李燊 巴鐵魁 郝斌 巴興強(qiáng)

摘要 該文應(yīng)用有限元理論，利用ANSYS/LS-DYNA軟件，對(duì)農(nóng)用運(yùn)輸車輛車門承受橫向碰撞時(shí)進(jìn)行數(shù)值仿真計(jì)算，對(duì)碰撞過程中的碰撞規(guī)律進(jìn)行了摸索，探討了車輛車門結(jié)構(gòu)優(yōu)化方法與改進(jìn)措施，介紹了車輛安裝加強(qiáng)板后的碰撞安全特征，證明了農(nóng)用運(yùn)輸車輛車門結(jié)構(gòu)優(yōu)化的可行性與實(shí)用性。

關(guān)鍵詞 農(nóng)用運(yùn)輸車輛；橫向碰撞；有限元分析；碰撞吸能

中圖分類號(hào) S229+.1 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼 A 文章編號(hào) 0517-6611（2015）27-319-03

Simulation Research of Farm Transport Vehicle Lateral Collision Based on the ANSYS

LI Sang1， BA Tie-kui2， HAO Bin3， BA Xing-qiang1*

（1. Northeast Forestry University， Harbin， Heilongjiang 150040； 2. China Shipbuilding Industry Corp 709th Institute， Wuhan， Hubei 430074； 3. Heilongjiang Academy of Forestry Science， Harbin， Heilongjiang 150081）

Abstract Finite element theory is applied in this article， by using ANSYS/LS-DYNA software， under lateral impact of farm transport vehicle door when numerical simulation calculation， grope for collision regularity in the process of collision， this paper discusses the vehicle door structure optimization method and the improvement measures， and introduces the vehicle after the installation of reinforcing plate collision safety features， prove the feasibility and practicability of farm transport vehicle door structure optimization.

Key words Agricultural transport vehicles； Lateral collision； The finite element analysis； Collision energy absorption

近年來，隨著國民經(jīng)濟(jì)的快速發(fā)展，新農(nóng)村建設(shè)步伐的不斷加快，農(nóng)村的面貌發(fā)生了翻天覆地的變化。“村村通工程”使農(nóng)村道路交通狀況不斷改善，農(nóng)民機(jī)動(dòng)車擁有量大幅提升，而農(nóng)村交通安全設(shè)施建設(shè)與車輛主動(dòng)安全保護(hù)方面卻相對(duì)滯后，使得農(nóng)村開始成為交通事故多發(fā)、人員傷亡嚴(yán)重的地區(qū)[1]，農(nóng)村及鄉(xiāng)鎮(zhèn)地區(qū)的交通安全狀況，嚴(yán)重地威脅著廣大人民群眾的生命財(cái)產(chǎn)安全。國家標(biāo)準(zhǔn)GB7258-2004《機(jī)動(dòng)車運(yùn)行安全技術(shù)條件》已將“四輪農(nóng)用運(yùn)輸車”更名為“低速貨車”，明確“農(nóng)用運(yùn)輸車”實(shí)質(zhì)上是農(nóng)用運(yùn)輸車輛的一類。GB18320-2008《三輪車和低速貨車安全技術(shù)要求》規(guī)定以柴油機(jī)為動(dòng)力裝置，中小噸位、中低速度，從事道路運(yùn)輸?shù)臋C(jī)動(dòng)車輛，即包括三輪農(nóng)用運(yùn)輸車和四輪農(nóng)用運(yùn)輸車等。

該文以農(nóng)用運(yùn)輸車輛橫向碰撞為研究重點(diǎn)，以農(nóng)用運(yùn)輸車輛碰撞仿真為研究目標(biāo)，采用碰撞仿真分析手段，探求農(nóng)用運(yùn)輸車輛車門碰撞吸能特性。

1 農(nóng)用運(yùn)輸車輛橫向碰撞特性

汽車側(cè)面是車體中強(qiáng)度較薄弱的部位[2]，尤其是對(duì)于農(nóng)用運(yùn)輸車輛而言，其側(cè)面強(qiáng)度更為薄弱。一旦受到來自側(cè)面的撞擊，不可能像其前部及后部那樣，有足夠空間可供發(fā)生結(jié)構(gòu)變形及吸收碰撞能量，車內(nèi)乘員同強(qiáng)烈貫穿的撞擊物之間僅隔著車門和20～30 cm的空間，這就是側(cè)面碰撞對(duì)乘員的傷害較其他類型的碰撞要嚴(yán)重的原因。在斜坡上或在轉(zhuǎn)彎時(shí)發(fā)生的側(cè)面碰撞，還有可能引起被撞農(nóng)用運(yùn)輸車輛翻傾，可能導(dǎo)致車門門柱變形，使車門不能開啟，影響乘員離開危險(xiǎn)地帶及對(duì)乘員的救援。與正面、后部碰撞相比，側(cè)面碰撞對(duì)乘員可能造成的傷害更大。因此，側(cè)面碰撞安全性已成為農(nóng)用運(yùn)輸車輛被動(dòng)安全領(lǐng)域研究的一個(gè)新熱點(diǎn)。20世紀(jì)80年代，歐美開始了對(duì)農(nóng)用運(yùn)輸車輛碰撞的研究[3]，并開始出現(xiàn)對(duì)農(nóng)用運(yùn)輸車輛側(cè)面碰撞的研究。早期的農(nóng)用運(yùn)輸車輛側(cè)面碰撞的研究幾乎完全是依賴試驗(yàn)方法進(jìn)行，剛開始時(shí)采用實(shí)車碰撞試驗(yàn)方法，再根據(jù)碰撞試驗(yàn)的分析研究結(jié)果，改進(jìn)設(shè)計(jì)。隨后發(fā)展了臺(tái)車碰撞模擬試驗(yàn)計(jì)算方法，這種試驗(yàn)方法是以實(shí)車試驗(yàn)的結(jié)果為基礎(chǔ)確定試驗(yàn)條件。這類碰撞試驗(yàn)的成本低，可重復(fù)操作，研究周期較短。隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)的發(fā)展，出現(xiàn)了計(jì)算機(jī)仿真技術(shù)，采用虛擬模型代替實(shí)際模型，利用計(jì)算機(jī)進(jìn)行分析計(jì)算得出安全結(jié)論，己成為農(nóng)用運(yùn)輸車輛安全技術(shù)發(fā)展的一個(gè)重要方向。

1.1 計(jì)算機(jī)輔助虛擬仿真試驗(yàn)發(fā)展現(xiàn)狀

農(nóng)用運(yùn)輸車輛安全性研究最準(zhǔn)確、可靠的手段是實(shí)車試驗(yàn)。由于整車碰撞試驗(yàn)要在樣車試制出來后才能進(jìn)行，且碰撞試驗(yàn)是破壞性的，這就導(dǎo)致試驗(yàn)費(fèi)用昂貴并且研究周期長，不利于快速地發(fā)現(xiàn)和解決問題，它只能作為較全面的質(zhì)量最終檢驗(yàn)試驗(yàn)，不能滿足開發(fā)階段的需要，因而人們一直試圖尋求從理論上或用數(shù)值計(jì)算的方法來仿真碰撞，以輔助和指導(dǎo)設(shè)計(jì)。 隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)的迅猛發(fā)展，以及各種理論，如碰撞理論，材料理論，有限元理論的不斷深入，以有限元方法為主的計(jì)算機(jī)仿真方法得到飛速發(fā)展，從而出現(xiàn)了一批功能強(qiáng)大的商用軟件，如ANSYS/LS-DYNA、DYTRAN、PAM-CRASH等?，F(xiàn)有軟件的仿真結(jié)果能與實(shí)車試驗(yàn)結(jié)果大致吻合，并且能夠節(jié)約大量的資金和時(shí)間，特別是對(duì)于車輛結(jié)構(gòu)改進(jìn)，可以在短時(shí)間內(nèi)對(duì)多種方法案作出比較，較快地得到滿意的改進(jìn)方案。因此，計(jì)算機(jī)仿真是近年來農(nóng)用運(yùn)輸車輛安全性能得以提高的重要手段。

1.2 農(nóng)用車輛車門建模及預(yù)處理

研究分2個(gè)主要，即確立單元模型和進(jìn)行邊界條件的處置。建立模型所需數(shù)據(jù)主要來自于實(shí)車測(cè)量。在進(jìn)行測(cè)量之前，仔細(xì)察看并熟悉農(nóng)用運(yùn)輸車車門的結(jié)構(gòu)，對(duì)車門整體結(jié)構(gòu)了解清楚，并根據(jù)建模的需要描繪出簡化的車門結(jié)構(gòu)，在實(shí)際車門測(cè)量過程中，對(duì)建模所需數(shù)據(jù)盡量采集準(zhǔn)確、全面。

1.2.1 確立單元模型。

對(duì)于有限元仿真分析，在建立有限元模形時(shí)選擇什么樣的單元進(jìn)行分析是非常重要的。選擇單元的類型，主要考慮結(jié)構(gòu)的幾何形狀，其次是分析目的，加載條件和經(jīng)濟(jì)性。農(nóng)用運(yùn)輸車輛車門主要由薄殼板件沖壓后經(jīng)焊接拼裝而成，因而在車門碰撞分析中需要用三維薄殼單元來進(jìn)行空間離散，薄殼單元的選擇和算法對(duì)于計(jì)算的效率與正確性有著重要的意義。在非線性動(dòng)力問題的研究發(fā)展中，產(chǎn)生了多種薄殼單元的算法，LS-DYNA970為殼單元提供了12種算法。

1.2.2 邊界條件處置。

農(nóng)用運(yùn)輸車車門在實(shí)際情況下，被鉸鏈和門鎖全約束在門柱上，在車輛發(fā)生側(cè)面碰撞時(shí)，車門另外還會(huì)受到車頂和底盤的支撐力。雖然在實(shí)際的碰撞中，車門受力變形后還會(huì)引起門柱和車頂?shù)淖冃危谠撐闹?，只研究車門的碰撞吸能特性，因此，完全可以對(duì)車門緊挨駕駛室的邊框進(jìn)行全約束，碰撞結(jié)果與實(shí)際情況基本相同。

1.3 仿真碰撞時(shí)間

在農(nóng)用運(yùn)輸車輛一般的車速條件下，車輛碰撞過程持續(xù)時(shí)間大約為80～120 ms。所以，對(duì)整車的碰撞仿真就需要計(jì)算80 ms以上，計(jì)算一次完整的80 ms碰撞過程大約需要120 h[5]。但若只研究車門的碰撞，由于其質(zhì)量遠(yuǎn)小于整車，必定慣性也小，所以理論上其碰撞時(shí)間也要短于80 ms，為了節(jié)省計(jì)算時(shí)間，就將計(jì)算碰撞時(shí)間定在了40 ms。計(jì)算時(shí)速按照歐洲碰撞標(biāo)準(zhǔn)確定為50 km/h（13.89 m/s），載荷體在距車門50 mm處給以初速度50 km/h。

1.3.1 位移變化分析。

由于載荷體碰撞初始速度方向定為Z軸負(fù)方向，值為13.89 m/s（50 km/h），X、Y軸方向速度為0，所以文中只探討各量在Z軸方向的變化。

按照加載條件，車門在長度的中心線上受沖擊，故在此的變形應(yīng)該最厲害[6]。因此，摘取該線上車門的外凸點(diǎn)和車窗內(nèi)側(cè)開口線處的一點(diǎn)的位移變化圖進(jìn)行分析，以下簡稱外凸點(diǎn)和開口線點(diǎn)。

碰撞發(fā)生時(shí)，車門受沖擊處開始沿Z軸的負(fù)反向變形，從圖1中可看出，雖然車窗開口線處內(nèi)凹最厲害，但他的變形位移是0.14 m。而從圖2中看出在車門外凸點(diǎn)處變形位移最大，其變形位移是0.22 m。這是因?yàn)?，農(nóng)用運(yùn)輸車輛門是外凸的弧形，在凸出點(diǎn)最先接觸碰撞載荷體，所以其沖擊最嚴(yán)重，變形也就最大。從圖2中還可看出，變形基本呈線性變化，變形達(dá)到最大后，門板有一定的彈性恢復(fù)力，使變形部分減小，并推動(dòng)載荷體向Z軸正向移動(dòng)。

1.3.2 速度變化。

如圖3可看出，車門凸出點(diǎn)在碰撞開始時(shí)，在沖擊力的作用下速度不斷增大，當(dāng)達(dá)到最大值17 m/s時(shí)開始波動(dòng)，隨后開始減小，直至為0。然后在車板的彈性恢復(fù)力下速度反向增加至反向最大至8 m/s，在碰撞結(jié)束后，仍然在波動(dòng)。

載荷體以13.89 m/s的速度向車門撞去，在碰撞過程中受到車門的阻礙，由圖4可看出碰撞后其速度不斷衰減，然后在車門的彈性恢復(fù)力作用下，速度反方向增加，最終速度約為8 m/s。

2 安裝加強(qiáng)板后車輛碰撞

2.1 位移變化

農(nóng)用運(yùn)輸車輛車門安裝加強(qiáng)板后，由圖5可看出，開口線處最大位移約是0.09 m，與圖1相比，該點(diǎn)的變化趨勢(shì)基本相同，但小于不安加強(qiáng)板的0.14 m。由圖6可看出，凸出點(diǎn)最大位移是0.17 m，與圖2相比，該點(diǎn)的變化趨勢(shì)基本相同小于不安加強(qiáng)板的0.22 m。從圖6中還可看出，在凸出點(diǎn)，即加強(qiáng)板的安裝位置，車門在碰撞后變形基本恢復(fù)，這是因?yàn)榧訌?qiáng)板是一個(gè)長方板，彈性較大，沒有產(chǎn)生塑變的結(jié)果。

2.2 速度變化

由圖7可看出，車門凸出點(diǎn)，在碰撞開始速度不斷增大，當(dāng)達(dá)到最大值19 m/s時(shí)開始波動(dòng)，隨后開始減小，直至為0。然后在車板的彈性變形下速度反向增加至反向最大值25 m/s，在碰撞結(jié)束后，仍然在波動(dòng)。

載荷體以13.89 m/s的速度向車門撞去，在碰撞過程中受到車門的阻礙，由圖8可看出其速度不斷減小，然后在車門的彈性恢復(fù)力下，速度反方向增加。最終速度約為6 m/s。

3 兩種結(jié)構(gòu)碰撞仿真結(jié)果對(duì)比

上述實(shí)際車輛車門與安裝加強(qiáng)板后車門的碰撞仿真條件相同，只是在結(jié)構(gòu)上，后者是在前者的的基礎(chǔ)上有所改進(jìn)。在碰撞過程中，車門的變形和能量的吸收對(duì)碰撞安全都有重要影響，故可以對(duì)兩種結(jié)構(gòu)的變形和吸能進(jìn)行對(duì)比分析。

3.1 位移變形對(duì)比

表1中給出了車門開口線處和凸出點(diǎn)處在兩種結(jié)構(gòu)下的位移變化量。其中，沒有加強(qiáng)板的結(jié)構(gòu)是車門的實(shí)際結(jié)構(gòu)，安裝加強(qiáng)板是改進(jìn)后的結(jié)構(gòu)。

根據(jù)表1中數(shù)據(jù)，關(guān)于碰撞接觸處變形，車門在安裝加強(qiáng)板之后有明顯的減小，在車門內(nèi)凹最嚴(yán)重的車窗開口線處變形減小35.7%。由此可得出結(jié)論，改進(jìn)車門結(jié)構(gòu)，加裝加強(qiáng)板后，增強(qiáng)了車門結(jié)構(gòu)的剛度，使車門的抗碰撞能力有明顯的提高，從而可以更好的保護(hù)車內(nèi)乘員，車門結(jié)構(gòu)的改進(jìn)收到了良好的效果。

表1 兩種結(jié)構(gòu)各點(diǎn)的變形位移

3.2 吸收能量對(duì)比

在側(cè)面碰撞中，車門的吸能特性對(duì)保護(hù)車內(nèi)乘員有重要的意義，車門吸收的能量越多，則沖擊能量減少的就越多[8]，對(duì)車內(nèi)乘員的沖擊就會(huì)減少，從而更加良好保護(hù)車內(nèi)乘員。

在上述碰撞仿真中，分析能量的變化，為了方便對(duì)比分析，現(xiàn)將其仿真計(jì)算結(jié)果統(tǒng)一列入表2（表中“+”表示能量增加，“-”表示能量損失）。

從表2可以看出，兩種結(jié)構(gòu)載荷體的初始能量只差3 J，屬于誤差，可視為碰撞能量相同[9]。在相同的碰撞能量下，實(shí)際的農(nóng)用運(yùn)輸車輛車門吸收能量12 945.6 J；安裝加強(qiáng)板的車門雖然吸收12 470 J，小于前者，但加強(qiáng)板仍吸收4 685 J，則整個(gè)車門結(jié)構(gòu)吸收能量17 155 J，吸收能量較前者增加32.5%，能量的吸收有顯著的增加。原農(nóng)用運(yùn)輸車輛車門總能量損失1 612 J，能量損失在碰撞的摩擦，碰撞的聲音能量；安裝加強(qiáng)板的車門總能量損失376 J，后者的碰撞摩擦等的能量損失小于前者，由此可知，后者的整個(gè)碰撞過程較前者有所緩和。

從能量的對(duì)比分析中，可以明顯地看出，改進(jìn)車門結(jié)構(gòu)安裝加強(qiáng)板后，車門的吸能特性有了良好的改善。因此，車門結(jié)構(gòu)改進(jìn)可起到良好的效果。

4 結(jié)論

在農(nóng)用運(yùn)輸車輛安全問題成為一大社會(huì)問題的背景下，為了提高農(nóng)用運(yùn)輸車輛安全性能，運(yùn)用虛擬仿真計(jì)算這種碰撞研究方法，對(duì)農(nóng)用運(yùn)輸車輛車門結(jié)構(gòu)碰撞吸能特性進(jìn)行了初步研究。在碰撞分析的過程中，碰撞條件的確定應(yīng)該參照現(xiàn)行的碰撞法規(guī)，并進(jìn)行合理的運(yùn)用。建議：

（1）改進(jìn)前的農(nóng)用運(yùn)輸車輛，車門耐碰撞性能相對(duì)低下。

（2）改進(jìn)后的農(nóng)用運(yùn)輸車輛，車門安裝加強(qiáng)板，進(jìn)行碰撞特性試驗(yàn)，發(fā)現(xiàn)車門的抗碰撞能力提高20%以上。同時(shí)，碰撞吸能特性提高32.5%。

（3）農(nóng)用運(yùn)輸車輛車門結(jié)構(gòu)改進(jìn)結(jié)構(gòu)后，抗碰撞性能提升明顯。

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