基于LS-DYNA的房車碰撞分析及額頭結(jié)構(gòu)優(yōu)化

朱鳳磊， 郭世永， 魏 龍， 李宇吉

(1.石河子大學(xué)機械電氣工程學(xué)院，新疆 石河子 832003；2.青島理工大學(xué)機械與汽車工程學(xué)院，山東 青島 266520)

步入新時代，隨著我國經(jīng)濟的快速發(fā)展，間接促進了我國的汽車行業(yè)的飛速發(fā)展，人民對美好生活的需要日益增長已經(jīng)成為新時代的重要特征和內(nèi)在動力[1]。且我國在2020年底實現(xiàn)了全面脫貧的歷史性進步，社會的發(fā)展已經(jīng)滿足了人民的物質(zhì)需求，人們開始尋求美好的生活。駕駛家用車出游已成為我國人們探索體驗美好生活的一大途徑，于是旅居房車的數(shù)量開始如雨后春筍般遞增。旅居房車的數(shù)量開始增多，隨之而來的旅居房車的安全問題也受到了大眾的廣泛關(guān)注。因此，關(guān)于旅居房車的碰撞安全問題也開始受到科研人員的關(guān)注，并逐漸對其進行相關(guān)的研究[2]。

對于我國自主研發(fā)的汽車來說，汽車整體的安全性能問題成為其主要問題[3]。由于我們國家在整車安全性能的研究上相較于歐美國家起步比較晚，缺乏相應(yīng)的技術(shù)與經(jīng)驗，尤其我國自主品牌在碰撞安全方面的研發(fā)能力仍和發(fā)達國家有很大的差距[4]。由于實車碰撞研發(fā)周期長，而整車碰撞仿真分析不但可以縮短研發(fā)周期，而且仿真分析結(jié)果和實車碰撞試驗結(jié)果基本一致，除此之外更可以降低研發(fā)的費用，故整車碰撞仿真分析是車企努力發(fā)展的方向。車輛碰撞分析模型的準(zhǔn)確性具有關(guān)鍵的影響，因為這可以影響新款式車輛研發(fā)開發(fā)進行碰撞試驗的次數(shù)[5]。旅居房車安全性能進行碰撞仿真研究，提升我國旅居房車的安全性能，減少在交通事故中傷亡的人數(shù)，在構(gòu)建和諧汽車社會層次上來說，意義也非常重大，值得進一步研究[6]。

1 動態(tài)顯式非線性有限元理論

對旅居房車安全性能進行碰撞仿真研究，需要了解有限元法的基本概念。有限元法是一種可以通過有限的網(wǎng)格單元進行模擬計算物體在受力情況下所產(chǎn)生的應(yīng)力應(yīng)變[7]，它分為三個階段：前處理、模型文件求解和后處理。導(dǎo)入幾何模型并進行清理，建立相對應(yīng)的單元類型，建立幾何及單元集并施加載荷和邊界條件，最后定義控制卡片，在相關(guān)軟件中導(dǎo)出后就可以獲得求解文件[8]。解決車輛碰撞問題主要建立在機械工程控制與力學(xué)基礎(chǔ)上，采用一般方法解決碰撞非線性問題比較困難。然而，隨著有限元相關(guān)理論的發(fā)展和仿真軟件的進步成熟，通過結(jié)合可以較為準(zhǔn)確模擬旅居房車碰撞仿真過程，可以方便的查看碰撞后能量、應(yīng)變、應(yīng)力等變化，這是實車碰撞所難以實現(xiàn)的[9]。

2 旅居房車有限元模型的建立

2.1 車廂有限元模型的建立

打開HyperMesh軟件，在配置框中選擇LS-DYNA，旅居房車有限元模型搭建工作的第一步，是導(dǎo)入在SolidWorks軟件中三維建模所建立幾何模型。在HyperMesh軟件中點擊File-import-Geometry，在file type選項中選擇IGS，其他選項可以默認(rèn)不用更改，點擊import，將IGS格式的文件導(dǎo)入HyperMesh中，車廂有限元模型如圖1所示。

圖1 車廂有限元模型

在HyperMesh中對房車車廂的參數(shù)按照鋼的相關(guān)參數(shù)如密度、彈性模量、泊松比、屈服強度、應(yīng)力應(yīng)變曲線(動態(tài)應(yīng)力應(yīng)變曲線)進行設(shè)置[10]，查閱鋼的相關(guān)材料參數(shù)，HyperMesh中選擇MAT24號材料，將表1中鋼的相關(guān)材料參數(shù)輸入到該材料模型下，旅居房車車廂的材料參數(shù)見表1。

表1 旅居房車車廂的材料參數(shù)

2.2 底盤零部件有限元模型的搭建

底盤零部件主要包括橫縱梁、車架、駕駛室、車門、發(fā)動機、輪胎等零主要部件，部件所采用的材料均可通過相關(guān)碩士論文查詢得到。旅居房車底盤的材料參數(shù)見表2。其他如剎車片、左右擺臂等零部件，均采用Q235材質(zhì)[11]。

表2 旅居房車底盤的材料參數(shù)

選擇恰當(dāng)?shù)膯卧坏梢蕴岣叻抡娼Y(jié)果的準(zhǔn)確性，還可以縮短計算時間而且還能夠提高仿真結(jié)果精度[12]。Shells常用于一些具有薄壁特征的例如車身、鈑金件等零部件。搭建底盤零部件有限元模型時，主要有橫縱梁、車架、駕駛室、車門等，所以大部分的零部件均采用Shells單元。Solids單元常用于一些內(nèi)部為實體的零部件，如鑄造件、鍛造件等，所以本次設(shè)計中的發(fā)動機即利用Solids單元劃分而成[13]。搭建起來的旅居房車驅(qū)動系統(tǒng)有限元模型如圖2所示，驅(qū)動系統(tǒng)有限元模型包含6 616個節(jié)點與6 300個網(wǎng)格單元。房車底盤有限元模型裝配完成后，還需要把旅居房車的車廂固定到底盤上，使底盤拖著旅居房車的車廂運動，需要通過焊接命令使車廂固定到底盤上，可通過mesh-create-1delement-rigids創(chuàng)建綠線樣式的焊接。旅居房車有限元模型如圖3所示。至此，房車底盤有限元模型包含了10 309個節(jié)點，9 957個單元個數(shù)。

圖2 旅居房車驅(qū)動系統(tǒng)有限元模型

圖3 旅居房車有限元模型

3 旅居房車碰撞結(jié)果及后處理

為了進一步驗證仿真結(jié)果的真實性與合理性，本次設(shè)計從網(wǎng)絡(luò)上尋找旅居房車的碰撞測試相關(guān)視頻資料進行對比。旅居房車正面碰撞的起始點如圖4(a)。模擬時間為160 ms，仿真過程取三個關(guān)鍵性時刻與旅居房車實車碰撞的視頻進行對比分析，包括旅居房車接觸剛性墻時刻；圖4(b)車廂開始發(fā)生斷裂時刻；圖4(c)車廂已經(jīng)斷裂時刻，如圖所示，模擬時間為8 ms。圖4為旅居房車在45 ms、90 ms、160 ms時旅居房車車廂的時刻狀態(tài)以及時刻應(yīng)力圖。

圖4(a)表示旅居房車在25 ms接觸剛性墻時刻，由旅居房車的有限元模型應(yīng)力圖可知，旅居房車的防撞梁已經(jīng)因碰撞力產(chǎn)生了較大的變形，車蓋也因為受到了碰撞力從而產(chǎn)生了向上的彎曲變形，如圖4(a)右側(cè)圖所示。圖4(b)表示碰撞進行到90 ms時刻，此時發(fā)動機室完全壓潰，車頂蓋業(yè)已完全卷曲，車輪與保險杠等零部件發(fā)生了接觸，而且由旅居房車的有限元模型應(yīng)力圖可知，旅居房車的車廂已經(jīng)因碰撞力產(chǎn)生了較大的應(yīng)變，應(yīng)力圖出現(xiàn)紅色，車廂開始出現(xiàn)裂痕，與實車碰撞視頻中旅居房車表現(xiàn)出來的結(jié)果相同。圖4(c)表示車廂已經(jīng)斷裂時刻，由旅居房車的有限元模型應(yīng)力圖可知，旅居房車的車廂已經(jīng)因碰撞力產(chǎn)生了更大的應(yīng)變，應(yīng)力圖出現(xiàn)紅色，車廂與額頭連接處不堪重負(fù)，如右圖所示，實車碰撞中旅居房車的車廂裂痕加大，車廂也因為慣性力作用產(chǎn)生車廂整體上移。

圖4 旅居房車車廂時刻應(yīng)力圖

綜上所述，由圖4可知，本次設(shè)計所搭建的旅居房車有限元模型碰撞仿真的四個關(guān)鍵性時刻與旅居房車實車碰撞的視頻的對比圖相似度較高，說明該仿真結(jié)果與旅居房車的碰撞事故案例吻合較好，同時也說明了本文建立的旅居房車有限元模型的有效性。

4 額頭結(jié)構(gòu)優(yōu)化建模及后處理

4.1 優(yōu)化額頭建模

為了更好的進行優(yōu)化車廂建模，本次設(shè)計還需要進一步了解旅居房車的具體構(gòu)成與裝配工藝，故對春田房車有限公司進行了調(diào)研，觀看旅居房車的生產(chǎn)工序，并與春田房車公司工程師進行交流。發(fā)現(xiàn)旅居房車的額頭模具垂直部分的位置存在尖角，房車公司的調(diào)研與額頭模具如圖5所示。說明此處車廂與額頭位置的連接位置的設(shè)計不合理，需要對其車廂與額頭位置的連接位置進行重新設(shè)計，這也是為什么車廂有兩個部分應(yīng)力集中的原因。

圖5 房車公司的調(diào)研與額頭模具

應(yīng)力集中不可避免，其中機械設(shè)計的主流做法是通過優(yōu)化結(jié)構(gòu)減小應(yīng)力集中。例如圓弧過渡，用大孔代替小孔等[14]。為避免應(yīng)力集中造成構(gòu)件破壞，還可以作噴丸、輥壓、氧化等加工工藝上的技術(shù)處理，由于本文主要分析車廂的受力情況，對車廂結(jié)構(gòu)進行設(shè)計，所以材料與工藝方面暫不考慮。為了避免車廂與額頭連接處受力過大產(chǎn)生撕裂現(xiàn)象，本次設(shè)計對額頭垂直部分的應(yīng)力集中位置采用消除尖角、優(yōu)化構(gòu)件外形的方法，擬采用加肋板與添加過渡圓角操作，使碰撞帶來的慣性力平滑過渡，均勻施加載荷，優(yōu)化方案圖如圖6所示。

圖6 優(yōu)化方案圖

4.2 優(yōu)化額頭碰撞仿真驗證

為了驗證本次設(shè)計的合理性，對優(yōu)化后的車廂重新裝配到同一底盤有限元模型上，并且保持相同的連接關(guān)系進行碰撞仿真驗證，控制變量的唯一[15]。Ls-Dyna仿真中定義旅居房車的X-Velocity為13 889 mm/s。仿真過程取三個關(guān)鍵性時刻與未優(yōu)化的車廂碰撞仿真應(yīng)力圖進行對比分析。旅居房車在70 ms、100 ms、160 ms時旅居房車車廂的時刻狀態(tài)以及時刻應(yīng)力圖如圖7所示。

圖7 旅居房車車廂時刻應(yīng)力圖

圖7(a)表示70 ms車廂與額頭連接處受力時刻，由左圖可知，添加的過渡圓角使碰撞帶來的慣性力平滑過渡，應(yīng)力效果明顯變好。圖7(b)表示100 ms發(fā)動機室完全壓潰時刻，左右圖對比可知，在發(fā)動機室完全壓潰時，旅居房車優(yōu)化后的車廂在額頭連接處應(yīng)力云圖明顯比未優(yōu)化后的好很多。圖7(c)表示160 ms車廂發(fā)生斷裂時刻，右圖未優(yōu)化的車廂應(yīng)力云圖已經(jīng)出現(xiàn)明顯的紅色，表示超過了塑性應(yīng)變，左圖優(yōu)化后的車廂在右圖應(yīng)力集中的表現(xiàn)則更加優(yōu)異，未出現(xiàn)明顯的紅色應(yīng)力集中點。

為了更好的體現(xiàn)優(yōu)化后的車廂能夠提高旅居房車車廂的碰撞可靠性，使結(jié)果更具可視性，在旅居房車的車廂上選取三個應(yīng)力較大位置的點進行應(yīng)力曲線的輸出，旅居房車車廂時刻應(yīng)力曲線如圖8所示。由圖8可以發(fā)現(xiàn)，優(yōu)化后該三個點的時刻應(yīng)力曲線數(shù)值均低于未優(yōu)化后的車廂應(yīng)力，優(yōu)化后微旅居房車車廂有限元模型在發(fā)生碰撞時在額頭連接處受力的最大值為183.9 N，相對于原方案的在額頭連接處受力最大值302.5 N 減少了118.6 N，提高了車廂的碰撞安全性，說明本次設(shè)計的優(yōu)化方案能夠更好地防止旅居房車車廂材料在超過塑性應(yīng)變產(chǎn)生的撕裂現(xiàn)象。

圖8 旅居房車車廂時刻應(yīng)力曲線

綜上所述，由圖7、圖8可知，本次對額頭垂直部分的應(yīng)力集中位置采用加肋板與添加過渡圓角操作的優(yōu)化車廂設(shè)計，消除了尖角、改善了構(gòu)件外形，使碰撞帶來的慣性力平滑過渡，有效的避免了車廂在旅居房車發(fā)生碰撞時因材料超過塑性應(yīng)變產(chǎn)生的撕裂現(xiàn)象[16-17]。優(yōu)化后的最大應(yīng)力值未超過旅居房車車廂材料因塑性應(yīng)變產(chǎn)生撕裂現(xiàn)象的下許用應(yīng)力，因此優(yōu)化設(shè)計符合預(yù)期要求，在一定程度上能夠提高旅居房車車廂的碰撞可靠性。

5 結(jié)論

有限元技術(shù)廣泛應(yīng)用于包括房車在內(nèi)的各種汽車碰撞安全方面的研究。然而，汽車整體有限元模型中包含大量網(wǎng)格使得計算時間非常長。所以，對旅居房車有限元模型進行簡化，得到一個旅居房車簡化的有限元模型。減少旅居房車碰撞仿真的計算時間是非常必要的[18-19]。做碰撞仿真分析時，能夠在合理的時間內(nèi)得到計算答案，更加高效地處理諸如整車碰撞模型之類的復(fù)雜模型，是值得研究的。本次設(shè)計所得到的結(jié)論主要如下：

(1)本次畢業(yè)設(shè)計建立了旅居房車碰撞仿真的有限元模型。該有限元模型能夠比較準(zhǔn)確地模擬旅居房車在發(fā)生碰撞時所體現(xiàn)的特性。

(2)模型驗證參考了旅居房車的實車碰撞案例，對比分析旅居房車在發(fā)生碰撞過程中車廂額頭部分?jǐn)嗔训默F(xiàn)象，以及旅居房車碰撞過程中關(guān)鍵時刻對比圖，得出該旅居房車有限元模型與實際碰撞情況吻合較好，具有一定的可靠性。

(3)本文分析結(jié)果為將來國家政府制定旅居房車車廂的相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)提供了理論分析依據(jù)。同時為生產(chǎn)旅居房車的相關(guān)企業(yè)提供相關(guān)的生產(chǎn)依據(jù)，尤其是生產(chǎn)旅居房車的車廂提供重要的參考。

(4)本研究也存在一定的局限性。限于客觀條件的影響，本文僅有旅居房車的仿真分析模擬，若增加旅居房車的實車碰撞試驗則可以驗證仿真分析結(jié)果準(zhǔn)確性，數(shù)據(jù)將更加客觀可靠。

由于旅居房車結(jié)構(gòu)的復(fù)雜性，在發(fā)生碰撞中相關(guān)零部件之間的連接關(guān)系非常復(fù)雜。后期仍需要不斷開展學(xué)習(xí)與研究，提高有限元模型的應(yīng)用性與準(zhǔn)確性。