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車輛正面碰撞中的耐撞性能仿真分析

2020-04-29 23:15:09·  來源：《汽車實(shí)用技術(shù)》  
　
摘 要：為了評價汽車在正面碰撞事故中耐撞性能，應(yīng)用HyperWorks仿真軟件建立了車輛正面100%碰撞有限元模型。后處理利用HyperView對B柱下端加速度、A柱上部最大折
摘 要：為了評價汽車在正面碰撞事故中耐撞性能，應(yīng)用HyperWorks仿真軟件建立了車輛正面100%碰撞有限元模型。后處理利用HyperView對B柱下端加速度、A柱上部最大折彎角、前圍板侵入量以及前門鉸鏈變形量4項(xiàng)重要評價指標(biāo)進(jìn)行仿真分析，以此評估正面碰撞中車體的耐撞性能。結(jié)果表明：B柱下端最大加速度小于3ms合成加速度72g的要求，A柱上部最大折彎角對乘員傷害程度在允許范圍內(nèi)，前圍板變形云圖小范圍超出目標(biāo)值，前門鉸鏈變形量不影響碰撞后車門的正常開啟，車體耐撞性能良好。類比2017年C-NCAP實(shí)車正面碰撞結(jié)果，表明仿真試驗(yàn)具有較高的可信性，為車體耐撞性優(yōu)化設(shè)計提供依據(jù)。
 
關(guān)鍵詞：正面100%碰撞；有限元；耐撞性能；仿真分析
 1 引言 
汽車已成當(dāng)今社會人們出行的主流交通工具，但隨著汽車保有量的日益增加，道路通行效率呈現(xiàn)下滑趨勢，導(dǎo)致道路交通碰撞事故的頻發(fā)。因此提高汽車耐撞性能，最大限度地降低乘員在碰撞事故中的傷害程度，已成為汽車制造企業(yè)主要的研方向。
 
正面碰撞試驗(yàn)是檢驗(yàn)一輛汽車耐撞性能非常正要的指標(biāo)。在中國新車安全評價體系C-NCAP中正面100%剛性壁碰撞試驗(yàn)占18分，占比約30%，凸顯了正面100%碰撞的重要性。傳統(tǒng)實(shí)車碰撞試驗(yàn)破壞性大、成本高、重復(fù)性差，對于前期汽車耐撞性設(shè)計階段的反饋效率低且周期長。但計算機(jī)仿真技術(shù)的應(yīng)用很好地克服了這些缺陷，其采用顯示非線性有限元法能夠準(zhǔn)確地分析在碰撞中汽車結(jié)構(gòu)和材料的非線性問題，且隨著建模精度的不斷提高，碰撞仿真結(jié)果的準(zhǔn)確度也在提供。目前利用計算機(jī)仿真技術(shù)研究汽車耐撞性已成為各大汽車廠商的主流方法。
 2 汽車碰撞仿真試驗(yàn)有限元原理 
汽車碰撞的過程涉及到若干結(jié)構(gòu)部件的瞬態(tài)大變形和大位移，體現(xiàn)了幾何、材料和接觸等一系列非線性特征。顯示非線性有限元法則是將汽車結(jié)構(gòu)進(jìn)行有限元離散，把整車劃分為許多單元，計算出每個單元的速度、加速度以及能量，在對各個單元進(jìn)行組集就可以得到整車各個部件在碰撞中的速度、加速度及能量變化情況。單元劃分的越多，則仿真精度越高。被劃分的單元內(nèi)的任意點(diǎn)的坐標(biāo)用節(jié)點(diǎn)差插值法表示為：
 （1）
 
式中，φi表示在參數(shù)坐標(biāo)(φ,ω,γ)下的形函數(shù)，m表示單元的節(jié)點(diǎn)數(shù)，代表該單元中第j個節(jié)點(diǎn)在i方向上的位移。
 
利用虛功原理對所有單元的虛功求和，則有：
 （2）
 
式中。
 
把式(2)式改寫成矩陣形式，得：
 （3）
 
公式（3）中，[N]表示形函數(shù)矩陣，[B]表示應(yīng)變矩陣，{σ}表示柯西應(yīng)變矢量：
 （4）
 
表示節(jié)點(diǎn)加速度向量，則單元內(nèi)任意一點(diǎn)的加速度能表示為：
 
 （5）
 
表示體積力矢量，{t}表示牽引力矢量，兩者矩陣的表達(dá)形式如下：
 （6）
 
在顯示有限元算法中，在處理單元質(zhì)量矩陣時，通常把與其同一行矩陣元素全部合并到對角項(xiàng)。然后對式(3)完成單元計算和組集，就可以得到系統(tǒng)平衡方程(離散后的)：
 
 
 （7）
 
在式（7）中，[M]表示組集后的總體質(zhì)量矩陣，代表總體節(jié)點(diǎn)加速度矢量，P代表總體載荷矢量，F(xiàn)是由單元應(yīng)力場的等效節(jié)點(diǎn)力矢量組集而成，其表達(dá)式如下：
 
 （8）
 
在整車碰撞中各個單元相互擠壓致使兩者之間的相對位移的發(fā)生變化，在整體上體現(xiàn)結(jié)構(gòu)上的變形情況，進(jìn)而可以計算出結(jié)構(gòu)件變形吸能值，為整車耐撞性的分析提供基礎(chǔ)。HyperMesh可以對汽車結(jié)構(gòu)中的覆蓋件，如車身蒙皮、引擎蓋、前翼子板等實(shí)行2D網(wǎng)格劃分，劃分的單元網(wǎng)格精度以mm計，同時對于發(fā)動機(jī)總成、驅(qū)動橋等三維實(shí)體結(jié)構(gòu)可以進(jìn)行3D網(wǎng)格劃分。網(wǎng)格劃分越密，則整車仿真效果越好。圖1為整車網(wǎng)格化有限元模型。
 
圖1 整車網(wǎng)格化有限元模型
 3 整車仿真試驗(yàn)可信性分析 
整車仿真碰撞試驗(yàn)要遵守能量守恒，否則仿真的結(jié)果是不可靠的。由于采用了高斯單點(diǎn)積分法，會導(dǎo)致仿真計算中產(chǎn)生一部分的沙漏能，行業(yè)上要求沙漏能要控制在5%的范圍內(nèi)，否則會影響仿真試驗(yàn)的效果。同時還需對碰撞中整車總能量、內(nèi)能、動能之間的變化分析，確保能量轉(zhuǎn)化的合理性。整車碰撞初始速度設(shè)置為56km/h，重力加速度為9.8m/s2，碰撞時間設(shè)置150ms。
在圖2中可知，在碰撞過程中總能量曲線基本維持在水平狀態(tài)，接近一條直線，說明碰撞中遵守能量守恒定律。動能曲線在汽車接觸剛性墻開始迅速下滑，約在70ms時刻降至最低值，之后曲線略有上升，此時汽車低速反彈。內(nèi)能曲線與動能曲線呈鏡像關(guān)系，表示汽車碰撞階段動能向內(nèi)能轉(zhuǎn)化，吸能最大值為148688000J，約占總能量的93.67%，可見在碰撞中車身結(jié)構(gòu)吸收了極大的碰撞能量。沙漏能變化曲線在碰撞過程中始終處于極低的水平。約占總能量的4.98%，低于5%的行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)。整車能量變化仿真效果符合實(shí)際碰撞過程。
圖2 整車碰撞中能量變化曲線
 
 4 整車正面碰撞仿真結(jié)果分析 
4.1 車身結(jié)構(gòu)變形分析
車身主要吸能結(jié)構(gòu)采用的是SectShll殼單元類，材料屬性選擇MAT24模型，它能有效反映料彈塑性力學(xué)特性，剛性材料模型選擇MAT20，這種模型可以保持結(jié)構(gòu)在碰撞中節(jié)點(diǎn)相對位移不變。不用計算結(jié)構(gòu)內(nèi)部的應(yīng)力，提高模型計算效率。
從碰撞力傳遞途徑來看，保險杠首先觸墻結(jié)構(gòu)被擠壓變形，接著前縱梁前端誘導(dǎo)槽發(fā)生壓潰，隨后碰撞沖擊力傳遞至縱梁中末端，導(dǎo)致動力總成沖擊前圍板，前圍板受沖擊力作用變形向乘員艙侵入，同時車身結(jié)構(gòu)受汽車前端能量的沖擊變形，A柱上部折彎，乘員艙變形，底盤產(chǎn)生翹起變形，最后能量傳遞至汽車尾部。
 
圖3 車身結(jié)構(gòu)變形過程
在圖4的車身仿真變形結(jié)果中，汽車前端發(fā)動機(jī)艙蓋受沖擊被彈開，保險杠被壓平，前翼子板產(chǎn)生褶皺，車身前傾，汽車尾部抬起，傳動軸彎折，整個碰撞過程符合力傳遞過程，與實(shí)際整車正面碰撞效果相符。在碰撞中車身結(jié)構(gòu)未發(fā)生明顯結(jié)構(gòu)破壞，乘員艙結(jié)構(gòu)較為完整，乘員生存空間壓縮量較小，車體耐撞性良好。
4.2 B柱下端加速度分析
B柱下端加速度是衡量車身耐撞性能的重要指標(biāo)。利用Tools界面中的Create cards功能選項(xiàng)*ELEMENT- SEATBELT -ACCELEROMETER即完成B柱加速度傳感器的創(chuàng)建，位置選取在B柱底端與門檻梁的交界處，一是此處結(jié)構(gòu)剛度大，碰撞變形小，二是能夠最大程度地反映駕駛員在碰撞中的真實(shí)加速度感受。
在C-NCAP評價體系中，采用3ms合成加速度作為假人頭部傷害指標(biāo)，高性能限值要求小于72g。超過72g的時間持續(xù)超過3ms，則反映了乘員持續(xù)損傷的程度，而乘員累計損傷通過超過72g的累計時間顯示。在圖4中，左側(cè)B柱下端最大加速度為56.07g，右側(cè)最大加速度為45.78g，兩側(cè)最大加速度均小于72g，說明在碰撞中對駕駛員造成的持續(xù)損傷與累計損傷均小于C-NCAP的最高能限值。
圖4 B柱下端加速度變化曲線
 
4.3 A柱上部最大折彎角分析
A柱作為碰撞中維持乘員艙完整性的主要承力結(jié)構(gòu)，在碰撞中會發(fā)生上部折彎以及向后侵入變形的情況，可能導(dǎo)致乘員艙上部空間受到壓縮，致使駕駛員頭部及胸部受到一定程度損傷。因此對A柱變形進(jìn)行仿真分析顯得尤為必要。
圖5 A柱碰撞前后變形效果圖
 
圖6 A柱上部折彎角變化曲線
 
圖4是A柱碰撞前后的變形圖，可見在碰撞中上部發(fā)生折彎變形，產(chǎn)生折彎增角△φ。在圖6中△φ在前60ms時間段內(nèi)，隨著碰撞的深入，其值急劇增加，最大值約為4o，此階段內(nèi)前排乘員受傷風(fēng)險最大，乘員頭部及頸部可能受到A柱上部的接觸沖擊壓力，導(dǎo)致相應(yīng)部位的損害。此后A柱彈性恢復(fù)，△φ由峰值逐漸下降，乘員損害減輕。因此對A柱折彎角的分析重點(diǎn)是在△φ達(dá)到最大值時刻，由此才能研究A柱折彎變形中對乘員造成的最大傷害情況，為后期優(yōu)化設(shè)計提供目標(biāo)。
4.4 前圍板侵入量分析
在碰撞中，前圍板受來自發(fā)動機(jī)艙沖擊力的作用，會向乘員艙內(nèi)侵入變形，侵入量過大會導(dǎo)致前排乘員的腿部及腳受到損害。工程上一般要求前圍板侵入量小于150mm，以達(dá)到安全要求。
在圖7前圍板變形云圖中，前圍板左右中間部位受碰撞沖擊力的影響，侵入量最大，由中間向外圍侵入量遞減。從面積上來看，前圍板約94%的范圍內(nèi)侵入量在140mm以內(nèi)，其余在140mm至180mm之間。從最大變形區(qū)域位置上看，該區(qū)域?qū)?yīng)的是前排乘員的小腿部位，可能會在碰撞中對乘員的小腿造成損傷。因此需要對前圍板該區(qū)域結(jié)構(gòu)進(jìn)行強(qiáng)度優(yōu)化，同時對該區(qū)域縱向方向發(fā)動機(jī)艙內(nèi)的結(jié)構(gòu)部件優(yōu)化設(shè)計，以使前圍板達(dá)到最佳耐撞性能。
 
圖7 前圍板變形云圖
4.5 前門框鉸鏈變形量分析
在C-NCAP正面碰撞試驗(yàn)中要求車門不開啟，碰撞結(jié)束后每排至少有一個車門在不借助外力的情況下正常開啟。在仿真試驗(yàn)中通過前門上下鉸鏈的變形量來反映此項(xiàng)功能。
圖8 前門框變形圖
 
在HyperView后處理界面分別在前門框上下鉸鏈出選取一對測量點(diǎn)，測量兩者之間在X方向的距離變化情況，用以反映上下鉸鏈出的變形量。在圖8中，前門框有一定的壓縮變形，效果不明顯。在圖9中的變形曲線中，則精確反映了變形量。通過對上下鉸鏈最大變形量的分析，能評估在碰撞中車門是否會發(fā)生開啟現(xiàn)象，危害乘員的生命安全。在碰撞中上鉸鏈的最大變形量約為32mm，下鉸鏈的最大變形量約為20mm，對于最大變形量的安全限值，一般上鉸鏈小于35mm，下鉸鏈小于25mm。通過對上下鉸鏈最終變形量的分析能判斷在碰撞結(jié)束后車門能否正常開啟，是否會影響乘員逃生，正面碰撞中要求上鉸鏈最終變形量要小于25mm，下鉸鏈小于15mm。在圖9中上鉸鏈最終變形量為22mm，下鉸鏈為13mm。因此符合安全要求。
 
圖9 上下鉸鏈變形量曲線
 5 結(jié)論 
通過對車身結(jié)構(gòu)變形、B柱下端最大加速度、A柱最大折彎角、前圍板侵入量以及前門框上下鉸鏈等指標(biāo)的仿真分析。除前圍板最大侵入量小范圍超出目標(biāo)值外，其余指標(biāo)均在合理安全要求內(nèi)，類比2017年C-NCAP多款同類型車型正面碰撞試驗(yàn)結(jié)果（見圖10），該車試驗(yàn)仿真的試車試驗(yàn)得分應(yīng)該在15分左右，整體耐撞性能為良好。說明此次仿真分析方法具有較高的真實(shí)性和有效性，能為汽車耐撞性研究提供試驗(yàn)支撐。
 
圖10 2017年C-NCAP實(shí)車正面碰撞結(jié)果
來源：期刊--《汽車實(shí)用技術(shù)》 
作者：劉翔，劉俊杰，羅方贊
 
 
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