某轎車側(cè)碰性能的有限元分析與試驗研究

李洪力，趙官，韓陽，王璐璐，姬園

（海馬轎車有限公司，鄭州 450016）

某轎車側(cè)碰性能的有限元分析與試驗研究

李洪力，趙官，韓陽，王璐璐，姬園

（海馬轎車有限公司，鄭州 450016）

本文以某純電動轎車為研究對象，對其進(jìn)行有限元分析，并利用整車碰撞試驗對有限元模型進(jìn)行驗證。進(jìn)一步，利用有限元應(yīng)力云圖的分布特征，對整車結(jié)構(gòu)進(jìn)行優(yōu)化。有限元分析結(jié)果表明：在側(cè)碰過程中，車體變形模式基本合理；電池箱頂部靠近中央通道與座椅橫梁搭接以及電池箱靠近B柱底部處發(fā)生擠壓變形，等效塑性應(yīng)變值最大為0.024，未對電池造成較大威脅；在B柱中部區(qū)域絕對侵入速度為6.8m/s，最大相對侵入量為98.5mm，滿足設(shè)計相關(guān)指標(biāo)要求。通過有限元分析和試驗兩種方法對比發(fā)現(xiàn)，碰撞后的有限元模型和試驗車具有相似的變形模式。從而驗證了仿真分析的準(zhǔn)確性。如果想進(jìn)一步提高整車的側(cè)碰性能，可以結(jié)合應(yīng)力云圖，對車身結(jié)構(gòu)繼續(xù)優(yōu)化。

碰撞；有限元；侵入量；應(yīng)力云圖

李洪力

畢業(yè)于太原理工大學(xué)材料科學(xué)與工程學(xué)院，碩士學(xué)位，現(xiàn)任海馬轎車有限公司電動汽車事業(yè)部車身研發(fā)工程師，主要研究方向新能源汽車車身及開閉件設(shè)計，已發(fā)表論文《限制模壓變形法對6061鋁合金組織和性能的影響》等6篇。

隨著汽車工業(yè)的發(fā)展，人們對汽車碰撞安全性的要求越來越高。汽車碰撞安全性，尤其是碰撞的安全性是作為汽車安全性能的一個重要方面，受到人們的高度重視。汽車碰撞性能的提高，有助于降低安全事故造成的經(jīng)濟(jì)損失，使乘客和駕駛員的生命安全得到保障。城市道路交叉路口，混合交通現(xiàn)象嚴(yán)重，造成汽車側(cè)面碰撞的事故發(fā)生率最高。從2000 年中華人民共和國道路交通事故統(tǒng)計資料顯示：正面碰撞事故12.852 萬次，占交通事故的20.83%，側(cè)面碰撞事故21.2292萬次，占34.41%，超過了正面碰撞13.58%［1］。側(cè)面碰撞是我國發(fā)生頻次較高的交通事故。由此可見，提高汽車側(cè)面碰撞性能，具有重大意義。

本人利用某純電動轎車建立有限元模型，進(jìn)行有限元分析，得到側(cè)碰仿真能量曲線、車身側(cè)面結(jié)構(gòu)的應(yīng)力云圖、電池箱的應(yīng)力云圖及B柱各測點(diǎn)侵入量及侵入速度圖。并利用實(shí)車側(cè)碰試驗進(jìn)行了驗證。利用有限元分析和試驗兩種方法驗證車身的安全性能，對車身結(jié)構(gòu)耐撞性的設(shè)計具有重要意義。如果需要進(jìn)一步提高整車的側(cè)碰性能，可以結(jié)合有限元分析，對整車進(jìn)行優(yōu)化［2］。

1　試驗方法

1.1整車有限元模型的建立

本文以某純電動轎車為研究對象，建立有限元模型，并對整車的側(cè)碰性能進(jìn)行有限元分析。在有限元模型中，需要考慮到純電動轎車的特殊性，即側(cè)碰使用的整車為安裝電池箱后的整車。整車有限元的信息如下表1所示：

表1　整車信息表

從側(cè)圍材料示意圖1可以看出，此車型縱梁、門檻梁、B柱及其加強(qiáng)板等結(jié)構(gòu)件采用高強(qiáng)鋼B410LA及B280VK，良好的材料性能保證了車身的強(qiáng)度。從電池箱框架材料示意圖2可以看出，電池箱框架采用高強(qiáng)鋼HC340/590DP，保證了電池箱的強(qiáng)度。最終建立的有限元碰撞模型如圖3所示：

1.2碰撞試驗方法

實(shí)車側(cè)撞試驗依據(jù)GB 20071-2006用牽引裝置將移動壁障加速至50Km/h±1Km/h進(jìn)行碰撞車身左側(cè)，車輛駕駛員位置放置ES-Ⅱ假人。試驗主要通過傳感器檢測假人的傷害值，要求試驗過程中車門不得開啟，前門的鎖止系統(tǒng)不得發(fā)生鎖止，試驗后不使用工具，能打開足夠數(shù)量的門，同時將假人從約束系統(tǒng)解脫，并完好地取出假人［3］。碰撞前的試驗車如下圖4所示：

2　整車碰撞有限元分析

2.1仿真能量曲線

總體能量響應(yīng)曲線是評估車身碰撞性能的指標(biāo)，如圖5所示，碰撞前后總能量為9.26e7，基本維持恒定，沙漏能和滑移界面能很小，最大值也不超過總能量的5%。

由此說明，有限元分析的過程中，網(wǎng)格的建立、模型的匹配及各種求解的設(shè)置都是合理的，所建立的有限元模型是可靠和有效的。從圖中還可以看出，各能量曲線過渡平滑，趨勢正常，滿足分析要求。模型的動能和內(nèi)能構(gòu)成合理，呈現(xiàn)出“此消彼長”的趨勢，說明從能量轉(zhuǎn)換角度來說，模型的總能量基本不變，在碰撞的過程的，模型的內(nèi)容在增加、動能在減小，碰撞的過程是動能轉(zhuǎn)化成內(nèi)能的過程［4-5］。

2.2車身側(cè)面結(jié)構(gòu)變形圖

從碰撞后的有限元模型圖6及側(cè)圍應(yīng)力云圖7可以看出，整體變形模式達(dá)到預(yù)期要求，車體側(cè)面結(jié)構(gòu)變形合理；B柱和門檻梁變形合理，未發(fā)生明顯彎折變形。由于前后門、B柱、門檻及地板橫梁是承受側(cè)碰的主體，整體結(jié)構(gòu)及材料匹配相對合理，傳力路徑對側(cè)碰壁障沖擊力的分解到位［6］。B柱、門檻變形合理，地板橫梁組成的框架沒有發(fā)生明顯變形，有效的保護(hù)駕駛員艙內(nèi)空間。

2.3電池箱變形圖

從對電動汽車來說，電池的安全是汽車安全的一個重要方面。電動汽車的特點(diǎn)要求我們在側(cè)碰的時候，要事先考慮側(cè)碰對電池箱的影響。為了保證了電池箱的強(qiáng)度，電池箱框架采用高強(qiáng)鋼HC340/590DP。從電池箱應(yīng)力云圖8可以看出，側(cè)面碰撞中，電池箱頂部靠近中央通道與座椅橫梁搭接以及電池箱靠近B柱底部處發(fā)生擠壓變形，等效塑性應(yīng)變最大為0.024，碰撞過程未對電池造成較大威脅。

2.4B柱各輸出點(diǎn)侵入速度

B柱的強(qiáng)度決定B柱的變形模式，從而造成碰撞時B柱各部位的侵入量和侵入速度不同。對于整車來說，汽車發(fā)生側(cè)面碰撞時乘員的損傷程度受到B柱變形的影響。B 柱過硬或過軟都會對乘員產(chǎn)生不利的影響。因為B 柱過硬，能量不能通過車身和變形移動壁來很好地吸收，能量迅速轉(zhuǎn)移到乘員身上，對乘員造成傷害； 相反，B 柱過軟，碰撞時B 柱變形過大，對車內(nèi)乘員造成更大的傷害。所以合理的侵入量和侵入速度能有效的保護(hù)乘員，從而有效改善側(cè)面碰撞性能。

選取B柱7個典型點(diǎn)研究B柱各區(qū)域侵入量和侵入速度的變化規(guī)律，如典型點(diǎn)的侵入速度圖9及典型點(diǎn)的侵入量圖10所示，測量點(diǎn)1為B柱上測點(diǎn)；測量點(diǎn)2為B柱中上測點(diǎn)；3、4為B柱中測點(diǎn)；5、6為B柱中下測點(diǎn)；7為B柱下測點(diǎn)。從圖中所示：在測量點(diǎn)1（B柱上測點(diǎn)）侵入速度為6.9，侵入量為32.5mm，受到側(cè)圍上橫梁的約束，侵入量較小。在測量點(diǎn)4（B柱中測點(diǎn)）侵入速度為6.8，侵入量為98.5mm，離約束點(diǎn)較遠(yuǎn)，B柱變形嚴(yán)重，侵入量較大。在測量點(diǎn)7（B柱下測點(diǎn)）侵入速度為6.2，侵入量為34.2mm，受到側(cè)圍下橫梁的約束，侵入量較小?？偟膩碚f，B柱各輸出點(diǎn)侵入量最大值均小于100mm，侵入速度均小于7.5m/s，滿足國家標(biāo)準(zhǔn)；測量點(diǎn)4區(qū)域為侵入量最大的區(qū)域，從點(diǎn)4的位移圖像可以看出，在（0-0.065）s內(nèi)，隨著碰撞的進(jìn)行，侵入量增大，并達(dá)到最大值98.5mm，在（0.065-0.12）s是后碰撞階段，由于車身結(jié)構(gòu)的回彈，侵入量減小，并在76.3mm的時候達(dá)到穩(wěn)定。說明本車型具有合理的侵入量和侵入速度。

表2　典型點(diǎn)的侵入速度和侵入量

3　有限元與試驗結(jié)果對比

從碰撞后有限元分析的模型（圖5）及碰撞后的實(shí)車（圖11）所示，可以看出，有限元分析和試驗的結(jié)構(gòu)都呈現(xiàn)出前后門變形，車體側(cè)面結(jié)構(gòu)變形合理；B柱和門檻梁變形合理，未發(fā)生明顯彎折變形等相似的特征，說明有限元方法和試驗方法的具有較好的一致性。因此，可以基于此有限元模型進(jìn)行相關(guān)的仿真及優(yōu)化。

4　利用位移云圖能優(yōu)化車身結(jié)構(gòu)

從試驗結(jié)果來看，該車滿足國家關(guān)于側(cè)碰的相關(guān)要求，為了進(jìn)一步提高側(cè)碰能力，可以進(jìn)一步對部分區(qū)域進(jìn)行優(yōu)化。從車身側(cè)面結(jié)構(gòu)變形圖看出，碰撞后側(cè)圍與前圍搭接處、B柱下部、側(cè)圍與后輪罩外板搭接處及門檻梁處應(yīng)力較大，可以對此處進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計，從電池箱變形圖可以看出，電池箱靠近B柱底部處發(fā)生擠壓變形，等效塑性應(yīng)變最大為0.024，可以對此處進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計［7］。

5　結(jié)論

（1）碰撞前后總能量為9.26e7，基本維持恒定，沙漏能和滑移界面能很小，最大值也不超過總能量的5%，說明，有限元分析的過程中，網(wǎng)格的建立、模型的匹配及各種求解的設(shè)置都是合理的，所建立的有限元模型是可靠和有效的。

（2）對選取B柱相關(guān)典型點(diǎn)進(jìn)行分析，中下部相對應(yīng)假人骨盤區(qū)域為侵入量最大的區(qū)域，最大侵入量為98.5mm。從位移-時間圖像可以看出在（0-0.065）s內(nèi)，隨著碰撞的進(jìn)行，侵入量增大，并達(dá)到最大值98.5mm，在（0.065-0.12）s是后碰撞階段，由于車身結(jié)構(gòu)的回彈，侵入量減小，并在76.3mm的時候達(dá)到穩(wěn)定。說明本車型具有合理的侵入量和侵入速度。

（3）側(cè)面碰撞中，電池箱頂部靠近中央通道與座椅橫梁側(cè)面碰撞中，電池箱頂部靠近中央通道與座椅橫梁搭接以及電池箱近B柱底部處發(fā)生擠壓變形，等效塑性應(yīng)變最大為0.024，碰撞過程未對電池箱造成較大威脅。

（4）有限元分析碰撞后模型和試驗碰撞后的樣車可以看出，有限元分析和試驗的結(jié)構(gòu)都呈現(xiàn)出前后門變形，車體側(cè)面結(jié)構(gòu)變形合理；B柱和門檻梁變形合理，未發(fā)生明顯彎折變形等相似的特征，說明有限元方法和試驗方法的具有較好的一致性，可以基于此模型進(jìn)行相關(guān)的結(jié)構(gòu)優(yōu)化。

［1］中華人民共和國道路交通事故統(tǒng)計資料匯編（2000）.北京： 公安部交通管理局，2000.

［2］蘇成謙.呂振華.張群.Su Chengqian.Lü Zhenhua.Zhang Qun 轎車車身結(jié)構(gòu)側(cè)向耐撞性的有限元分析［J］--汽車工程2007，29（11）.

［3］鄒俊.桂良進(jìn).范子杰.Zou Jun.Gui Liangjin.Fan Zijie燃料電池城市客車側(cè)面碰撞有限元分析［J］--汽車技術(shù)2009（4）.

［4］K. Watanabe， M. Tachhibana. Vehicle side structure concept using ultra high strength steel and rollforming technology［J］. SAE Paper，2006（ 1 ） ： 1403.

［5］Tylko1 S， Germanl A， Dalmotas D， et al. Improving side impact rotection：Response of the ES - 2RE and worldsid in a proposed harmonized pole test［ C］. IRCOBI conference paper. Madrid， 2006. 213 - 224 .

［6］吳毅.朱平.張宇.SUV車側(cè)面碰撞安全性仿真研究［J］-機(jī)械制造 2006（07）.

［7］LIN C H . Modeling and simulat ion of van f or side impact sensingtests ［ C ］/ /T he 20th Internat ional Technical Conf erence on the Enhanced Saf et y of Vehicles Proceedings. Lyon， France： 2007： 8-21.

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陳濤：

文章對電動汽車側(cè)面碰撞安全性進(jìn)行了分析，結(jié)果顯示該車滿足碰撞法規(guī)要求。文章采用的分析方法正確，評價合理。

Modal Finite-element Analysis and Testing of a Certain Body-in-White

LI Hong-li， ZHAO Guan， HAN Yang ， WANG Lu-lu， Ji Yuan
（Haima Automobile Group Co.，Ltd， Zhengzhou 450016， China）

The electric vehicles was investigated.Finite element analysis was used get the model of collision and tested by experimentation.Furthermore，Using stress map optimize the structure of vehicle.The finite element analysis results show：the deformation is reasonable in the collision process.The battery box near the central channel and seat beam were squeezed and the maximum equivalent plastic strain is 0.024.This plastic strain was not a significant threat to the battery box.The maximal speed of invasion of B column is 6.8m/s and the inbreak quantity is 98.5mm which is the maximum value of the B column. The result ofcollision characteristics between the finite element analysis and experimental findings were similar.The result of the experiment proves the correctness of the established model.Stress map can further improve the vehicle side collision performance and Optimize the structure of vehicle.

Collision； The finite element analysis； The inbreak quantity； Stress map

U467.13

A

1005-2550（2015）04-0025-05

10.3969/j.issn.1005-2550.2015.04.006

2015-03-20