應變率對車頂壓潰仿真試驗的影響

張學榮，梁 壯，黃 碩

(江蘇大學 汽車與交通工程學院， 江蘇 鎮(zhèn)江 212013)

根據(jù)美國高速公路管理局(NHTSA)網(wǎng)站數(shù)據(jù)顯示：2012年翻滾事故的發(fā)生率只有2.1%，但是翻滾事故引起的乘員死亡率卻高達35%；僅在2010年就有超過7 600人在翻滾事故中失去了寶貴的生命。最近幾年，國內(nèi)掀起一股SUV熱潮，高重心SUV數(shù)量的增加必然引起翻滾事故的增多。在國內(nèi)，翻滾事故的重要性還沒有引起足夠的重視，當前中國汽車耐撞性研究的熱點集中在正面碰撞、側面碰撞以及追尾碰撞的仿真與優(yōu)化設計上,也開展了事故防護的計算機仿真研究[1]。目前對翻滾僅做了一些嘗試性的研究，而且C-NCAP尚未制定強制性的法規(guī)和傷害標準。車頂變形程度對翻滾過程中的乘員傷害有著重要的影響[2]。翻滾時車頂受沖擊載荷作用發(fā)生大變形并侵入乘客室,使乘員生存空間變小,易對乘員造成傷害。大量研究表明,車頂強度偏弱是引起乘員頭部和頸部受傷的直接原因[3-4]。本文基于FMVSS216法案的車頂靜態(tài)壓潰試驗，以某車型為基礎，利用MADYMO軟件建立多剛體有限元仿真模型，對車頂變形以及翻滾過程中的應力關系進行研究。

1 車頂靜態(tài)壓潰試驗仿真模型的建立

FMVSS216法案中對車頂靜態(tài)壓潰試驗有著嚴格的標準。利用MADYMO軟件建立車頂靜態(tài)壓潰有限元模型，根據(jù)實車尺寸建立汽車白車身整體結構、車頂鋼板和車底約束模型。模型建立步驟如下：

① 將整車模型進行簡化，導入Hypermesh進行網(wǎng)格劃分；

② 根據(jù)法規(guī)建立車頂壓潰鋼板；

③ 將已經(jīng)劃分好的網(wǎng)格模型導入到MADYMO中，建立車頂靜態(tài)壓潰模型。

1.1 車體模型的簡化

在FMVSS216法案中，試驗臺車包括白車身、車頂靜態(tài)壓潰鋼板等部件。簡化對車頂靜態(tài)壓潰沒有影響的部分。圖1為簡化后的車體三維模型。

將簡化后的三維模型導入到Hypermesh軟件進行進一步的簡化和網(wǎng)格劃分：① 去除不利于網(wǎng)格處理的部分的幾何特征，減小網(wǎng)格劃分的錯誤提高網(wǎng)格質(zhì)量；② 刪除零部件連接的螺栓、銷連接、彈簧、車門鉸鏈和不同部件之間的鉸結；③ 利用殼單元網(wǎng)格和四面體實體單元網(wǎng)格模擬汽車相應部件；④ 檢查網(wǎng)格連續(xù)性、是否存在穿透等，檢查網(wǎng)格質(zhì)量，包括翹曲、雅可比、最小邊長等;⑤ 實體四面體網(wǎng)格采用填充模式。劃分網(wǎng)格后的簡化模型如圖2所示。

圖1 簡化后的車體三維模型

圖2 簡化后的網(wǎng)格模型

1.2 靜態(tài)壓潰車頂鋼板的有限元模型

利用Hypermesh軟件建立如圖3所示車頂鋼板模型，并進行網(wǎng)格劃分，鋼板長1 829 mm，寬 762 mm。

圖3 鋼板有限元模型

1.3 車體仿真模型的搭建

在MADYMO環(huán)境下搭建車頂靜態(tài)壓潰試驗模型。在車頂鋼板沿著鋼板垂線下壓過程中，車架底部剛性水平面起到支撐和固定車架的作用[5-6]。

1) 約束副車架和底部支架接觸部分的節(jié)點，模擬對車架底部的固定。具體約束如圖4所示。

2) 本次仿真針對變性較大的PART設置材料的應力應變特性曲線，主要材料參數(shù)如表1所示。每個部件的應力應變特性是不同的，A柱材料的應力應變曲線如圖5所示。

3) 定義車體在變形過程中的不同部分之間的接觸。

4) 對車體施加重力。空運行模型，檢查并修正錯誤，保證模型的設置正確并且能正常地運行。

有限元車體仿真模型如圖6所示。

圖4 車架底部約束

表1 關鍵部分的材料參數(shù)

圖5 A柱材料的應力應變曲線

1.4 車頂靜態(tài)壓潰仿真試驗

根據(jù)FMVSS216法案，調(diào)整頂壓鋼板的初始位置和角度。仿真開始時刻，模型的初始位置應與法案中的要求保持一致。將頂壓鋼板移動到駕駛員一側，并施加25°的側傾角和5°的前傾角。為減少仿真計算時間，使頂壓鋼板盡量與駕駛員側車頂貼合。車頂靜態(tài)壓潰模型見圖7。

圖6 有限元車體仿真模型

圖7 車頂靜態(tài)壓潰模型

2 車頂變形的仿真分析

翻滾事故和傳統(tǒng)意義上的交通事故的碰撞形式有所不同，由于前廂和后廂的緩沖吸能作用，大部分的傳統(tǒng)碰撞形式很難侵入到乘員的生存空間。然而翻滾事故引起的車頂入侵卻很容易引起乘員頭部生存空間的減小，乘員艙生存空間不足是引起翻滾事故高死亡率的主要原因[7]。因此，必然要對翻滾碰撞中車頂變形和強度進行研究。

2.1 車體變形分析

打開分析結果，查看隨著鋼板從0 mm位置下壓至153 mm位置處的車頂變形效果。為了方便查看具體變形狀態(tài)，分別查看鋼板在0 mm位移、80 mm位移和153 mm位移情況下的車頂變形圖。不同鋼板位移量對應的車頂變形如圖8所示。

圖8 車頂變形對比

由圖8可知：隨著鋼板的下壓，車頂從與鋼板接觸點開始發(fā)生壓陷變形并慢慢地向A柱和B柱的方向上擴大，主要變形區(qū)域集中在車頂和鋼板接觸的部分。除A柱、B柱、C柱和車頂外，車身的主體部分并沒發(fā)生明顯的變形，底盤部分甚至沒有發(fā)生位移。這個結論也可以為相關翻滾試驗仿真模型中對于底盤和玻璃以下的一些車體部分采用剛性體設置提供依據(jù)。

在進行試驗時，主要受力部件是A柱、B柱、零件形狀急劇變化處和車頂部分。這些應力集中的地方是容易造成破壞的區(qū)域，因此改變A柱、B柱和車頂?shù)牟牧弦约颁摪搴穸?，同時將缺口、拐角和溝槽等橫截面急劇變化的地方盡量平滑地過渡，能增加車頂在翻滾碰撞時的強度，減小車頂變形量和車體的破壞等級，從而為乘員留下更大的生存空間。另外，可以在車頂與地面接觸部分的鋼板之間增加一些緩沖材料，緩沖車體和地面接觸時候的沖擊，吸收翻滾碰撞的能量。當然根據(jù)現(xiàn)有的研究和相關的試驗結果，在實際翻滾碰撞事故中，車頂?shù)娜肭至勘痊F(xiàn)在的153 mm大得多。

2.2 車頂支持力侵入量關系曲線

為進一步研究壓潰過程中的車頂強度變化，本文用頂壓鋼板的受力反映車頂提供的支持力。在仿真模型中首先將頂壓鋼板的速度設定為法規(guī)規(guī)定速度13 mm/s進行仿真，車頂?shù)闹С至η秩肓壳€如圖9所示。

圖9 車頂支持力侵入量曲線

由仿真結果可知：在發(fā)生一定量的位移之前車頂支持力隨著車頂侵入量的增加呈上升趨勢。在車頂入侵量達到0.1 m以后，盡管位移量還繼續(xù)增加，車頂所提供的支持力雖然有少許波動，但是基本維持在一定范圍內(nèi)。

3 考慮應變率情況下的車頂支持力與侵入量的關系

3.1 應變率效應理論

車體大部分是薄板沖壓件，在動載作用下薄板結構具有不同的力學特性。在不同加載速度下，很多薄板金屬材料的屈服極限有很大的改變，屈服極限的出現(xiàn)時間也不同。本文進行車頂靜態(tài)壓潰變形仿真主要是為了研究翻滾碰撞情況下車頂在和地面碰撞變形過程中的力學特性。車頂靜態(tài)壓潰試驗雖然是準靜態(tài)試驗，但是在真正的翻滾碰撞中，不同的初始速度、碰撞角度等條件下，車頂載荷是絕對不同的，因而在研究翻滾碰撞中必然要研究應變率和壓潰速度的影響。

應變率效應理論均來自于試驗。在試驗基礎上已經(jīng)建立的理論大致分為應力理論、黏塑性理論和擬線性本構關系理論。在MADYMO軟件中，材料的應變率特性現(xiàn)有3種研究方法：

1) Cowper-Symonds方法

Cowper-Symonds應變率被定義為式(1)。

(1)

其中：g是放大的加載/卸載曲線；c1是加載/卸載曲線給出的應變率；c2是線性放大系數(shù)。

2) Johnson-Cook方法

Johnson-Cook應變率被定義為式(2)。

(2)

其中：g是放大的加載/卸載曲線；c1是應變率加載/卸載曲線給出的應變率；c2是線性放大系數(shù)。

3) 縮放系數(shù)和應變率關系曲線方法

定義應變率放大系數(shù)和應力應變加載卸載關系。

基于以上理論，考慮應變率在碰撞仿真中的影響，在MADYMO軟件中進行應變率參數(shù)設置。本文所用的是Cowper-Symonds方法。根據(jù)車頂材料查詢得應變率系數(shù)C值為8 000、P值為8。在考慮應變率影響的情況下，分別得到法規(guī)速度的500倍和法規(guī)速度的250倍以及FMVSS208法案規(guī)定速度3種情況下頂壓鋼板的受力隨位移變化的關系曲線。

3.2 考慮應變率情況下車頂支持力侵入量變化關系曲線分析

圖10為考慮應變率情況的下壓鋼板不同速度的車頂支持力隨侵入量變化關系曲線。

圖10 下壓鋼板不同速度的車頂支持力侵入量曲線對比

由圖10中的數(shù)據(jù)對比可以看出：在不同壓潰速度情況下，對于同樣的車頂侵入量(鋼板下壓的位移量)車頂所能提供的支持力有著很大的差別。在一定程度上，壓潰速度越快，鋼板下壓同樣的位移車頂所能提供的支持力越大。同時可以發(fā)現(xiàn)：鋼板在一定位移量之前，壓潰速度越快，曲線的斜率越大，即鋼板下壓相同的位移量，壓潰的速度越快，車頂支持力增加得越大。由此可以得出結論：在一定范圍內(nèi)車頂支持力侵入量對壓潰速度的變化較為敏感。

本次仿真研究可以為車頂靜態(tài)壓潰仿真的相關研究提供借鑒，因為在實際翻滾碰撞中，地面對車頂?shù)膲簼⑺俣炔皇菧熟o態(tài)的而是動態(tài)變化的。因此，不管在研究車頂變形還是研究乘員在翻滾過程中的運動姿態(tài)以及如何擴大乘員在翻滾過程中的生存空間時，都有必要考慮地面對于車頂在不同壓潰速度下的情況。

查看圖10中500倍速下壓情況下的車頂支持力侵入量曲線可見：侵入量在從0～0.06 m的范圍內(nèi)，隨著侵入量的增加車頂所能提供的支持力幾乎沿著直線向上快速增加；當侵入量達到0.06 m之后，隨著侵入量繼續(xù)增加，車頂所能提供的支持力開始有所下降；侵入量達到0.08 m以后車頂提供的支持力不再繼續(xù)下降并且開始隨著侵入量的變大繼續(xù)增加；在侵入量達到0.12 m的時候車頂支持力達到峰值33 106.3 N，然后又開始有所下降。同時發(fā)現(xiàn)：不管是高速(500倍法規(guī)速度)還是250倍法規(guī)速度以及低速(法規(guī)速度)，當侵入量達到0.12以后，車頂提供的支持力將在一定范圍內(nèi)保持穩(wěn)定。雖然鋼板下壓位移量繼續(xù)增大但是車頂提供的支持力沒有大幅度變化。盡管在實際翻滾過程中，車頂和地面碰撞角度和車頂壓潰速度會有所差別，本次試驗可以認為體現(xiàn)了車體在翻滾過程中車頂和地面接觸的力學特性。因此，以上曲線對于翻滾事故的研究，特別是在考慮車頂變形的情況下車體運動狀態(tài)甚至是車內(nèi)乘員的運動狀態(tài)和乘員傷害的研究有著重要意義。

4 結論

1) 參照FMVSS216法案建立車頂靜態(tài)壓潰試驗有限元模型并仿真，研究表明：在壓潰過程中主要受力部件是A柱、B柱、零件形狀急劇變化處和車頂部分。

2) 車頂支持力隨著車頂侵入量的增加呈上升趨勢。在車頂入侵量達到一定程度后，車頂所能提供的支持力雖然有少許波動但是基本維持穩(wěn)定。

3) 利用應變率效應理論，通過試驗發(fā)現(xiàn)不同壓潰速度對車頂支持力與侵入量影響較大。

4) 實際翻滾過程中情況會比本次仿真復雜，因此對車頂壓潰的進一步研究可以繼續(xù)考慮車頂入侵量增大情況下的變形和應力關系。

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