某乘用車正面偏置碰撞仿真分析及其優(yōu)化對(duì)策研究

王磊，楊瑞，趙強(qiáng)

(東北林業(yè)大學(xué) 交通學(xué)院，哈爾濱 150040)

某乘用車正面偏置碰撞仿真分析及其優(yōu)化對(duì)策研究

王磊，楊瑞*，趙強(qiáng)

(東北林業(yè)大學(xué) 交通學(xué)院，哈爾濱 150040)

利用CAE有限元仿真分析法，在某乘用車的幾何模型基礎(chǔ)之上，利用LS-DYNA軟件建立偏置碰撞試驗(yàn)仿真模型，對(duì)模型進(jìn)行仿真求解，并對(duì)仿真結(jié)果進(jìn)行分析，根據(jù)仿真結(jié)果分析得出前縱梁結(jié)構(gòu)存在的問題，進(jìn)而對(duì)前縱梁結(jié)構(gòu)進(jìn)行改進(jìn)，使其達(dá)到C-NCAP標(biāo)準(zhǔn)。通過對(duì)試驗(yàn)結(jié)果中前圍板侵入量和車身加速度的比較，進(jìn)行改進(jìn)后的有效性分析；針對(duì)前縱梁結(jié)構(gòu)改進(jìn)的方案，運(yùn)用3K全因子試驗(yàn)設(shè)計(jì)法，分別對(duì)前縱梁選取3種不同的材料及料厚對(duì)其進(jìn)行二次全因子優(yōu)化，重新進(jìn)行碰撞仿真運(yùn)算，通過比較9組試驗(yàn)的車身加速度峰值，選出車身加速度峰值最小的一組為最優(yōu)方案。結(jié)果顯示：材料選取B550L，厚度為1.5 mm的前縱梁，吸收碰撞能量的效果是九組試驗(yàn)組合中最好的，可以有效地提升汽車的被動(dòng)安全性能。

有限元；偏置碰撞；結(jié)構(gòu)優(yōu)化

0 引言

近年來，由于汽車保有量持續(xù)增長(zhǎng)，給交通運(yùn)輸環(huán)境帶來了前所未有的壓力。每年大大小小的交通事故屢見不鮮。我國(guó)2015年全年各類生產(chǎn)安全事故造成的死亡人數(shù)中，交通事故約占54%[1]。在交通事故中汽車的被動(dòng)安全性能的好壞直接關(guān)系到乘員所受到的傷害程度，為此，對(duì)于汽車被動(dòng)安全性的研究就顯得尤為重要。

在交通事故中，汽車發(fā)生碰撞的形式可歸納為以下幾種：正面碰撞、側(cè)面碰撞、追尾及翻滾等。在所有的交通事故中，最主要的發(fā)生形式就是來自于正面的碰撞，而偏置碰撞作為正碰的一種特殊形式，在所有正面碰撞事故中占有最高的比例。據(jù)統(tǒng)計(jì)顯示，在碰撞事故中，車輛與碰撞物的重疊率(簡(jiǎn)稱為重疊率)為30%～40%，車內(nèi)乘員的受傷率最高，40%正面偏置碰撞仿真試驗(yàn)恰恰能夠較好地模擬重疊率為30%～40%的交通事故[2-4]。進(jìn)行汽車正面偏置碰撞安全性的研究，對(duì)減輕交通事故中人員的傷害具有非常重要的意義。

在車型開發(fā)過程中，車體的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)是車輛安全的基礎(chǔ)。本文基于碰撞仿真技術(shù)對(duì)某車型 64 km/h偏置碰撞性能進(jìn)行分析與評(píng)估，提出優(yōu)化方法，切實(shí)可行地提升了整車的偏置碰撞安全性能。

1 有限元模型的建立

有限元模型的建立過程主要分為以下幾個(gè)步驟，首先，以ANSA作為幾何模型的前處理軟件，分別對(duì)原始模型進(jìn)行幾何清理、抽中面與網(wǎng)格的劃分；然后，利用LS-DYNA軟件對(duì)模型進(jìn)行連接定義、建立材料屬性、設(shè)置初始條件和邊界條件；最后，設(shè)置邊界條件、輸出控制及輸出文件控制[5-7]。

有限元模型的網(wǎng)格最大長(zhǎng)寬比為5，最大扭曲角為40°，網(wǎng)格最大翹曲角度 11°，最小雅克比 0.6，整車有限元模型一共有1 348 405個(gè)單元。其中殼單元1 157 558個(gè)，包括1 080 446個(gè)四邊形單元和77 112個(gè)三角形單元，還包括190 847個(gè)體單元，三角形單元占總殼單元的約6.7%，小于10%，滿足網(wǎng)格質(zhì)量要求。劃分網(wǎng)格后的整車有限元模型如圖1所示。

圖1 整車有限元模型Fig.1 Vehicle finite element model

2 偏置碰撞模型的合理性檢查

根據(jù)有限元基本理論中的能量守恒定律，汽車在碰撞仿真試驗(yàn)過程中的總能量應(yīng)該是守恒不變的，通常情況下，汽車碰撞仿真系統(tǒng)中，整個(gè)碰撞過程中的系統(tǒng)總能量、動(dòng)能、內(nèi)能和沙漏能可以作為評(píng)價(jià)指標(biāo)，檢查系統(tǒng)的能量是否守恒以及有限元模型的合理性[8]。將計(jì)算結(jié)果bin out導(dǎo)入后處理軟件hyper graph中，選擇輸出4條能量變化的曲線，如圖2所示。

圖2 碰撞過程中的能量變化曲線Fig.2 Energy change curve in collision process

圖2中右起由上至下4條曲線分別表示總能量、內(nèi)能、動(dòng)能和沙漏能量隨時(shí)間的變化，由系統(tǒng)能量變化曲線圖可以看出，動(dòng)能、內(nèi)能和沙漏能的和始終等于汽車總能量，系統(tǒng)總能量也始終保持不變。所以，模型從能量方面顯示是正確的，而且在碰撞過程中出現(xiàn)很少的沙漏能，遠(yuǎn)小于總能量的10%。因此，模型從整個(gè)系統(tǒng)的能量變化方面顯示也是合理的[9]。

3 偏置碰撞仿真分析及前縱梁結(jié)構(gòu)改進(jìn)方案

汽車正面偏置碰撞模型的建立工作完成之后，參照 C-NCAP 試驗(yàn)標(biāo)準(zhǔn)，車輛以 64 km/h 的初始速度與可變形壁障發(fā)生40%重疊率的偏置碰撞，可變形壁障右側(cè)表面偏移車輛中心線約 10%的車輛寬度，車輛應(yīng)與可變形壁障表面重疊40%±20 mm，根據(jù)這個(gè)要求來移動(dòng)壁障，調(diào)整y方向的重疊率[10-11]。將含有仿真模型所有信息的KEY文件輸出，運(yùn)用LS-DYNA求解器進(jìn)行運(yùn)算求解，把計(jì)算結(jié)果d3plot文件導(dǎo)入后處理軟件hyper view中，可以觀察到整車模型碰撞形變的動(dòng)態(tài)過程，圖3為0.12 s時(shí)刻仿真模型的碰撞狀態(tài)。

通過對(duì)汽車前部主要吸能部件的變形量及變形特點(diǎn)的分析發(fā)現(xiàn)：左前縱梁中部由于抗彎剛度不夠而出現(xiàn)較大彎折，使得吸能盒和縱梁前部不能最大限度的發(fā)揮吸能作用，整個(gè)縱梁也沒有達(dá)到一個(gè)很好的變形吸能模式；在這種變形方式下，碰撞產(chǎn)生的能量會(huì)更多的傳遞到乘員艙，使車身加速度峰值過高，對(duì)乘員造成很大傷害；由于彎折量較大，還會(huì)造成侵入量過大，對(duì)乘員的安全也是不利的。左前縱梁的變形情況如圖4所示。

圖3 正面 40%偏置碰撞整車變形狀態(tài)Fig.3 Positive 40% offset collision vehicle deformation state

圖4 左前縱梁碰撞變形狀態(tài)Fig.4 Collision deformation state of the left front string

由于左前縱梁的中部折彎量過大，導(dǎo)致前圍板的侵入量過大，具體數(shù)值如圖5 所示。

圖5 前圍板侵入量Fig.5 The amount of dash panel intrusion

因?yàn)榍翱v梁和吸能盒的變形和吸能都不夠充分，使得車身加速度值偏大，具體數(shù)值如圖6所示。

為了提高汽車前部吸能部件吸收碰撞能量的效率，提升整車的被動(dòng)安全性能，將仿真試驗(yàn)改進(jìn)措施的初步思路確定為：通過改進(jìn)前縱梁的結(jié)構(gòu)，使吸能盒和縱梁前部能夠通過更加充分的壓潰和彎曲來吸收更多的碰撞能量。根據(jù)左前縱梁的變形特點(diǎn)，對(duì)于前縱梁的具體改進(jìn)方案為：通過在前縱梁的中后部?jī)?nèi)側(cè)添加加強(qiáng)板的方法來提高中后端的抗彎剛度，起到加強(qiáng)后端，讓前端發(fā)生變形吸能的效果，改善吸能盒和縱梁前部的吸能特性、減小乘員艙的侵入量、降低車身加速度峰值，而且還可以間接的提高乘員艙的剛度。

圖6 加速度與時(shí)間曲線Fig.6 Acceleration and time curve

通過以上的分析，在原始的仿真模型中，添加一組新的COMPIONT，加入前縱梁加強(qiáng)板，重新更新連接定義、材料定義和邊界條件定義。本文所用的加強(qiáng)板材料是牌號(hào)為SPFC440的鋼材，厚度取1.5 mm，采用焊點(diǎn)連接的方式與前縱梁連接，連接在縱梁的中后端內(nèi)側(cè)位置，圖7、圖8分別顯示了前縱梁加強(qiáng)板的形狀及在前縱梁中安裝的相對(duì)位置。

圖7 前縱梁加強(qiáng)板Fig.7 Front side stiffener plate

圖8 加強(qiáng)板安裝位置Fig.8 Reinforcing plate mounting position

4 改進(jìn)方案結(jié)果

將添加加強(qiáng)板后的改進(jìn)仿真模型導(dǎo)入 LS-DYNA 求解器進(jìn)行重新運(yùn)算，把計(jì)算后的結(jié)果導(dǎo)入Hyper View中觀察整車及前縱梁的變形情況。

圖9 改進(jìn)后前縱梁變形情況Fig.9 Improved post-stringer deformation

圖9為添加加強(qiáng)板后的左縱梁碰撞形變狀態(tài)，從圖中可以看出縱梁中后部的彎折量明顯減小，隨著縱梁中后部剛度的增加，其抗彎剛度也隨之增大，使吸能盒在碰撞過程中充分利用結(jié)構(gòu)的壓潰變形更好的吸收碰撞能量，也使得縱梁前部變形吸能更加充分。下面從前圍板侵入量和車身定點(diǎn)加速度兩方面分析改進(jìn)方案是否有效。

圖10 前圍板侵入量Fig.10 The amount of the front panel intrusion

圖10、圖11分別為前圍板侵入量位移云圖和車身定點(diǎn)加速度曲線，根據(jù)之前對(duì)改進(jìn)前碰撞仿真結(jié)果的分析，相對(duì)于改進(jìn)前，改進(jìn)后的前圍板侵入量減小了5.2 mm，車身定點(diǎn)加速度減小了1.2 g。通過最終的試驗(yàn)數(shù)據(jù)證明，在前縱梁中后部?jī)?nèi)側(cè)添加加強(qiáng)板的改進(jìn)方案對(duì)提高汽車偏置碰撞的安全性是有幫助的，即改進(jìn)方案是有效的。

圖11 車身加速度曲線Fig.11 Body acceleration curve

5 二次優(yōu)化及結(jié)果評(píng)定

根據(jù)以上的分析，在前縱梁中添加加強(qiáng)板來提高汽車碰撞安全性的改進(jìn)方案是有作用的，但效果不是很明顯，為了進(jìn)一步探究前縱梁的一些物理參數(shù)對(duì)其整體性能和汽車安全性的影響，還需要對(duì)結(jié)構(gòu)改進(jìn)后的前縱梁進(jìn)行二次優(yōu)化設(shè)計(jì)，本文所采用的試驗(yàn)設(shè)計(jì)方法為3K全因子試驗(yàn)設(shè)計(jì)法[12-15]。試驗(yàn)選取前縱梁材料和厚度作為因素變量，其中，三種材料均是從寶鋼材料庫(kù)中選擇的汽車結(jié)構(gòu)用熱連軋鋼材。因?yàn)椴煌挠猛緦?duì)鋼板的材質(zhì)性能、表面質(zhì)量及尺寸、外形精度等要求也各不相同，所以必須對(duì)熱軋鋼板的不同用途、牌號(hào)、材質(zhì)和特性有一定的了解，才能做到盡可能的經(jīng)濟(jì)、合理的使用[16-17]。

優(yōu)化前的前縱梁料厚為1.8 mm，全因子試驗(yàn)中厚度選取1.5、1.8、2.0 mm 3個(gè)數(shù)值。將前縱梁賦予3種不同的材料和厚度進(jìn)行分別組合試驗(yàn)，試驗(yàn)時(shí)應(yīng)避免因?yàn)楹穸鹊母淖兌鸬母缮娆F(xiàn)象[18]。試驗(yàn)指標(biāo)設(shè)為整車碰撞過程中的車身定點(diǎn)加速度值，本試驗(yàn)的因素為前縱梁的材料和厚度，每個(gè)因素各有3個(gè)水平，根據(jù)3K全因子實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)，共需要9次試驗(yàn)，每次試驗(yàn)均需要重新賦予材料屬性后輸入DYNA求解器進(jìn)行求解運(yùn)算，輸出結(jié)果文件中的車身加速度曲線，得到的各組車身加速度的結(jié)果見表1。

由表1的試驗(yàn)結(jié)果可知，材料B550L、厚度1.5 mm一組的車身加速度為40.6 g，比參數(shù)優(yōu)化前的加速度值44.9 g減小了4.3 g，降幅達(dá)到了9.6%，其數(shù)值在所有組中是最小的，且加速度曲線較優(yōu)化前的緩和，是本次試驗(yàn)選出的最佳組合。其最優(yōu)方案的實(shí)驗(yàn)結(jié)果如圖12所示。

表1 車身加速度優(yōu)化結(jié)果Tab.1 Body acceleration optimization results

圖12 最優(yōu)方案加速度曲線Fig.12 Optimal scheme acceleration curve

6 結(jié)論

本文通過LS-DYNA平臺(tái)建立64km/h偏置碰撞仿真試驗(yàn)?zāi)Ｐ?，并?duì)其進(jìn)行計(jì)算求解，通過研究和分析得出的主要結(jié)論如下。

(1)通過對(duì)改進(jìn)前的前縱梁形變特點(diǎn)分析，提出在前縱梁中后部?jī)?nèi)側(cè)添加加強(qiáng)板的改進(jìn)方案，提高前縱梁的抗彎強(qiáng)度，使吸能盒和前縱梁前部達(dá)到一個(gè)很好的漸進(jìn)疊縮性變形模式并且更高效率的吸收碰撞產(chǎn)生的能量。

(2)為了研究汽車前縱梁的某些參數(shù)對(duì)汽車被動(dòng)安全性的影響，對(duì)前縱梁的材料和厚度進(jìn)行了全因子二次優(yōu)化，實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明：材料B550L、厚度1.5 mm的一組為最優(yōu)方案。在汽車前縱梁的改進(jìn)和優(yōu)化研究中，應(yīng)著重考慮其前縱梁所用材料的材質(zhì)和厚度對(duì)汽車安全性影響。

本文研究的內(nèi)容對(duì)于企業(yè)開展汽車40%偏置碰撞的計(jì)算機(jī)仿真分析，具有重要的意義和廣泛的實(shí)際應(yīng)用價(jià)值。

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SimulationAnalysisandOptimizationofFrontOffsetCollisionofaPassengerCar

Wang Lei，Yang Rui*，Zhao Qiang

(College of Transportation，Northeast Forestry University，Harbin 150040)

Based on the geometric model of a passenger car，the simulation model of offset collision experiment is established by using LS-DYNA software.The model is simulated and solved，and the simulation results are analyzed.According to the simulation results，the existing problems of the front longitudinal beam structure are analyzed，and then the structure is improved to reach the C-NCAP standard.Through the comparison of the front inclinometer intrusion and the acceleration of the vehicle body，the improved effectiveness analysis is carried out.Then，based on the improvement scheme of the front longitudinal beam，the 3K full factor test design method is used to select three different materials and thickness for the beam respectively，and the two full factor optimization is carried out.Then，the collision simulation operation is carried out again.By comparing the body acceleration peak value of the nine groups of tests，the group with the smallest acceleration peak value is selected as the optimal scheme.The results show that the material selection of B550L，the thickness of the 1.5mm front longitudinal beam，the effect of absorbing collision energy is the best combination of nine groups of tests，which can effectively improve the passive safety performance of the vehicle.

Finite element；offset collision；structural optimization

U 467.14

A

1001-005X(2017)06-0083-05

2017-05-25

黑龍江省留學(xué)歸國(guó)人員科學(xué)基金(LC2015019)

王磊，碩士。研究方向：道路運(yùn)輸與汽車安全技術(shù)。E-mail：937979248@qq.com

*通信作者：楊瑞，碩士，副教授。研究方向：汽車安全技術(shù)。E-mail：1243678632@qq.com

王磊，楊瑞，趙強(qiáng)，等.某乘用車正面偏置碰撞仿真分析及其優(yōu)化對(duì)策研究[J].森林工程，2017，33(6)：83-87.