某乘用車(chē)的車(chē)身正面碰撞性能仿真分析

賀路　張琰

中圖分類(lèi)號(hào)：U467.14 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A

0引言

在正面碰撞研究中，重點(diǎn)考慮的是發(fā)動(dòng)機(jī)艙和乘員艙的結(jié)構(gòu)變化。根據(jù)車(chē)輛碰撞安全性規(guī)則，正面碰撞中最好的碰撞結(jié)果，是通過(guò)發(fā)動(dòng)機(jī)艙發(fā)生變形來(lái)吸收來(lái)自碰撞中產(chǎn)生的動(dòng)能，發(fā)動(dòng)機(jī)艙吸能值要超過(guò)總能的50%。同時(shí)要盡量減少乘員艙的變形，如果在碰撞中對(duì)駕乘人員的空間侵入量過(guò)大，會(huì)對(duì)駕乘人員的生存空間造成嚴(yán)重影響，進(jìn)而威脅到駕乘人員的人生安全。正面剛性壁碰撞中對(duì)車(chē)輛安全性能的分析，通常會(huì)從汽車(chē)保險(xiǎn)杠的變形分析、汽車(chē)前圍板的變形分析、汽車(chē)前縱梁的變形分析以及A柱在碰撞中變形分析入手。

1正面碰撞模型的建立

建立車(chē)輛有限元模型之前，一般會(huì)將車(chē)輛的三維模型進(jìn)行預(yù)處理，將部分結(jié)構(gòu)進(jìn)行簡(jiǎn)化，例如省略一些諸如雨刮器、后視鏡等汽車(chē)輔助零件，刪除一些倒角、倒圓的幾何特征。其次，對(duì)碰撞后變形較小的零件進(jìn)行材料上的簡(jiǎn)化處理。接著把簡(jiǎn)化處理后的整車(chē)幾何模型導(dǎo)入Hypermesh軟件中，然后根據(jù)汽車(chē)真實(shí)情況分別設(shè)置各構(gòu)件之間的連接方式等參數(shù)，對(duì)碰撞進(jìn)行接觸設(shè)置，對(duì)運(yùn)算結(jié)果進(jìn)行輸出控制等。然后利用LS-DYNA求解器對(duì)提交過(guò)來(lái)的最后生成的K文件進(jìn)行求解處理，再利用Hyperview中讀取求解后的文件，以此來(lái)獲得數(shù)據(jù)的圖像和曲線。最后，利用Hyperview查看仿真結(jié)果并針對(duì)該次結(jié)果進(jìn)行有關(guān)的分析。碰撞模型的建立如圖1所示。

2部分結(jié)構(gòu)變形結(jié)果分析

2.1A柱變形分析

在正面碰撞中，發(fā)動(dòng)機(jī)艙的動(dòng)能會(huì)通過(guò)A柱進(jìn)行傳遞，繼而造成車(chē)身變形。因此A柱會(huì)更容易發(fā)生變形，此變形形式以折彎為主。這樣的變形會(huì)使駕駛艙內(nèi)的乘客受傷概率增加、受傷程度加重。同時(shí)A柱變形過(guò)大的話，會(huì)造成駕乘人員無(wú)法打開(kāi)車(chē)門(mén)逃生或由于腿部擠壓無(wú)法離開(kāi)事故現(xiàn)場(chǎng)的情況。因此從保護(hù)駕乘人員生命安全的角度出發(fā)，對(duì)A柱進(jìn)行折彎變形分析意義重大。圖2所示為A柱變形后折彎角度測(cè)量圖，選取A柱上3個(gè)點(diǎn)，可以測(cè)量其角度變化。

利用HyperView得到A柱折彎角度變化曲線（圖3），從曲線中可以看出，折彎角度的變化整體呈現(xiàn)上升趨勢(shì)。測(cè)量角度初始數(shù)值約為169.0°，碰撞中0.11s時(shí)折彎角度達(dá)到最大值175.5°，隨后A柱發(fā)生彈性形變產(chǎn)生一定程度的回彈，回彈后最終角度約為175.2°。對(duì)比碰撞前后狀態(tài)，A柱所測(cè)角度最終變化量約為6.2°。結(jié)果顯示A柱的折彎變形角度變化不大，對(duì)駕乘人員的生存空間保護(hù)作用明顯。

2.2前保險(xiǎn)杠變形分析

保險(xiǎn)杠作為在正面碰撞中汽車(chē)最先接觸到剛性墻的部分，它的變形對(duì)于緩沖和吸能都會(huì)起到作用，是車(chē)輛被動(dòng)安全的第一道門(mén)。保險(xiǎn)杠吸能效果對(duì)于車(chē)輛的行駛安全起到了重要作用。在正面碰撞中，保險(xiǎn)杠基本呈現(xiàn)出被擠壓破損或者完全壓潰的狀態(tài)。圖4所示為碰撞前后保險(xiǎn)杠的位移云圖，對(duì)圖示可以看出，前端區(qū)域變形區(qū)成環(huán)狀均勻分布。從變形效果看，保險(xiǎn)杠處于被壓潰縮的狀態(tài)，說(shuō)明在碰撞中對(duì)能量的吸收非常充分，保險(xiǎn)杠的正面碰撞安全性能良好。

2.3前縱梁變形分析

前縱梁在車(chē)輛正面碰撞時(shí)的主要?jiǎng)幽芪詹考邪缪葜匾巧?，尤其是行駛速度比較高時(shí)，前縱梁的作用更加明顯。在車(chē)身前部的吸能結(jié)構(gòu)中，當(dāng)車(chē)輛發(fā)生正面碰撞時(shí)，保險(xiǎn)杠總成被壓潰失效之后，前縱梁是通過(guò)發(fā)生塑性變形來(lái)吸收碰撞動(dòng)能的第二個(gè)部件。前縱梁最佳的變形吸能模式是發(fā)生褶皺變形，這樣可以通過(guò)最小的變形量吸收更多的碰撞能量。通過(guò)前縱梁的變形情況，可以較好地分析出車(chē)輛碰撞時(shí)的被動(dòng)安全狀態(tài)。通過(guò)設(shè)置對(duì)應(yīng)參考點(diǎn)，可以得出前縱梁位移云圖（圖5）。

圖5中左側(cè)部分為前縱梁誘導(dǎo)槽段，此部分通常被設(shè)計(jì)成吸收第一波較大能量的主要區(qū)域，該部分壓潰嚴(yán)重，變形量在330.0～430.0mm。在前縱梁的誘導(dǎo)槽部分，主要發(fā)生的都是褶皺變形，說(shuō)明此部分在前縱梁吸能過(guò)程中作用良好。中段位置的變形以折彎為主，未見(jiàn)明顯壓潰現(xiàn)象。折彎變形在碰撞中會(huì)產(chǎn)生較大的入侵量，而且這種變形對(duì)于能量吸收效果較差，不利于對(duì)其后面駕駛艙的空間保護(hù)。該段部分的變形形式可以在后期的設(shè)計(jì)中進(jìn)行改善，減少折彎變形。

2.4前圍板變形分析

在汽車(chē)碰撞中，駕駛員的生存空間保障非常重要。其中腿部生存空間的多少?zèng)Q定了駕駛員在碰撞之后，能否及時(shí)被救出或安全離開(kāi)事故車(chē)輛避免二次傷害。在正面碰撞中，車(chē)輛發(fā)動(dòng)機(jī)艙的零件都會(huì)向后移動(dòng)，進(jìn)而導(dǎo)致前圍板向后發(fā)生變形，威脅到駕乘人員空間特別是腿部的生存空間，帶來(lái)安全隱患。因此在汽車(chē)車(chē)身碰撞性能的研究中，需要對(duì)前圍板的變形量進(jìn)行分析，而前圍板的侵入量需要小于150.0mm，才能滿足碰撞規(guī)則中對(duì)于腿部傷害的要求口]。最終的碰撞后前圍板的位移云圖如圖6所示。

通過(guò)位移云圖可以看出，整個(gè)前圍板的變形量呈環(huán)形分布，從內(nèi)向外的變形量逐漸增加。造成該現(xiàn)象的原因則是，汽車(chē)發(fā)動(dòng)機(jī)艙的零部件在碰撞中整體后移，對(duì)前圍板產(chǎn)生了擠壓作用，尤其是整體剛性較大的發(fā)動(dòng)機(jī)和變速器部分，擠壓效果更為明顯。所以前圍板中對(duì)應(yīng)該部分的區(qū)域受擠變形量較大。變形量最大的紅色區(qū)域中，最大位移值為142.7mm，小于碰撞規(guī)則中對(duì)于腿部入侵量應(yīng)小于150.0mm的要求。因此在該次碰撞仿真中，前圍板可以起到對(duì)前排駕乘人員腿部空間的保護(hù)作用，展現(xiàn)了良好的結(jié)構(gòu)件碰撞性能。

3仿真變形結(jié)果對(duì)比分析

針對(duì)本車(chē)型的仿真結(jié)果與執(zhí)行同樣碰撞標(biāo)準(zhǔn)的同車(chē)型實(shí)車(chē)碰撞試驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行比對(duì)。通過(guò)對(duì)碰撞試驗(yàn)車(chē)發(fā)動(dòng)機(jī)艙內(nèi)部和對(duì)應(yīng)底盤(pán)部分觀察，可以看出發(fā)動(dòng)機(jī)缸蓋罩和油底殼部分依然保持完好（圖了）。發(fā)動(dòng)機(jī)艙內(nèi)零部件位置與正常發(fā)動(dòng)機(jī)艙內(nèi)布置相比，可以看出發(fā)動(dòng)機(jī)艙內(nèi)各部件間的間隙完全被壓縮，剛度較小的部分，如水箱、冷凝器等部件產(chǎn)生較大擠壓變形，動(dòng)力總成部分向后發(fā)生一定位移。發(fā)動(dòng)機(jī)與防撞橫梁的距離以及與前圍板的距離，在碰撞后幾乎全部被壓縮消失。動(dòng)力總成部分在碰撞后自身沒(méi)有形變，但是受到前段零部件擠壓，發(fā)生一定傾斜并整體后移，對(duì)前圍板造成了一定的擠壓效果。這一表現(xiàn)與碰撞試驗(yàn)表現(xiàn)較一致。

4結(jié)束語(yǔ)

總體而言，本款汽車(chē)在正面碰撞中具有較好的碰撞性能，在車(chē)輛發(fā)生碰撞事故時(shí)可以對(duì)駕乘人員起到較好安全保護(hù)的作用。汽車(chē)車(chē)身碰撞性能研究是一項(xiàng)耗時(shí)長(zhǎng)、系統(tǒng)性強(qiáng)并要求細(xì)致的工程，主要涉及的都是一些非線性大位移變形。車(chē)輛本身包含很多零部件，本文主要針對(duì)在100%正面碰撞過(guò)程中A柱的變化、保險(xiǎn)杠的變化以及前縱梁的變化進(jìn)行分析，對(duì)很多其他重要零部件和重要結(jié)構(gòu)變形和數(shù)據(jù)變化的研究分析，都具有一定的借鑒意義。

作者簡(jiǎn)介：

賀路，碩士，講師，研究方向?yàn)闄C(jī)械工程。

張琰，本科，助教，研究方向?yàn)榭刂乒こ獭?/p>