前縱梁在車輛正面碰撞中的耐撞性分析

劉翔

前縱梁在車輛正面碰撞中的耐撞性分析

劉翔

（衢州職業(yè)技術(shù)學(xué)院，浙江 衢州 324000）

前縱梁不僅是車輛重要的承載結(jié)構(gòu)，在車輛正面碰撞中更是關(guān)鍵的吸能部件。文章通過建立車輛正面碰撞仿真試驗，單獨對前縱梁在碰撞中的變形與吸能情況進(jìn)行分析，評估其耐撞性。結(jié)果表明：前縱梁前段誘導(dǎo)槽的變形量在332 mm至428 mm之間，中部有一定的折彎，需要提高強度，尾部變形量小，整體吸能情況尚可，但仍有優(yōu)化空間。

前縱梁；耐撞性；仿真

引言

耐撞性是汽車被動安全領(lǐng)域重要的研究方向。良好的耐撞性能可以保障汽車在發(fā)生碰撞事故后最大程度地降低對乘員的傷害。各國的NCAP試驗是檢驗整車耐撞性的唯一正規(guī)標(biāo)準(zhǔn)，其中正面碰撞是NCAP試驗的重要一環(huán)。而前縱梁作為正面碰撞中的關(guān)鍵吸能部件，其耐撞性直接關(guān)乎乘員的生命安全。因此對前縱梁在碰撞中的變形量與吸能情況的研究，顯得尤為必要。

此次正面100%碰撞仿真試驗，初始速度設(shè)為56 km/h，持續(xù)時間150 ms。碰撞初始時刻總能量是158 745 000 J，在結(jié)束時刻總能量變?yōu)?61 625 000 J，總能量上升的百分比大致是1.81%，符合仿真試驗預(yù)期，可以認(rèn)為碰撞試驗遵守能量守恒，仿真中產(chǎn)生的沙漏能對整體影響可以忽略不計，確保了仿真的有效性。再利用HyperMesh仿真軟件對前縱梁單獨分析，評估其在正面碰撞試驗中的耐撞性能。

1 車輛正面碰撞仿真模型的建立

利用計算機建立汽車正面碰撞有限元模型，再對汽車碰撞中零部件的變形量、吸能值進(jìn)分析，是目前對汽車零部件耐撞性研究的主要手段。車輛正面碰撞有限元仿真模型的建立，首先需要利用CATIA等計算機三維軟件建立完成的數(shù)學(xué)模型，隨后將建立的數(shù)學(xué)模型導(dǎo)入到HyperMesh軟件中，陸續(xù)完成幾何清理、網(wǎng)格劃分、材料屬性的定義、載荷的施加、設(shè)定邊界條件、設(shè)置接觸連接等工作，生成所需要的K文件，將K文件導(dǎo)入到LS-DYNA軟件中，完成模型的計算工作，最終完成有限元仿真模型的建立，實現(xiàn)對模型的后期分析工作。

對導(dǎo)入HyperMesh中的車輛數(shù)學(xué)模型進(jìn)行幾何清理，是后期對其進(jìn)行網(wǎng)格劃分的必要一步。導(dǎo)入HyperMesh的模型需要完成一系列拓?fù)湫迯?fù)，比如刪除重復(fù)曲面、重建缺失曲面等。此外還需對模型進(jìn)行優(yōu)化與改進(jìn)工作，采用簡化短邊與小孔、重設(shè)共享邊與固定點等手段即可完成。HyperMesh界面中的Qucik edit菜單可實現(xiàn)以上操作。toggle edge功能鍵可以合并相鄰的邊，還能完成自由邊、共享邊與壓縮邊三者間的相互轉(zhuǎn)換。功能鍵filler surf、unsplit surf以及delete surf能夠?qū)崿F(xiàn)建立缺陷面、撤銷曲面的分割、刪除曲面等操作。模型中存在的空洞與倒角也需要進(jìn)行幾何清理，否則會影響網(wǎng)格劃分的質(zhì)量。具體做法是：直徑小于5 mm且在碰撞中不受應(yīng)力作用的小孔可以不做處理；介于5 mm至10 mm的中孔，通?？找桓窬W(wǎng)格，一般用四邊形表示；對于直徑大于10 mm的大孔，對其網(wǎng)格劃分時可以采用六邊形、八邊形等表示。對于模型中的倒角，一般用一個網(wǎng)格來表示。經(jīng)過幾何清理的模型能夠進(jìn)行下一步的網(wǎng)格劃分工作。

對模型的網(wǎng)格劃分其實就是整車結(jié)構(gòu)的有限元離散，碰撞中結(jié)構(gòu)的變形本質(zhì)上就是各個細(xì)小網(wǎng)格的位移變化導(dǎo)致的，因此網(wǎng)格劃分的好壞直接影響后期模型的計算精度。網(wǎng)格劃分一般有2D和3D兩種處理方法。對于整車模型中的大量覆蓋件，比如車身蒙皮、保險杠、車門以及殼單元和梁單元，均采用2D網(wǎng)格劃分。前縱梁作為重點研究的結(jié)構(gòu)，它的網(wǎng)格大小設(shè)置為8 mm，采用混合網(wǎng)格。前縱梁、前翼子板、保險杠、引擎蓋、前圍板、A柱以及B柱等結(jié)構(gòu)也采用同樣操作。一些涉及變形又不是重點研究的結(jié)構(gòu)，網(wǎng)格一般設(shè)置成10 mm。汽車后部很少發(fā)生變形的結(jié)構(gòu)，網(wǎng)格設(shè)置成15 mm。模型中的實體單元，如動力總成，網(wǎng)格設(shè)置為20 mm。這樣既可以整車模型的計算精度，又可以提高計算效率。3D網(wǎng)格主要處理模型中的實體單元，這些結(jié)構(gòu)幾乎在碰撞中不變形，不是研究的主要對像。

整車模型網(wǎng)格劃分后，需要進(jìn)行網(wǎng)格質(zhì)量檢查，必要時需要對其進(jìn)行優(yōu)化處理。檢查指標(biāo)主要有最大尺寸（max size）、最小尺寸（min size）翹曲度（warpage）、長度（length）、長寬比（aspect）、雅克比（jacobian）、扭曲度（skew）、弦差（chord dev）等。檢查結(jié)果如圖1所示，左上角顯示的主要指標(biāo)符合要求，綠色表示網(wǎng)格質(zhì)量良好，黃色、紅色表示網(wǎng)格質(zhì)量較差，整體上除輪胎、動力總成等非重要研究部件外，其余部件網(wǎng)格劃分質(zhì)量較高，因此模型計算精度有保障。

整車模型中殼單元最多，屬性設(shè)置為SectShll類型，像前縱梁等重要的部件，材料模型采用的是MAT24模型，MAT24能夠反映材料彈塑性力學(xué)特性。對于剛性實體單元采用的是MAT20模型，碰撞后其節(jié)點將保持相對位移不變，不用計算結(jié)構(gòu)內(nèi)部的應(yīng)力，計算效率得到提高，但導(dǎo)致單元之間在碰撞中產(chǎn)生“負(fù)體積”現(xiàn)象。為杜絕此現(xiàn)象的發(fā)生，要在這類單元實體上附上一層殼單元，這種殼單元采用MAT9材料模型，它只有密度，不計算應(yīng)力。

圖1 整車模型網(wǎng)格質(zhì)量檢查示意圖

整車模型全部處理后，總質(zhì)量是1.263 t，模型中共有478 676個節(jié)點和499 615個單元以及619個部件組成。

2 前縱梁變形量分析

前縱梁前段的誘導(dǎo)槽連接的是汽車保險桿。因此在正面碰撞中，誘導(dǎo)槽受到圧潰，產(chǎn)生的變形量最大，此處也是前縱梁最主要的吸能結(jié)構(gòu)。中間部分傳遞沖擊力到車身，因此變形量要盡可能的小，以確保前縱梁的承載作用。尾部距離汽車前圍板較近，變形量過大會導(dǎo)致前圍板的侵入量過大，造成前排乘員受害風(fēng)險增大，因此尾部變形量也要盡可能縮小。通過對前縱梁進(jìn)行三段法分析，可以全面評價縱梁的耐撞性。

圖2 前縱梁整體變形云圖

從圖2可以看出，整體變形情況符合預(yù)期分析。前縱梁誘導(dǎo)槽變形量最大，變形量在332 mm至428 mm范圍內(nèi)，能夠很好地吸收正面碰撞中的能量，此處是吸能段表現(xiàn)出了良好的效果。前縱梁中間部分變形不明顯，主要以折彎為主，從圖2可以看出在碰撞中，前縱梁首尾兩端受到?jīng)_擊力的夾擊作用，導(dǎo)致中間區(qū)域段出現(xiàn)一定的折彎，這對前縱梁的吸能不利，前縱梁的承載作用也被削弱，因此需要提高前縱梁中部的強度，可以采用加強件、改進(jìn)結(jié)構(gòu)造型或者采用更高強度的合金材料等方法，提高前縱梁中間部分的強度。前縱梁尾部的變形量最小，從圖1看變形量在46 mm至139 mm之間，尾部變形量小可以減少前圍板對乘員倉的侵入量，減低乘員受傷風(fēng)險。

圖3 左側(cè)前縱梁變形曲線

通過在左側(cè)前縱梁首尾選取兩個測量點，記錄測量點在方向位移變化，得到前縱梁整體變形曲線，如圖3所示。從圖3可以看出，在0 ms至10 ms沒有變形，此階段碰撞沒有發(fā)生。在10 ms至35 ms內(nèi)，變形量以一定曲率連續(xù)增加，此階段內(nèi)前縱梁的誘導(dǎo)槽受壓變形導(dǎo)致曲線持續(xù)上升。在35 ms時刻出現(xiàn)第一拐點，代表著誘導(dǎo)槽在此刻被壓至極限。在35 ms至45 ms階段內(nèi)，測量點位移曲線呈線處一段折線狀態(tài)，此階段是由于前縱梁中部發(fā)生折彎導(dǎo)致。在45 ms時刻出現(xiàn)第二拐點，此刻代表整個前縱梁最大變形量。之后由于前縱梁發(fā)生回彈，曲線逐漸回落。第一拐點之前是誘導(dǎo)槽圧潰產(chǎn)生的變形量，此階段屬于合理吸能階段，曲線平穩(wěn)上升代表誘導(dǎo)槽在圧潰變形中沒有出現(xiàn)畸變，耐撞性能穩(wěn)定。第二拐點的出現(xiàn)，是正面碰撞中最嚴(yán)重的時刻，乘員的最大傷害往往發(fā)生在此刻，曲線顯示最大變形量約為249.6 mm，整體耐撞性尚可，但仍有優(yōu)化空間。

3 前縱梁吸能分析

前縱梁通過壓縮變形吸收正面碰撞的能量，能夠降低乘員在碰撞中承受的沖擊加速度，保護(hù)乘員生命安全。研究表明前縱梁吸能值占比不得少于20%。從圖4可知，在45 ms時刻附近，左右前縱梁吸能值分別達(dá)到最大值，前縱梁的吸能峰值是27 876 000 J，占總能量值的22%，前縱梁整體吸能效果較好。

圖4 前縱梁吸能曲線

4 總結(jié)

通過分析前縱梁變形云圖、左側(cè)前縱梁變形曲線以及前縱梁吸能曲線。可以得出：前縱梁整體變形效果符合仿真預(yù)期；前縱梁誘導(dǎo)槽在碰撞中變形穩(wěn)定，沒出現(xiàn)畸變；前縱梁中部出現(xiàn)一定折彎，需提高強度；前縱梁整體吸能良好，但耐撞性仍有提升余地。

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Analysis the Crash Worthiness of Front Rail in Vehicle Frontal Crash Simulation

LIU Xiang

( Quzhou College of Technology, Zhejiang Quzhou 324000 )

The front rail is not only an important bearer structure in vehicle, but also a critical capability component in vehicle frontal crash. Based on the vehicle frontal crash simulation, the deformation and capability of the front rail is analyzed, and its crash worthiness is evaluated. The results show that the deformation of the front rail is between 332 mm and 428 mm. There is a certain bend in the middle, so its strength need increasing, the deformation of the tail is small, but the overall capability can be, but still optimized space.

Front rail; Crash worthiness; Simulation

A

1671-7988(2021)22-105-03

U467

A

1671-7988(2021)22-105-03

CLC NO.: U467

劉翔（1989—），男，講師，就職于衢州職業(yè)技術(shù)學(xué)院，研究方向：汽車被動安全。

衢州市科技計劃指導(dǎo)性項目（2018001）。

10.16638/j.cnki.1671-7988.2021.022.027