整車正面全寬碰撞試驗對標方法研究

王輝，楊全凱，吳澤勛，閆高峰，包國建，宿學深，吳鵬

（浙江吉智新能源汽車科技有限公司，杭州 310000）

引言

隨著CAE仿真技術在整車碰撞安全分析中的廣泛應用，很大程度上降低了整車研發(fā)的成本，但精度制約著其優(yōu)勢的最大化體現(xiàn)，因此通過仿真與試驗的對標來有效提高其精度。目前，國內(nèi)外對標相關公開的資料文獻均較少，某文中[1]提出的順序推進法缺乏系統(tǒng)性及高效性。本文提出一種系統(tǒng)的、普適的且高效的對標方法，以某款車型的國標正面全寬碰撞工況進行應用與實踐，得到了高精度的對標結果，從而驗證了該方法的有效性。

1 影響仿真精度的因素

整車仿真中有很多的因素會導致精度較差，可以通過以下幾個主要方面進行論述。從單個零件的仿真模擬角度分析，零件的加工制造工藝如沖壓、輥壓等均會導致剛度的不均與分布，而仿真中不予與考慮。從材料失效的角度分析，整車試驗會存在多處材料失效，而仿真中難以全面真實的考慮。從能量流向角度分析，整車試驗中部分動能會轉化為熱能等其他形式的能量，而仿真中不予與考慮，額外的仿真中會因數(shù)值計算而引起質(zhì)量增加、滑移能及沙漏能等誤差。從工作的繁瑣程度分析，試驗車及仿真模型與數(shù)據(jù)之間均會存在一定差異，差異的疊加會進一步放大誤差。

通過以上多角度分析，仿真與試驗存在的多方面差異均可能會導致仿真精度的降低，采用合理的對標方法能夠保證仿真較好的精度。

2 仿真與試驗對標方法

2.1 對標方法的一般流程

2.1.1 傳力路徑分析

整車發(fā)生正面全寬碰撞時，前艙結構的變形及吸能使得傳遞到乘員艙的能量較小，從而保證乘員艙的完整性及乘員的安全性[3]。因此前艙到乘員艙的傳力路徑是主要關注點，本文以某款車型為例，主要傳力路徑分析如下：

1）路徑1：前防撞梁-吸能盒-前縱梁-前縱梁根部-乘員艙

2）路徑2：電機-副車架-Kickdown-乘員艙

3）路徑3：Shotgun-A柱上-乘員艙

4）路徑4：輪胎-A柱下-乘員艙

如上所述為主要的四條傳力路徑如圖1所示，不同車型會存在較小的差異，但基本與上保持一致。路徑1為最主要的傳力路徑，吸能盒壓潰變形吸能，縱梁折彎變形吸能，最后通過縱梁根部將力傳遞到乘員艙。

圖1 主要傳力路徑

2.1.2 子系統(tǒng)校核

整車模型由多個子系統(tǒng)組成，如白車身（BIW）、前后懸、動總、前艙電器等。主要傳力路徑相關的子系統(tǒng)應重點校核，校核項包括主要零件材料、厚度、連接及配重等。其他子系統(tǒng)應當進行配重校核。此外，關鍵子系統(tǒng)如車身、前懸及動總等應進行試算校核，如車身進行模態(tài)試算保證材料、焊點、連接等無誤。整車模型的搭建過程一般為多人協(xié)同作業(yè)，子系統(tǒng)試算調(diào)教能夠有效提高對標工作效率。

2.1.3 整車工況校核

各子系統(tǒng)模型校核無誤后進行整車校核，校核包括子系統(tǒng)裝配、整車配重、工況加載等。整車中主要傳力路徑存在結構裝配的局部結構應重點校核，保證主要傳力路徑的完整性與正確性。

2.1.4 整車變形校核

整車工況模型校核無誤后進行試算，首先是對能量及質(zhì)量增加進行校核，曲線應當均平滑過渡，滑移能、沙漏能、質(zhì)量增加均應小于5 %。其次，對每個子系統(tǒng)的運動與變形進行基本常識性檢查，重點應關注主要傳力路徑的運動及變形，如縱梁的變形模式、電機的運動姿態(tài)等是否與試驗實車狀態(tài)一致。

最后輸出侵入量、加速度等評價項與試驗實車進行對比分析，獲取誤差較大的評價指標項并進行局部運動及變形分析。

2.1.5 材料失效校核

根據(jù)上節(jié)獲取誤差較大的評價指標項，分析其原因大多是由于試驗實車中局部結構發(fā)生材料失效而仿真中未予考慮引起的。因此，需根據(jù)試驗實車重點關注主要傳力路徑上的材料失效情況。材料失效的具體表現(xiàn)形式有：鈑金件撕裂、鑄件斷裂、焊點撕脫、螺栓脫落等[4]。確定具體失效形式及位置區(qū)域后在仿真模型中進行逐一模擬及反復驗證，最終確定合理的材料失效模型，使得仿真與試驗的變形保持高度一致及評價項誤差均在合理范圍內(nèi)。

2.2 對標方法的一般原則

2.2.1 動靜態(tài)原則

靜態(tài)原則是指車輛未碰撞前，整車碰撞工況在初始狀態(tài)應保證仿真與試驗的一致性原則。動態(tài)原則是指車輛開始碰撞到結束，整車碰撞工況應始終保證仿真與試驗的一致性原則。一般情況下整車碰撞仿真計算時間較長，通過先靜后動原則實現(xiàn)了將一部分影響對標的因素提前排除掉，實現(xiàn)對標方法的條理性及高效性。

2.2.2 主次原則

整車碰撞仿真與試驗對標考慮因素多、工作量大，因此需要通過分析具體工況的主要傳力路徑獲取主要因素的校核項，針對主要因素重點關注忽略次要因素，從而實現(xiàn)對標方法的高效性。

2.2.3 實車對標原則

一般情況下，存在對標的一部分工作不在試驗實車上直接體現(xiàn)，如仿真模型的數(shù)模校核。當試驗實車與數(shù)模本身就存在差異時，這樣的差異因素有可能是對標的關鍵因素之一但卻被往往忽略掉，因此在對標過程中該因素應予以考慮。

2.2.4 不唯一原則

對標中誤差較大評價項的原因分析，影響因素在指導思想上應始終保持不唯一原則，整車結構復雜基本上很難確定某個因素為唯一因素。初步進行原因分析，應盡可能考慮全面，從諸多因素中進行主次之分，應先主后次逐一進行論證分析。

3 對標方法的實踐與應用

3.1 對標前仿真與試驗

基于某款車型進行國標正面全寬整車碰撞仿真分析，參考某文獻[2]中關于對標的主要評價參數(shù)進行調(diào)整作為對標評價指標。通過對標前仿真獲取評價參數(shù)與試驗進行對比，總體差異較大。圖2為仿真與試驗的加速度曲線對比，可以看出加速度曲線相似度、峰值及峰值時刻均存在較大差異。

圖2 仿真與試驗的加速度曲線

3.2 對標方法應用及主要修正項

根據(jù)本文中提出的對標方法對仿真模型進行校核，對對標有重大影響的因素均得到修正，最終仿真與試驗對標的關鍵評價指標均在較小誤差范圍內(nèi)，精度較高。如圖3所示對標方法流程體系圖，通過傳力路徑分析后對子系統(tǒng)進行校核。發(fā)現(xiàn)電機的慣性項參數(shù)設置有誤且與實際差異較大，電機慣性項參數(shù)直接影響電機的運動軌跡及姿態(tài)，間接影響傳力及前圍板侵入等。通過前懸子系統(tǒng)試算校核發(fā)現(xiàn)輪胎的動態(tài)特性偏硬，輪胎作為向A柱下的傳力件是B柱下加速度曲線的主要影響因素之一。通過校核各子系統(tǒng)配重發(fā)現(xiàn)前艙電器、制動鉗等未進行配重，前艙質(zhì)量分布影響前艙變形及吸能，從而影響前圍侵入等評價項。綜上所述，根據(jù)發(fā)現(xiàn)的問題對仿真模型進行修正，仿真模型與試驗車的一致性得到有效提高。

圖3 對標方法流程體系圖

通過初步計算進行整車變形校核。電機運動姿態(tài)與試驗存在差異，試驗車電機上方焊接有吊裝環(huán)，而數(shù)據(jù)及仿真模型中均無。根據(jù)試驗車吊裝環(huán)實際測量修正到仿真模型，電機運動姿態(tài)得到有效改善。仿真縱梁根部變形明顯小于試驗，試驗車多處材料發(fā)生失效是重要的影響因素，如副車架吊點脫落、多處焊點失效，縱梁傳力路徑上鈑金件多處局部撕裂。根據(jù)試驗的失效情況對仿真模型進行修正，通過反復驗證最終確定合理的失效形式，縱梁變形模式得到有效改善。

3.3 對標后仿真與試驗

基于某款車型通過對本文提出的對標方法進行實踐與應用，仿真模型得到了有效校核及修正。將最終仿真結果與試驗進行對比分析，加速度曲線、縱梁變形等關鍵對標評價項均有較高一致性。

如圖4，對標前加速度曲線、加速度峰值及對應時刻均與試驗一致性較低，對標后均有較高的一致性。

圖4 仿真與試驗的加速度曲線

如圖5，對標前縱梁的變形模式與試驗一致性較低，對標后有較高的一致性。

圖5 前縱梁的變形

如表1為仿真與試驗對標前后關鍵評價指標對比，通過應用本文提出的對標方法對標后評價項均有較高一致性，對標后加速度峰值僅1.1 g誤差值，前圍侵入僅3 mm誤差，整體誤差均較小，精度較高。

表1 仿真與試驗對標前后關鍵評價指標對比

4 小結

本文系統(tǒng)地、流程化地提出了基于仿真與試驗的對標方法。該方法具有普適性、高效性、高精度等優(yōu)點，基于某電車型正面整車碰撞工況該方法得到了有效驗證。方法可類推到其他整車工況對標的工作中，該方法值得借鑒與推廣。 此外，對標方法中考慮到整車中關鍵材料的失效問題，現(xiàn)有整車仿真技術難以全面考慮材料實效及其他次要因素，有待虛擬仿真等技術進一步發(fā)展與進步。