微型客車(chē)車(chē)門(mén)耐撞性的有限元仿真與改進(jìn)

魏守洋，張瑞乾

（北京信息科技大學(xué)機(jī)電工程學(xué)院，北京 100192）

0 引言

汽車(chē)碰撞通常分為正面碰撞、側(cè)面碰撞、后面碰撞、滾翻和車(chē)撞行人等情況，其中側(cè)面碰撞事故約占總數(shù)的28%，但由于側(cè)碰中對(duì)乘員的保護(hù)更加困難，因此人員的死亡率在各種碰撞情況中最高，約占事故死亡總?cè)藬?shù)的34%［1］。汽車(chē)側(cè)碰又可分為側(cè)面壁障碰撞和側(cè)面柱碰兩種情況。由于乘員與車(chē)門(mén)內(nèi)板之間僅存在20～30 mm的距離，一旦受到柱狀物碰撞，乘員將受到強(qiáng)烈沖擊，因而同側(cè)面壁障碰撞相比，側(cè)面柱碰會(huì)對(duì)乘員造成更嚴(yán)重的損傷風(fēng)險(xiǎn)，對(duì)車(chē)門(mén)的耐撞性提出了更高的要求［2］。研究車(chē)門(mén)的耐撞性對(duì)于保護(hù)成員，提高汽車(chē)的被動(dòng)安全性有著非常重要的意義。

本文參考側(cè)碰相關(guān)法規(guī)，應(yīng)用有限元法對(duì)某微型客車(chē)車(chē)門(mén)進(jìn)行碰撞過(guò)程的模擬仿真，分析碰撞結(jié)果。針對(duì)該車(chē)型車(chē)門(mén)耐撞性不足的現(xiàn)象提出改進(jìn)措施，提高了車(chē)門(mén)的抗撞能力。

1 車(chē)門(mén)碰撞有限元模型的建立

車(chē)門(mén)部件由薄鋼板沖壓而成，有限元模型主要采用殼單元建立。該車(chē)門(mén)的CAD模型如圖1所示，主要包括車(chē)門(mén)內(nèi)板、外板、內(nèi)板口部加強(qiáng)板、外板口部加強(qiáng)板、外板支撐板、鉸鏈加強(qiáng)板、門(mén)鎖加強(qiáng)板以及鉸鏈，省略掉了不影響碰撞特性的零件，如內(nèi)飾板、門(mén)把手、玻璃升降器和窗框等。將該模型導(dǎo)入Hypermesh中，提取模型各部件的中面后，為保證網(wǎng)格品質(zhì)，將尺寸較小的圓角和工藝過(guò)孔清理掉，網(wǎng)格尺寸控制在10 mm左右。通過(guò)車(chē)門(mén)厚度方向?yàn)閮牲c(diǎn)積分，求解積分算法選用Belytschko-Tsay算法，該算法能最快速地顯示動(dòng)力學(xué)殼單元，可以兼顧精度與計(jì)算時(shí)間的要求［3］。建好的車(chē)門(mén)有限元模型共包含四邊形單元36 109個(gè)，三角形單元1 545個(gè)，三角形單元所占比例為4.1%，低于5%，滿足計(jì)算要求。

圖1 車(chē)門(mén)部件的CAD模型

車(chē)門(mén)內(nèi)外板通過(guò)包邊工藝連接在一起，為了模擬這種連接方式，在包邊處劃分一排網(wǎng)格，將內(nèi)外板與翻邊處連接的節(jié)點(diǎn)耦合在一起，翻邊處網(wǎng)格的厚度為內(nèi)板的厚度與兩層外板的厚度之和。內(nèi)外板與車(chē)門(mén)內(nèi)部其他零件之間為點(diǎn)焊連接，使用Beam單元焊點(diǎn)模型來(lái)模擬，該焊點(diǎn)模型通過(guò)定義Beam單元的材料屬性來(lái)模擬焊點(diǎn)的應(yīng)力應(yīng)變特性，通過(guò)定義接觸來(lái)連接殼單元與Beam單元，從而使此模型可以模擬焊點(diǎn)的失效行為［4］。

按照GB15743－1995和FMVSS216的規(guī)定，碰撞所用的圓柱體直徑為305 mm，下端高出車(chē)門(mén)最低點(diǎn)127 mm，上端高出窗框下緣13 mm，整體高度為653 mm，圓柱軸線在x方向上的位置與車(chē)門(mén)最低點(diǎn)之上127 mm處沿車(chē)門(mén)外表面所作水平線段的中點(diǎn)對(duì)齊。圓柱體的質(zhì)量為950 kg。車(chē)門(mén)碰撞系統(tǒng)的有限元模型如圖2所示。

圖2 車(chē)門(mén)碰撞系統(tǒng)的有限元模型

車(chē)門(mén)鋼板材料選用LS－DYNA中的24號(hào)彈塑性材料模型（MAT_PIECEWISE_LINER_PLASTICITY）來(lái)模擬，鋼板密度為7.9 g/mm3，彈性模量為2.1 ×105MPa，泊松比為0.3，不同部件所用材料的屈服強(qiáng)度由167 MPa～296 MPa不等，不同牌號(hào)鋼板的應(yīng)力應(yīng)變曲線通過(guò)試驗(yàn)測(cè)得。材料的應(yīng)變率系數(shù)取C=40，P=5。碰撞過(guò)程中圓柱體的變形可以忽略，將其定義為剛性體，材料選用20號(hào)材料模型（MAT_RIGID）來(lái)模擬。

本文只考慮車(chē)門(mén)在碰撞過(guò)程中的變形情況，將車(chē)門(mén)獨(dú)立出來(lái)，模擬其在側(cè)圍中受到的約束情況。車(chē)門(mén)關(guān)閉狀態(tài)受到約束的位置為上下兩個(gè)鉸鏈處、門(mén)鎖處以及整個(gè)車(chē)門(mén)邊框。在有限元模型中約束兩個(gè)鉸鏈部位除繞z軸轉(zhuǎn)動(dòng)自由度之外的其余5個(gè)自由度;約束門(mén)鎖部位y、z方向的平動(dòng)自由度;由于在車(chē)門(mén)受到外物撞擊的瞬間，邊框在y向的位移極小，故將其忽略不計(jì)，約束邊框處y向的平動(dòng)自由度［5］。參考 Euro－ NCAP（Pole Side Impact），在碰撞仿真過(guò)程中圓柱以29.5 km/h的初始速度沿y方向撞擊車(chē)門(mén)外板，碰撞持續(xù)時(shí)間設(shè)為40 ms。根據(jù)殼單元的時(shí)間步長(zhǎng)計(jì)算公式，初始時(shí)間步長(zhǎng)設(shè)為10－6s［6］。

碰撞過(guò)程要考慮各部分的接觸問(wèn)題，車(chē)門(mén)部件之間采用自動(dòng)單面接觸（AUTOMATIC_SINGLE_SURFACE），碰撞圓柱體與車(chē)門(mén)外板間的接觸為自動(dòng)面面接觸（AUTOMATIC_SURFACE_TO_SURFACE），焊點(diǎn)與車(chē)門(mén)部件間的接觸為點(diǎn)焊接觸（CONTACT_SPOTWELD）。接觸界面的動(dòng)靜摩擦系數(shù)均取0.1。沙漏控制類(lèi)型為L(zhǎng)S－DYNA的默認(rèn)標(biāo)準(zhǔn)類(lèi)型，全局剛度系數(shù)取 0.1［3］。

2 碰撞仿真結(jié)果分析

將建好的車(chē)門(mén)碰撞有限元模型導(dǎo)入LS－DYNA中求解，軟件運(yùn)行在一臺(tái)四核4 G內(nèi)存的計(jì)算機(jī)上，總的求解耗時(shí)855 s。系統(tǒng)為保證計(jì)算正常進(jìn)行有時(shí)會(huì)自動(dòng)增加某些部件的質(zhì)量，在本次模擬中計(jì)算增加的質(zhì)量占總質(zhì)量的0.07%，低于5%的允許值。

2.1 系統(tǒng)能量響應(yīng)分析

圖3為車(chē)門(mén)側(cè)面柱碰系統(tǒng)的能量－時(shí)間曲線。圖中能量曲線變化合理，系統(tǒng)總能量守恒，滑移界面能和沙漏能始終保持在較小的范圍內(nèi)，沒(méi)有超過(guò)總能量的5%，說(shuō)明該碰撞模型是可信的。

圖3 系統(tǒng)的能量－時(shí)間變化曲線

在整個(gè)碰撞過(guò)程中，隨著時(shí)間的變化系統(tǒng)動(dòng)能不斷減小，內(nèi)能增加，系統(tǒng)的動(dòng)能大部分轉(zhuǎn)化為內(nèi)能，小部分以聲能、熱能等其他方式耗散出去。由于碰撞圓柱被定義為剛性體，在碰撞過(guò)程中不發(fā)生變形，因此減少的動(dòng)能被車(chē)門(mén)的塑性變形所吸收。最終在第40 ms仿真過(guò)程結(jié)束時(shí)，系統(tǒng)的動(dòng)能和內(nèi)能分別占總能量的78.8%和19.1%。

2.2 車(chē)門(mén)碰撞變形分析

取碰撞過(guò)程中第 10 ms，20 ms，30 ms，40 ms 作為車(chē)門(mén)變形的觀察點(diǎn)，各時(shí)間點(diǎn)車(chē)門(mén)變形情況如圖4所示。

圖4 車(chē)門(mén)碰撞變形圖

從圖中可以看出，在圓柱體與車(chē)門(mén)發(fā)生碰撞的過(guò)程中，車(chē)門(mén)的變形主要集中在與圓柱體發(fā)生接觸的區(qū)域以及車(chē)門(mén)下部。圓柱在碰撞開(kāi)始時(shí)與車(chē)門(mén)外板發(fā)生接觸，10 ms時(shí)外板已有明顯的內(nèi)凹變形;20 ms時(shí)車(chē)門(mén)內(nèi)部空腔被壓縮，內(nèi)板已經(jīng)開(kāi)始變形;30 ms時(shí)車(chē)門(mén)與圓柱的接觸區(qū)域發(fā)生嚴(yán)重的內(nèi)凹，由于邊框受到了y向的約束，車(chē)門(mén)下部在圓柱的擠壓作用下出現(xiàn)與xy平面平行的平臺(tái)，并在周?chē)a(chǎn)生明顯的皺褶，下邊框產(chǎn)生了z向位移;40 ms時(shí)車(chē)門(mén)內(nèi)外板、口部加強(qiáng)板及外板支撐板均產(chǎn)生了嚴(yán)重的失穩(wěn)變形。整個(gè)碰撞過(guò)程沒(méi)有焊點(diǎn)失效的現(xiàn)象發(fā)生。

圖5為40 ms車(chē)門(mén)內(nèi)板y向位移云圖，內(nèi)板的y向變形最大區(qū)域集中在窗框下沿與圓柱體接觸區(qū)域，最大變形量為288.7 mm。在內(nèi)板上靠近窗框中部即變形最大區(qū)域選取ID為181 828的節(jié)點(diǎn)，考察其y向位移隨時(shí)間的變化，如圖6所示。在11 ms左右外板開(kāi)始接觸到內(nèi)板，該節(jié)點(diǎn)開(kāi)始沿y向運(yùn)動(dòng);至24 mm左右時(shí)，由于圓柱下部受到的作用力大于上部，圓柱不僅有沿y向平動(dòng)的速度，同時(shí)上部發(fā)生向車(chē)門(mén)內(nèi)側(cè)的翻轉(zhuǎn)，受此影響，節(jié)點(diǎn)181 828的速度增加，故位移－時(shí)間曲線的斜率變大;至36 ms時(shí)，車(chē)門(mén)下部變形嚴(yán)重，圓柱體受到較大阻力，該節(jié)點(diǎn)的位移增加開(kāi)始變緩。

由上可見(jiàn)，在整個(gè)碰撞過(guò)程中，車(chē)門(mén)變形嚴(yán)重，內(nèi)板的侵入量較大，車(chē)門(mén)不能有效地抵抗圓柱體的碰撞沖擊，口部加強(qiáng)板與外板支撐板的抗撞作用不明顯，車(chē)門(mén)的耐撞性有待提升。

3 改進(jìn)措施

事實(shí)證明，車(chē)門(mén)防撞梁在車(chē)輛撞擊固定物體（如樹(shù)木、電線桿等）時(shí)的保護(hù)效果非常明顯。依據(jù)美國(guó)國(guó)家公路交通安全管理局發(fā)布的數(shù)據(jù)，車(chē)門(mén)防撞梁在2002年拯救了994名事故受害者。因此，為提高該車(chē)門(mén)的耐撞性，在滿足不與車(chē)門(mén)內(nèi)部已有零件（玻璃升降器、玻璃導(dǎo)軌等）干涉的情況下為其設(shè)計(jì)防撞梁，如圖7所示。防撞梁的截面形狀為管狀，長(zhǎng)度為733 mm，直徑26 mm，壁厚3 mm，通過(guò)兩端的支架與車(chē)門(mén)內(nèi)板焊接在一起。防撞梁材料選用16 MnAL，屈服強(qiáng)度為1 150 MPa。安裝防撞梁后車(chē)門(mén)質(zhì)量增加1.6 kg。

圖7 防撞梁的布置形式

改進(jìn)后的車(chē)門(mén)內(nèi)板40 ms時(shí)的y向位移云圖如圖8所示，最大位移從288.7 mm 降至275.3 mm，減小了13.4 mm。對(duì)比圖9節(jié)點(diǎn)181828改進(jìn)前后的y向位移－時(shí)間變化曲線，可以看出改進(jìn)后該節(jié)點(diǎn)的位移量在25 ms之后較改進(jìn)之前有所降低，40 ms時(shí)的位移從259 mm降至252 mm。這表明增加防撞梁可以有效改善碰撞發(fā)生時(shí)車(chē)門(mén)的侵入量。

圖8 改進(jìn)后車(chē)門(mén)內(nèi)板y向位移云圖

圖10為改進(jìn)前后系統(tǒng)內(nèi)能－時(shí)間曲線的比較，可以看出增加防撞梁之后，車(chē)門(mén)吸收的能量增加了約32%，這說(shuō)明防撞梁在碰撞過(guò)程中起到關(guān)鍵性的作用，是車(chē)門(mén)上的主要吸能部件。在車(chē)門(mén)內(nèi)部布置防撞梁盡管會(huì)使車(chē)門(mén)質(zhì)量和生產(chǎn)成本增加，但是能有效地降低發(fā)生碰撞后車(chē)內(nèi)乘員傷害，對(duì)提高車(chē)輛的被動(dòng)安全性有著非常積極的意義。

4 結(jié)語(yǔ)

利用Hypermesh軟件建立了微型客車(chē)車(chē)門(mén)碰撞模型，利用LS－DYNA對(duì)該碰撞模型求解，并對(duì)碰撞結(jié)果進(jìn)行分析。針對(duì)分析結(jié)果中存在的車(chē)門(mén)耐撞性不足現(xiàn)象提出改進(jìn)措施，在車(chē)門(mén)內(nèi)布置防撞梁。通過(guò)改進(jìn)前后的對(duì)比分析，得出高強(qiáng)度合金鋼防撞梁在碰撞時(shí)吸能效果明顯，可以有效地提高車(chē)門(mén)的碰撞安全性。

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