基于LS-DYNA的微型客車正面碰撞分析

馮蘭芳，夏兆義，何 強(qiáng)，王宏曉，惠延波，邢志偉

(1.河南工業(yè)大學(xué)先進(jìn)制造研究所，河南 鄭州450007;2.律成車輛有限公司，重慶400033)

0 引言

一般地說，所有載人車輛的結(jié)構(gòu)耐撞性，正越來越受到政府、用戶和汽車制造商的重視.若以破壞性的實(shí)車碰撞試驗(yàn)作為客車結(jié)構(gòu)耐撞性設(shè)計(jì)效果評價(jià)依據(jù)，由于其昂貴的費(fèi)用和較長的時(shí)間周期，使得該方法在客車結(jié)構(gòu)耐撞性優(yōu)化設(shè)計(jì)中顯得不太現(xiàn)實(shí)［1］.而運(yùn)用計(jì)算機(jī)模擬碰撞恰好可以彌補(bǔ)這些缺陷，并且能夠在設(shè)計(jì)初期預(yù)測車輛的安全性能，達(dá)到較高的精度，指導(dǎo)車身結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)［2］.

筆者在設(shè)計(jì)的后期對整車正面進(jìn)行碰撞仿真，在碰撞仿真過程中，嚴(yán)格按照CATIA生成的模型，真實(shí)反映了實(shí)車的結(jié)構(gòu)形式.并對碰撞結(jié)果進(jìn)行評價(jià)，最后用實(shí)驗(yàn)的結(jié)果和仿真進(jìn)行比較驗(yàn)證了仿真結(jié)果的正確性.

1 有限元模型的建立

在碰撞過程中主要考慮車身構(gòu)件的吸能特性和為乘員艙提供縱向剛度兩方面因素，經(jīng)過以往試驗(yàn)結(jié)果分析可知，最終確認(rèn)微型客車的前縱梁、前門、前地板和前圍在碰撞中吸收了大部分動(dòng)能，并且也是保證乘員生存空間的主要構(gòu)件，因此這一部分的有限元模型在建立時(shí)其模型和材料特性要更加注意其準(zhǔn)確性.在劃分網(wǎng)格的時(shí)候單元尺寸的大小也會對結(jié)果有所影響，單元尺寸偏大會影響計(jì)算精度.但越小的單元尺寸要求的時(shí)間步長越小，因而導(dǎo)致計(jì)算時(shí)間的增加［3］.所以單元尺寸的大小要選擇合適.本次碰撞網(wǎng)格劃分時(shí)，變形較大或可能失效的部位網(wǎng)格密度較高，而變形較小或者無變形的部位可以采用較大的網(wǎng)格密度尺寸.并且將局部細(xì)小的零件進(jìn)行省略.這樣，不僅減小劃分網(wǎng)格的難度，而且降低了在計(jì)算過程中不必要的時(shí)間浪費(fèi).該車三維模型在CATIA中以IGS格式輸出并且導(dǎo)入前處理軟件HyperMesh中采用板殼單元進(jìn)行網(wǎng)格劃分，最終劃分的網(wǎng)格數(shù)量為822 863個(gè)，其中四邊形數(shù)量為793655.占總數(shù)的96.45%.網(wǎng)格質(zhì)量全部合格.整車有限元模型如圖1所示.

圖1 整車有限元模型Fig.1 Finite element model of vehicle

人的附加質(zhì)量用質(zhì)量點(diǎn)單元模擬，使用剛性單元加載到相應(yīng)總成的安裝處.此外，汽車耐撞性分析是一個(gè)涉及幾何、材料和邊界條件非線性的動(dòng)力學(xué)問題［4］，在整車碰撞模型中，剛性墻定義為剛性材料，其它材料均按照實(shí)際材料的材料特性進(jìn)行定義，然后倒入 LS-DYNA進(jìn)行非線性分析.

2 正面碰撞模擬分析與評價(jià)

在碰撞仿真過程中，整車正面以50 km/h(即13 889 mm/s)的速度沿X軸方向全寬正面碰撞剛性墻，碰撞角即垂直于壁障前表面的直線與車輛縱向行進(jìn)方向線之間的夾角為0°［5］同時(shí)對整車模型施加向下的重力加速度，整車速度時(shí)間歷程曲線如圖2所示，最終碰撞仿真結(jié)果如圖3所示.

2.1 整車變形分析

車身前部的組成部件是正面碰撞中吸收能量的關(guān)鍵部件，其變形模式和吸收能量的多少對整車在碰撞過程中前圍總成和門框的變形情況、人員的傷害程度、各點(diǎn)的加速度時(shí)間歷程的峰值大小和變化情況等有重要影響.整車在碰撞的過程中，在20 ms時(shí)已經(jīng)出現(xiàn)明顯的變形，變形一直持續(xù)到77 ms左右，之后出現(xiàn)反彈.

圖3為碰撞仿真結(jié)果，從圖3可以看出汽車前端發(fā)生了明顯變形，前圍蓋板，左右前翼子板均發(fā)生較大的塑性變形并產(chǎn)生了褶皺.在正面碰撞過程中，前圍板的侵入是造成大腿受到損傷的主要原因，如果侵入過大則可能導(dǎo)致這些部位的傷害程度高于要求.本次仿真前圍板最大侵入量為88.1 mm，起到了很好的吸能效果，又不至于入侵太大.由于微型客車的前部比較短，所以在碰撞的過程中出現(xiàn)了前輪與剛性墻發(fā)生接觸的情況，在碰撞到前輪之前剛性墻率先接觸到前輪罩并使其發(fā)生變形，由此將力傳遞到前門框.整車在碰撞快結(jié)束時(shí)車身后部向上傾斜，這是因?yàn)榕鲎矔r(shí)汽車與剛性墻作用力的合力并未經(jīng)過整車的質(zhì)心，而是低于質(zhì)心所造成的.圖4為碰撞過程中各能量變化時(shí)間歷程曲線，從圖4可以看出，在碰撞過程中的能量變化基本守恒，主要由動(dòng)能、內(nèi)能和沙漏能組成，隨著動(dòng)能減小內(nèi)能逐漸增加.此外沙漏能所占比例在規(guī)定范圍內(nèi)，證明了模型建立的準(zhǔn)確性.

圖4 碰撞過程中各能量變化時(shí)間歷程曲線Fig.4 Time course curve of the energy change in the crash proless

2.2 車門框變形分析

碰撞結(jié)束后對應(yīng)于每排座椅，至少需要有一個(gè)車門能正常打開，在進(jìn)行碰撞仿真的過程中，用多大的作用力可以正常開啟難度非常大，因此，可以通過對車門門框的變形量間接的評價(jià)這項(xiàng)內(nèi)容.在縱向沖擊力的作用下，門框主要承受縱向沖擊力的作用，門框變形主要表現(xiàn)為縱向受壓的狀況.當(dāng)車門框變形量足夠大以至于與車門發(fā)生擠壓，使車門發(fā)生變形，在變形力的作用下會出現(xiàn)門框與車門之間的卡死現(xiàn)象，是導(dǎo)致車門不能正常開啟的主要原因.在本次仿真中，左側(cè)門框變形7.36 mm，右側(cè)門框變形量為5.12 mm，位置均出現(xiàn)在門框下鉸鏈處，整個(gè)駕駛室門框發(fā)生輕微的塑性變形，說明駕駛室門框在碰撞過程中有足夠的強(qiáng)度和剛度，確保車門在碰撞事故后順利打開.

2.3 車架變形分析

車身構(gòu)件在碰撞沖擊載荷作用下，會產(chǎn)生兩種主要的失穩(wěn)變形方式:一種是軸向壓潰變形;另一種是彎曲變形［6］.在正面碰撞中，構(gòu)件以軸向壓潰變形為主，兼有彎曲變形.在壓潰過程中，前縱梁是首當(dāng)其沖的構(gòu)件也是吸能的關(guān)鍵部件，是仿真模擬研究關(guān)注的重點(diǎn)對象之一.車架變形曲線如圖4所示左側(cè)最大壓潰量179 mm，右側(cè)最大壓潰量為169 mm，同時(shí)也可以看出，左右縱梁相對應(yīng)點(diǎn)的時(shí)間歷程曲線和變形程度略有差別，這是因?yàn)樵撥嚨慕Y(jié)構(gòu)并非完全對稱所造成的.從圖5可以看出，左右縱梁吸收了相當(dāng)部分的能量，起到了很好的吸能作用，最大吸能發(fā)生在48 ms左右，前車架最終吸收能量占總能量的48%.前車架吸能比例歷柱曲線如圖6所示，左右縱梁變形如圖7所示.

2.4 加速度分析

在交通事故中，加速度的大小直接影響乘員在碰撞過程中所受載荷的大小，所以它是衡量汽車碰撞性能乘員的受傷程度的重要尺度.要想滿足碰撞法規(guī)試驗(yàn)的要求，從技術(shù)指標(biāo)上來講就是使車體的碰撞變形和乘員的損傷都在一定的限制范圍內(nèi).車體加速度過大則是發(fā)生乘員損傷的重要原因，所以降低車體碰撞加速度是設(shè)計(jì)需要重點(diǎn)考慮的一個(gè)方面，由剛性墻反力曲線可以得到整車加速度曲線，最后得到整車最大減加速度為416.5 m/s2.而B柱下端左右兩側(cè)減加速度大小基本一致峰值分別是470.4 m/s2和431.2 m/s2.B柱右側(cè)下端加速度時(shí)間歷程曲線如圖8所示.

圖8 右B柱減加速度歷程曲線Fig.8 Right B-pillar acceleration course curve

3 試驗(yàn)驗(yàn)證

碰撞仿真是在沒有樣車的情況下進(jìn)行的虛擬試驗(yàn)，如果要得到真實(shí)的結(jié)果還必須要通過樣車試驗(yàn)才能確定是否達(dá)到要求.試驗(yàn)時(shí)在車內(nèi)安裝有已標(biāo)定好的加速度傳感器，以便用于測量車身不同部位的減加速度，同時(shí)在駕駛室前排位置安裝有已標(biāo)定好的試驗(yàn)假人.試驗(yàn)假人的損傷程度也是評判樣車通過與否的重要標(biāo)準(zhǔn)之一.試驗(yàn)中樣車在牽引力的作用下以50 km/h的速度正面全寬撞向剛性墻，與此同時(shí)各傳感器自動(dòng)記錄碰撞過程中各參數(shù)的時(shí)間變化歷程.

圖9為整車碰撞變形圖，由圖9整車碰撞變形圖可以看出，計(jì)算機(jī)仿真結(jié)果和試驗(yàn)結(jié)果變形基本吻合.碰撞后假人無嚴(yán)重?fù)p傷，安全帶無脫落，所有車門、門框變形不大，碰撞后可以正常打開以及時(shí)救生，滿足國家法規(guī)要求.

圖9 整車碰撞變形圖Fig.9 Vehicle crash deformation Figure

4 結(jié)論

從碰撞分析中可以看出，該車前部設(shè)計(jì)軟硬適中.軟適中性主要體現(xiàn)在碰撞發(fā)生時(shí)，碰撞部分發(fā)生的壓潰變形已經(jīng)吸收了足夠的能量，剩余能量也能傳遞到縱梁、立柱等處，這使得整車的減加速度不至于過大，減小了前排駕駛員和乘員的傷害程度.硬適中性主要體現(xiàn)在駕駛室無剛性部件侵入且駕駛室變形沒有擠壓到駕駛員和乘員，符合設(shè)計(jì)原則和安全需要.從計(jì)算機(jī)仿真實(shí)驗(yàn)結(jié)果對比來看，說明計(jì)算機(jī)仿真已經(jīng)有較高的仿真精度，有較高的準(zhǔn)確性.

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