報(bào).（2001-2007年度）.

[2]周政權(quán)，鄧永芳，彭宇. 某車型側(cè)面碰撞安全性能優(yōu)化.大眾科技.2019年03期.

[3]王勇輝等. 基于CAE的側(cè)面碰撞車門緩沖塊參數(shù)設(shè)計(jì). 汽車安全技術(shù)學(xué)術(shù)會議-2011.

[4]周云，陶鈞，孫濤. 基于多沖擊塊侵入的門護(hù)板側(cè)面碰撞研究.汽車科技.2017年第4期.

[5]HyperWorks Online Help 12.0，Altair Engineering， Inc.