鋁制車身仿真方法研究及試驗(yàn)對(duì)標(biāo)分析

國(guó)舉強(qiáng),張廷波,吳有成,李延峰

(浙江吉利新能源商用車集團(tuán)有限公司，浙江杭州 311228)

0 引言

某混合動(dòng)力MPV車型的車身結(jié)構(gòu)由鋁合金件通過(guò)膠粘和鉚接而成，并由置于發(fā)動(dòng)機(jī)艙的增程器和車身下方的動(dòng)力電池提供動(dòng)力。與傳統(tǒng)車型相比，其材料性能、車身連接方式和結(jié)構(gòu)布置等均有明顯的不同，進(jìn)而影響到汽車碰撞安全性能。由于汽車碰撞安全性能的優(yōu)劣直接關(guān)系到乘員安全，因此被各國(guó)家和廠商所重視并進(jìn)行了大量的研究，但這些研究主要針對(duì)鋼制車身的車型[1-2]，對(duì)鋁制車身研究較少。

基于C-NCAP正面碰撞試驗(yàn)結(jié)果[3]，對(duì)鋁制車身的仿真建模技術(shù)進(jìn)行研究，主要針對(duì)膠粘損傷開(kāi)裂和自穿刺鉚接(SPR)剪切失效等力學(xué)行為，并對(duì)比分析加速度、車身侵入量等指標(biāo)，以驗(yàn)證有限元仿真模型的精度。

1 碰撞仿真模型搭建

基于整車CAD數(shù)據(jù)和其他參數(shù)搭建碰撞仿真模型，包括車身、車門、轉(zhuǎn)向系統(tǒng)、前后懸架、增程器以及動(dòng)力電池等子系統(tǒng)。在LS-DYNA中，應(yīng)用離散單元來(lái)簡(jiǎn)化和模擬減振器，其力學(xué)性能通過(guò)剛度和阻尼曲線來(lái)定義；增程器在碰撞過(guò)程中變形非常小，可視為剛體結(jié)構(gòu)。動(dòng)力電池殼體用Shell單元建模，電芯簡(jiǎn)化成實(shí)體并用Solid單元和MAT_63材料模型模擬[4]，其中材料曲線來(lái)自電芯球頭擠壓試驗(yàn)。

對(duì)于車輛中的鈑金件和擠鋁件，應(yīng)用Shell單元和彈塑性材料進(jìn)行仿真。鋁制車身各零部件之間主要通過(guò)膠粘和鉚釘進(jìn)行連接，為了能準(zhǔn)確模擬這些連接的剛度及失效開(kāi)裂等力學(xué)性能，采用如下建模方式。

1.1 膠粘連接

由于結(jié)構(gòu)膠具有強(qiáng)度高、耐疲勞、耐腐蝕等優(yōu)點(diǎn)，常用于鋁制車身的連接。但由于結(jié)構(gòu)膠為高分子材料，其力學(xué)性能與金屬材料差異較大，很難通過(guò)傳統(tǒng)材料模型進(jìn)行仿真。近年來(lái)，由于內(nèi)聚力材料模型越來(lái)越成熟，開(kāi)始逐漸用于膠粘界面剝離等力學(xué)行為的模擬。內(nèi)聚力模型最早由DUGDALE和BARENBLATT于1960年左右提出[5-6]，用以解決裂紋尖端(CZM)的力學(xué)問(wèn)題。該模型通過(guò)Traction-Separation曲線來(lái)描述裂紋尖端(CZM)張開(kāi)位移與阻力的關(guān)系，當(dāng)曲線下的面積等于材料臨界能量釋放率時(shí)界面開(kāi)始擴(kuò)散，直至失效斷裂。在LS-DYNA中應(yīng)用內(nèi)聚力材料模型MAT_138(MAT_COHESIVE_MIXED_MODE)來(lái)模擬膠粘連接。該材料模型在損傷起始之前為彈性變形，當(dāng)單元位移達(dá)到混合模式下的損傷起始位移時(shí)材料開(kāi)始損傷和演化，當(dāng)達(dá)到失效位移δF時(shí)膠粘失效斷裂，如圖1所示。

圖1 混合模式下的Traction-Separation曲線

相應(yīng)地，混合模式下的損傷起始位移可表示為

(1)

(2)

式中:En、Et分別為法向剛度和切向剛度；GIC、GIIC分別為I型和II型能量釋放率；γ>0為指數(shù)常數(shù)。

1.2 自穿刺鉚接

自穿刺鉚接(SPR)是一種高效的連接工藝，可以實(shí)現(xiàn)鋁材與其他鈑材之間的連接。如果SPR與結(jié)構(gòu)膠聯(lián)合使用，不但可以提高鉚接點(diǎn)的剛度，而且使其應(yīng)力峰值更低，從而提高鈑材的疲勞壽命，因此被廣泛用于鋁制車身的連接。在LS-DYNA中，可以應(yīng)用Constrained_SPR2模型來(lái)模擬自穿刺鉚接，該模型由HANSSEN和PORCARO等提出[7-8]。對(duì)于該模型，在純拉伸和純剪切載荷作用下，鉚釘?shù)牧W(xué)行為如圖2所示。

圖2 自穿刺鉚接力學(xué)行為

(3)

式中:θ=arctan(δn/δt)；ζ(θ),α(ηmax)分別為有效位移面的縮放系數(shù)和形狀系數(shù)。

η(θ)的等值面如圖3所示，當(dāng)η(θ)=1時(shí)鉚釘將失效斷裂。

圖3 有效位移等值面

最后，對(duì)于創(chuàng)建的碰撞仿真模型進(jìn)行檢查，使相關(guān)參數(shù)與設(shè)計(jì)保持一致，主要包括：零部件厚度、材料和質(zhì)量等；各子系統(tǒng)之間的連接方式和輸入?yún)?shù)等；整車質(zhì)量、質(zhì)心和前后軸荷等。

2 試驗(yàn)對(duì)標(biāo)分析

首先對(duì)仿真結(jié)果進(jìn)行初步校核，確保系統(tǒng)能量曲線穩(wěn)定，車輛變形動(dòng)畫符合物理規(guī)律，以及其他考察項(xiàng)在有效范圍內(nèi)，最后進(jìn)行試驗(yàn)對(duì)標(biāo)。由于兩者總是存在差異，因此僅確保關(guān)鍵指標(biāo)相互吻合，主要包括：

(1)車輛變形模式:是驗(yàn)證碰撞仿真模型有效性的首要指標(biāo)；

(2)加速度曲線:B柱下部加速度曲線表征整車剛度性能，與乘員損傷相關(guān)性很大；

(3)其他測(cè)量值:包括侵入量在內(nèi)的其他考察項(xiàng)，其中侵入量過(guò)大會(huì)影響乘員生存空間，是衡量車輛碰撞安全性能的重要指標(biāo)之一。

2.1 變形模式對(duì)標(biāo)

在正面碰撞中，吸能盒和前縱梁作為車輛前端主要吸能變形部件，其變形模式是否與試驗(yàn)一致直接關(guān)系到仿真模型的有效性。圖4為整車碰撞后的形狀，由圖可見(jiàn)仿真與試驗(yàn)狀態(tài)基本吻合；圖5為吸能盒壓潰后的有效高度，試驗(yàn)后吸能盒的厚度約為57 mm，仿真測(cè)量值為55.1 mm，兩者誤差很?。粓D6為前縱梁碰撞后形狀，其前部發(fā)生了潰縮，有效地吸收了碰撞能量。碰撞后前縱梁的長(zhǎng)度約為590 mm，仿真值為595.1 mm，兩者偏差不到1%。通過(guò)對(duì)比分析可知，該MPV車型前部結(jié)構(gòu)變形合理，未見(jiàn)明顯膠粘失效區(qū)域，吸能效率高，對(duì)乘員保護(hù)起到積極作用。

圖4 整車變形模式

圖5 吸能盒壓潰變形模式

圖6 前縱梁壓潰變形模式

2.2 加速度曲線對(duì)標(biāo)

B柱下部加速度作為整車加速度響應(yīng)的表征量，直接關(guān)系到假人傷害，是車輛正碰耐撞性的重要評(píng)價(jià)指標(biāo)之一。圖7為駕駛員側(cè)B柱下部加速度曲線，其中第一個(gè)波峰為吸能盒壓潰變形，第二個(gè)波峰為縱梁初始?jí)簼?，后續(xù)波峰為縱梁持續(xù)潰縮過(guò)程。通過(guò)對(duì)比仿真與試驗(yàn)結(jié)果可知，曲線整體變化趨勢(shì)和峰值基本相符，其中前段波形兩者基本一致，后段曲線由于涉及到前懸架與車身的連接、輪胎模型和增程器懸置失效等因素，使得仿真與試驗(yàn)波形之間存在局部差異。積分加速度曲線獲得整車速度曲線，如圖8所示，由圖可見(jiàn)仿真與試驗(yàn)的速度歸零時(shí)刻基本一致。根據(jù)結(jié)果可見(jiàn)，該MPV車型B柱下部加速度波形為理想的矩形波TESW(Tipped Equivalent Square Wave)，即車輛前部區(qū)域壓潰剛度均勻，有效降低了加速度峰值，為約束系統(tǒng)參數(shù)匹配提供了良好的前提條件。

圖7 車身B柱下部加速度曲線

圖8 車身B柱下部速度曲線

在正面碰撞過(guò)程中，增程器作為質(zhì)量較大的剛體，其運(yùn)動(dòng)狀態(tài)影響到前圍侵入量和B柱下部加速度曲線。由試驗(yàn)結(jié)果可知，增程器側(cè)面懸置在碰撞中發(fā)生了斷裂，如圖9所示。通過(guò)零部件試驗(yàn)測(cè)試可知，增程器左右側(cè)懸置的失效力約為45 kN，后部懸置的失效力約為20 kN。在仿真分析中，通過(guò)離散梁?jiǎn)卧狣iscrete Beam來(lái)模擬懸置，并在材料模型MAT196中設(shè)置失效力以模擬懸置斷裂情況。圖10為仿真模型修正后的增程器底部加速度曲線，由圖可知仿真與試驗(yàn)結(jié)果基本一致，表明增程器運(yùn)動(dòng)姿態(tài)吻合。

圖9 增程器側(cè)面懸置失效

圖10 增程器底部加速度曲線

2.3 其他測(cè)量值對(duì)標(biāo)

如果乘員艙前圍侵入量過(guò)大，則將影響乘員生存空間。從圖11可見(jiàn)，該MPV車型在正面碰撞中，前圍沒(méi)有受到明顯的侵入變形，避免假人受到擠壓傷害。動(dòng)力電池位于車身正下方，在碰撞中僅殼體局部受到了擠壓，未對(duì)電芯造成損傷。

圖11 乘員艙前圍碰撞后變形

在前防撞上布置多個(gè)測(cè)點(diǎn)以監(jiān)測(cè)車輛前部碰撞變形情況，如圖12所示。從表1可見(jiàn)仿真和試驗(yàn)值偏差很小，說(shuō)明防撞梁縱向變形兩者基本一致。

圖12 前防撞梁測(cè)點(diǎn)布置

表1 前防撞梁測(cè)點(diǎn)測(cè)量值

3 結(jié)論

對(duì)某混合動(dòng)力MPV車型進(jìn)行了正面碰撞仿真分析，并與試驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行對(duì)標(biāo)，主要從關(guān)鍵零部件變形模式、B柱下部加速度曲線以及其他試驗(yàn)測(cè)量值等方面進(jìn)行了對(duì)比分析，結(jié)果表明仿真結(jié)果與試驗(yàn)高度吻合，說(shuō)明仿真模型準(zhǔn)確、有效，尤其顯示應(yīng)用內(nèi)聚力材料模型和Solid單元模擬膠粘，和應(yīng)用Constrained_SPR2模擬自穿刺鉚釘能真實(shí)反映鋁制車身連接區(qū)域失效開(kāi)裂等實(shí)際情況，這為膠粘連接和自穿刺鉚接的模擬提供了新的思路。

同時(shí)由結(jié)果可見(jiàn)，該MPV車型在正面碰撞中變形模式合理，B柱下部加速度峰值較低，車身前圍未被明顯侵入，這表明該MPV車型整車耐撞性能良好。