微型車門檻梁側(cè)碰安全性仿真研究

涂超群

(廣州南洋理工職業(yè)學(xué)院，廣東廣州 510925 )

0 引言

隨著汽車碰撞法規(guī)的日趨嚴格，汽車的碰撞安全性能要求越來越高[1]。微型汽車因其軸距短，其側(cè)面碰撞緩沖區(qū)域比較小，是整個車身中強度和剛度較為薄弱的部位。因而微型汽車在側(cè)面碰撞中變形較為嚴重,對乘員的安全會造成較大威脅。門檻梁作為承受沖擊力的主要吸能部件，因此必須對微型汽車的側(cè)碰安全性進行改善。在汽車車身結(jié)構(gòu)件中填充新型吸能材料來替代傳統(tǒng)的單一材料來提高汽車的安全性能已經(jīng)成為一種新的趨勢。泡沫鋁是一種新型的輕質(zhì)多功能材料，閉孔泡沫鋁具有輕質(zhì)、吸能、減震、高比剛度和比強度等特點[2]。因此，將閉孔泡沫鋁填充到微型汽車門檻梁中，能顯著提高汽車的側(cè)碰安全性。

國內(nèi)外的研究學(xué)者對泡沫鋁填充結(jié)構(gòu)進行了大量研究，徐平、楊昆等人[3-4]將泡沫鋁填充到車門防撞梁、汽車前縱梁上，數(shù)值模擬汽車在正面碰撞時的耐撞性。趙光磊[5]將泡沫鋁夾層板應(yīng)用到改善汽車側(cè)碰安全性上，重點對B柱進行了優(yōu)化設(shè)計；呂俊成等[6]將泡沫鋁材料用到微型車前縱梁上，分析了正面碰撞過程中汽車前縱梁的吸能和耐撞性；韓國世韓(Saehan)集團提出將泡沫鋁填充到門檻梁中，用于吸收側(cè)碰時車輛側(cè)面門檻的沖擊能量[7]。針對微型汽車的碰撞安全性，王力[8]對某微型汽車正面碰撞分析并對設(shè)計不合理的結(jié)構(gòu)提出了改進。

汽車碰撞安全法規(guī)中關(guān)于汽車側(cè)面碰撞的有我國的GB 20071—2006《汽車側(cè)面碰撞的乘員保護》和國外的ECE R95《汽車側(cè)面碰撞法規(guī)》[9]，法規(guī)規(guī)定汽車側(cè)面碰撞評價指標[10]為待評價的汽車與實驗臺車以50 km/h的速度相撞后汽車的變形量。碰撞過程中實驗車輛靜止，移動變形壁障的速度為50 km/h，并且速度在碰撞前0.5 m內(nèi)保持穩(wěn)定。該實驗臺車由碰撞塊和移動車組成，總質(zhì)量為950 kg左右，實驗中測量側(cè)面最大侵入量和侵入速度-時間曲線，來估計汽車的碰撞安全性。

汽車被動安全性是指汽車在發(fā)生碰撞時車輛本身減輕碰撞過程中人員受傷指數(shù)，車門防撞梁、車門和A、B柱是側(cè)面碰撞過程中的主要承力部件，其在碰撞發(fā)生時通過吸能來抵抗變形，從而起到減少乘員的傷亡和有效地保護汽車其他關(guān)鍵部件的作用[11]。常見的防撞梁為高強度鋼板結(jié)構(gòu)，吸能性有一定的限制，為進一步提高其吸能特性，將閉孔泡沫鋁填充到防撞梁中，可進一步提高其側(cè)碰安全性[4]。

本文作者研究采用Hyperworks和LS/DYNA有限元分析軟件，對有無填充閉孔泡沫鋁的門檻梁的微型汽車側(cè)面碰撞過程分別進行數(shù)值仿真研究，通過對比前后仿真結(jié)果來研究閉孔泡沫鋁的吸能性和微型車的側(cè)碰安全性，從而為以后的閉孔泡沫鋁在汽車上的應(yīng)用提供一些參考依據(jù)。

1 微型汽車側(cè)面碰撞建模仿真

汽車碰撞是一個動態(tài)的大變形、大位移的過程，其碰撞過程時間較短，大概為幾十毫秒，并且伴隨著零部件間的接觸和沖擊，系統(tǒng)表現(xiàn)出多重非線性特征[11]。

1.1 微型車整車有限元模型建立

微型汽車整車有限元模型的建模過程參照歐洲ECE R95的實驗方法，嚴格按照整車裝配工藝流程進行裝配，并通過在連接邊界上添加相應(yīng)的連接單元(如焊點、鉸接、短梁等)或約束來實現(xiàn)模擬連接，利用Hypermesh軟件進行網(wǎng)格劃分。該微型車有限元模型單元總數(shù)為1 042 637個，其中三角形比例小于5%，節(jié)點數(shù)為978 631個，部件個數(shù)為117個，焊點采用BEAM單元模擬，網(wǎng)格尺寸控制在5～10 mm以內(nèi)，如圖1所示。

圖1 微型車整車有限元模型

通過將該微型車整車有限元模型的車身結(jié)構(gòu)模態(tài)與實車試驗?zāi)B(tài)進行對比分析，其模態(tài)仿真結(jié)果與實驗結(jié)果的最大誤差控制在5%之內(nèi)，因而該整車有限元模型是可靠的。

1.2 閉孔泡沫鋁填充的門檻梁和立柱模型建立

針對該微型車有限元模型，分析其門檻梁的結(jié)構(gòu)特點，并對其變形較大區(qū)域進行閉孔泡沫鋁填充，填充的閉孔泡沫鋁芯體采用實體單元進行建模，在有限元模型中定義了殼單元與實體單元之間的接觸，劃分網(wǎng)格后的有限元模型如圖2所示。

圖2 填充泡沫鋁的門檻梁結(jié)構(gòu)

1.3 側(cè)碰仿真參數(shù)設(shè)置

微型汽車門檻梁外壁為Q235低碳鋼，閉孔泡沫鋁選自某國產(chǎn)廠家生產(chǎn)的以ZL103鋁合金為基體，其相對密度為0.43 g/cm3，平均孔徑為3～4 mm，其材料性能參數(shù)如表1所示。

表1 材料性能參數(shù)

閉孔泡沫鋁靜態(tài)壓縮實驗采用SANS電子萬能試驗機，實驗方法參照日本工業(yè)標準JIS H 7902：2008《泡沫金屬壓縮實驗方法》，并記錄試驗過程中壓力與壓縮位移。試樣通過線切割加工成圓柱形，保證在橫向和縱向至少有10個孔穴，避免尺寸效應(yīng)，實驗重復(fù)3次，從而避免實驗的偶然誤差，然后通過將壓力與壓縮位移曲線轉(zhuǎn)變成所需的工程應(yīng)力-應(yīng)變曲線，如圖3所示。

圖3 閉孔泡沫鋁準靜態(tài)下壓縮應(yīng)力-應(yīng)變曲線

完成對閉孔泡沫鋁材料進行準靜態(tài)壓縮實驗后，通過有限元來模擬該實驗過程，從而驗證材料模型的有效性。按照相同尺寸的泡沫鋁材料建立有限元建模，模型采用8節(jié)點Solid 164六面體單元，采用各向同性的63號可壓扁泡沫材料的本構(gòu)模型進行數(shù)值模擬分析，其材料曲線由實驗結(jié)果獲得，密度為0.43 g/cm3，彈性模量為300 MPa。泡沫鋁材料仿真結(jié)果與實驗結(jié)果如圖4所示，仿真與實驗的應(yīng)力-應(yīng)變曲線具有較好的重合度。

圖4 閉孔泡沫鋁仿真與實驗曲線

對整車有限元模型進行單元類型的定義和相應(yīng)的材料屬性的賦予，其中門檻梁定義材料屬性為雙向彈塑性材料MAT24，填充的泡沫鋁芯體定義為可壓扁泡沫材料MAT63，其應(yīng)變率效應(yīng)選用Cowper-Symonds模型作為碰撞沖擊模擬的修正模型，并且文獻[14]表明，閉孔泡沫鋁在較低應(yīng)變率下(10-3～10-1s-1)下不具有應(yīng)變率敏感性。對移動壁障臺車與整車有限元模型側(cè)面之間設(shè)置面-面接觸，其中接觸的主動面為臺車的前部面，附屬面為門檻梁、A柱的外表面和車門外表面。

依據(jù)汽車側(cè)面碰撞相關(guān)法規(guī)[10]設(shè)置碰撞初速度為50 km/h，碰撞時間為1.2 s，設(shè)置質(zhì)量縮放系數(shù)、時間步長、重力加速度，并對能量、沙漏能進行控制。針對整車側(cè)碰變形特點，在整車側(cè)面門檻梁設(shè)置測量節(jié)點，對其速度、加速度進行測量記錄，從而對閉孔泡沫鋁填充門檻梁芯體的能量吸收情況進行計算。在實驗條件相同的情況下，分別對填充閉孔泡沫鋁的門檻梁與未填充的微型汽車有限元模型進行仿真。

圖5為汽車側(cè)面碰撞整體結(jié)構(gòu)圖。

圖5 汽車側(cè)面碰撞整體結(jié)構(gòu)圖

2 模擬結(jié)果分析

2.1 能量分析

分析碰撞分析過程中的能量變化，以評價仿真結(jié)果的正確性，對該系統(tǒng)主要考慮系統(tǒng)和動能、內(nèi)能、沙漏能和總能量的變化情況，如圖6所示。

圖6 系統(tǒng)碰撞能量曲線

微型汽車有限元模型在碰撞仿真過程中，系統(tǒng)總能量基本上是守恒的，碰撞開始時，動能處于最大，其值為系統(tǒng)的總能量，隨著碰撞過程的進行，動能逐漸轉(zhuǎn)化為內(nèi)能，從圖6分析可得出，系統(tǒng)的沙漏能一直很小，并低于系統(tǒng)總能量的5%，表明該模型的仿真結(jié)果是有效的，計算精度可以保證。

2.2 變形分析

碰撞結(jié)束后，查看整車的變形情況，碰撞結(jié)束后整車的變形結(jié)果如圖7所示。

由圖7可知，微型車側(cè)碰過程中，車門、門檻梁以及立柱發(fā)生了較大的變形，對沖擊過程中能量的吸收具有較大貢獻，但是門檻梁作為鋼板沖壓件，吸收能量多，是主要的吸能部件，比較是否填充泡沫鋁的門檻梁結(jié)構(gòu)的變形情況，如圖8所示。

圖8 有無填充泡沫鋁的門檻梁變形結(jié)果

從圖8可以看出，兩種結(jié)構(gòu)的門檻梁變形過程基本相同，都發(fā)生了一定量的變形，但是相比于沒有填充泡沫鋁的門檻梁來說，填充泡沫鋁門檻梁的變形相對較小，這說明在碰撞過程中，泡沫鋁吸收了較多能量，抵抗門檻梁變形效果顯著。

2.3 侵入量分析

選取門檻梁最外側(cè)點和內(nèi)板上最內(nèi)側(cè)點作為分析點，來分析門檻梁對駕駛室的侵入量，其侵入情況如圖9所示。

圖9 測量點間的相對距離(侵入量)

由曲線圖9所知，在碰撞初始到0.02 s變形階段，填充結(jié)構(gòu)的變形量和無填充基本一致，0.02 s之后，無填充的門檻梁變形較大，侵入量為125 mm，而填充泡沫鋁的門檻梁侵入量較小，大致為63 mm，對比無填充提高了49.6%。侵入量大幅度減小，對汽車駕駛室的保護作用更加明顯，碰撞安全性顯著提高。

2.4 侵入速度分析

速度測量點設(shè)置在汽車駕駛員座椅位置，對有無填充泡沫鋁的門檻梁結(jié)構(gòu)進行對比分析。測量點處的侵入速度變化如圖10所示。

圖10 侵入速度曲線

由圖10可知，有無填充泡沫鋁結(jié)構(gòu)的門檻梁的速度變化曲線基本一致，但是相對于填充泡沫鋁的門檻梁來說，其速度變化較緩慢，并且吸能過程比較平穩(wěn)，其速度峰值為9.285 m/s,而沒有填充泡沫鋁的門檻梁吸能過程不太平緩，其速度峰值為10.025 m/s。相比較其峰值速度減小了7.38%。對速度曲線求導(dǎo)可得到其加速度曲線，如圖11所示。

圖11 測量點的加速度曲線

3 結(jié)論

文中針對微型汽車的側(cè)碰安全性問題，將閉孔泡沫鋁材料應(yīng)用到微型汽車的門檻梁上，并進行了側(cè)面碰撞數(shù)值模擬仿真研究分析。

(1)采用Hyperworks和LS-DYNA仿真技術(shù)對微型汽車整車有限元模型進行了初速度為50 km/h的移動壁障物側(cè)面碰撞的數(shù)值仿真模擬。

(2)針對側(cè)碰中主要吸能部件門檻梁碰撞分析，通過將閉孔泡沫鋁的填充到門檻梁中進行仿真分析，結(jié)果該結(jié)構(gòu)能大幅度改善汽車的側(cè)碰安全性，門檻梁的變形較大幅度減小，門檻梁的侵入量從120 mm減小到60 mm，減小幅度為49.6%；侵入最高速度由10.025 m/s降低到9.285 m/s，減小了7.38%，同時速度變化相對平穩(wěn)很多。

(3)由以上的分析表明：將泡沫鋁填充至門檻梁中，能夠使汽車在側(cè)碰中變形較少，侵入量大幅度降低，有效保持乘員艙的完整性，并且碰撞過程中，微型汽車碰撞速度減小，碰撞加速度變化更加平穩(wěn)，這將有效減輕乘員的損傷，從而有效增強了微型汽車的側(cè)碰安全性。