趙強(qiáng)1，崔俊杰1，陳祥和

（中北大學(xué)機(jī)械與動(dòng)力工程學(xué)院，山西 太原 030051）

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基于某商用車(chē)開(kāi)發(fā)過(guò)程的正面碰撞仿真分析與優(yōu)化設(shè)計(jì)

趙強(qiáng)1，崔俊杰1，陳祥和

（中北大學(xué)機(jī)械與動(dòng)力工程學(xué)院，山西 太原 030051）

摘 要：首先對(duì)這款商用車(chē)的設(shè)計(jì)初版模型進(jìn)行了結(jié)構(gòu)耐撞性分析，然后基于B柱加速度波形曲線走勢(shì)以及駕駛室的變形等情況對(duì)整車(chē)的結(jié)構(gòu)進(jìn)行了優(yōu)化設(shè)計(jì)。優(yōu)化之后的仿真結(jié)果表明，該車(chē)的吸能能力得到了明顯的改善，駕駛室變形量也得到了明顯的降低。最后進(jìn)行了約束系統(tǒng)碰撞分析，結(jié)果表明乘員傷害值滿(mǎn)足設(shè)計(jì)的法規(guī)要求。

10.16638/j.cnki.1671-7988.2016.03.027

Keyword: Frontal impact; The simulation analysis; Optimization design; Restraint systems

CLC NO.: U462.1 Document Code: A Article ID: 1671-7988(2016)03-80-03

前言

如今計(jì)算機(jī)仿真技術(shù)子在汽車(chē)碰撞安全性研究中運(yùn)用十分廣泛，相對(duì)于傳統(tǒng)的碰撞試驗(yàn)來(lái)說(shuō)，其具有費(fèi)用低廉，周期短，可重復(fù)性強(qiáng)，結(jié)果信息全面等諸多優(yōu)點(diǎn)。

文中運(yùn)用CAE分析技術(shù)，對(duì)某商用車(chē)進(jìn)行了正面碰撞仿真分析（以后簡(jiǎn)稱(chēng)正碰分析），基于仿真分析結(jié)果對(duì)此初版模型提出了優(yōu)化方案，并對(duì)優(yōu)化后的模型進(jìn)行了正碰分析，取得了預(yù)期的效果，提高了汽車(chē)前端材料的吸能能力，滿(mǎn)足了法規(guī)的要求，對(duì)汽車(chē)碰撞安全的設(shè)計(jì)和優(yōu)化具有一定的使用價(jià)值。

1、初版模型整車(chē)結(jié)構(gòu)耐撞性分析

文中所分析的整車(chē)CAD模型是由廠家提供，網(wǎng)格的劃分主要是在ANSA中進(jìn)行，車(chē)身以鈑金件為主，網(wǎng)格劃分是采用四邊形和三角形殼單元。對(duì)于不變形的鑄件提取外表面，網(wǎng)格采用鈑金件處理方式，并且將鑄件材料選用剛體材料。最終建立的有限元模型共有1,340,315個(gè)單元，其中三角形單元所占的比例為3.0%，整車(chē)有限元模型如圖1所示。

圖1　整車(chē)有限元模型

整車(chē)模型的連接在Hyper-mesh中進(jìn)行。主要的連接方式有焊點(diǎn)連接、剛性連接、粘膠連接以及鉸鏈連接等，焊點(diǎn)采用可變形體單元模擬，分總成中螺栓連接采用Rigid-Body進(jìn)行模擬，各個(gè)分總成間的螺栓連接采用*CONSTRAINED_ RIGID_BODIES方式連接。由于模型簡(jiǎn)化，故采用MASS單元對(duì)各個(gè)分總成進(jìn)行配重。整車(chē)接觸以及與剛性墻接觸均為自動(dòng)單面接觸。碰撞工況的設(shè)定依據(jù)為GB 11552-2003，整車(chē)以50km/h速度垂直撞向剛性墻，如圖2所示。

圖2　邊界條件設(shè)定

模型搭建完之后，對(duì)整車(chē)模型施加垂直向下的重力加速度g=9.8m/s2并在LS-DYNA中求解了90ms的碰撞過(guò)程。圖3給出了碰撞過(guò)程中的能量變化關(guān)系，從圖中可見(jiàn)，動(dòng)能在80ms左右降為0，內(nèi)能達(dá)到最高，說(shuō)明此時(shí)整車(chē)塑性變形過(guò)程結(jié)束，后面為反彈過(guò)程。B柱下端的減加速度曲線波形是評(píng)價(jià)整車(chē)結(jié)構(gòu)耐撞性的重要參考因素，也是乘員約束系統(tǒng)的主要輸入?yún)?shù)，并影響設(shè)計(jì)后期車(chē)輛能否成功的匹配氣囊。從該車(chē)的減速度波形來(lái)看，如圖4波形浮動(dòng)比較大峰值達(dá)到52.0g，與同類(lèi)型車(chē)相比偏高。

圖3　能量變化曲線

根據(jù)法規(guī)要求，碰撞結(jié)束后要保證一側(cè)車(chē)門(mén)能開(kāi)啟，所以門(mén)框變形量也作為正碰設(shè)計(jì)的重要參考因素。如果門(mén)框變形量較大，可能會(huì)導(dǎo)致車(chē)門(mén)碰撞后不能正常開(kāi)啟，如圖5所示，門(mén)框最大變形為215.4mm，遠(yuǎn)遠(yuǎn)超出目標(biāo)值60mm。

前圍板以及踏板的侵入量的大小是正碰設(shè)計(jì)又一重要參考因素。侵入量過(guò)大，直接造成正碰中假人腿部，胸部的傷害。前圍板的最大侵入量為291面mm，超出了目標(biāo)值250mm，故前圍板侵入量過(guò)大，不滿(mǎn)足設(shè)計(jì)要求。

圖4　B柱加速度曲線

圖5　門(mén)框變形量

2、車(chē)結(jié)構(gòu)耐撞性?xún)?yōu)化設(shè)計(jì)

下面我們從增大駕駛室乘員生存空間，提高整車(chē)前部結(jié)構(gòu)吸能能力角度出發(fā)，進(jìn)行車(chē)體耐撞性?xún)?yōu)化設(shè)計(jì)，希望通過(guò)改善B柱加速度波形，減小門(mén)框變形以及前圍板侵入量來(lái)達(dá)到降低乘員傷害值的目的。

從分析結(jié)果來(lái)看，整車(chē)在碰撞中的主要吸能區(qū)域并不是前端的吸能盒如圖7，而是由于車(chē)身下端的縱梁剛度不足，在車(chē)身前端縱梁吸能盒發(fā)生變形吸能之前，先出現(xiàn)了大面積潰縮變形，從而吸收了大部分的撞擊能量，導(dǎo)致了前端吸能盒在碰撞結(jié)束后仍未發(fā)生潰縮變形吸能，未能起到承擔(dān)主要吸能的作用。

圖6　縱梁結(jié)構(gòu)變形

經(jīng)過(guò)查看前端吸能盒以及縱梁的厚度發(fā)現(xiàn)，前端內(nèi)側(cè)和外側(cè)的吸能盒分貝給出的厚度為3.0mm和2.5mm，并且橫截面積比較大，導(dǎo)致前端剛度較大，而中部大變形潰縮處的縱梁外板A僅為2.0mm，截面積也比較小，導(dǎo)致此處剛度不足。因此，需要降低前端縱梁剛度，將內(nèi)側(cè)兩個(gè)吸能吸能盒厚度改為2.0mm，外側(cè)兩個(gè)吸能盒厚度改為1.8mm如圖7。加強(qiáng)中部縱梁的剛度，將縱梁A厚度改為2.5mm。這樣就達(dá)到了吸能盒部位先發(fā)生潰縮變形，吸收大部分的能量，避免了中部縱梁在碰撞中發(fā)生大變形潰縮的現(xiàn)象，從而減小了中部縱梁上部分車(chē)身的擠壓變形，保證了駕駛室乘員足夠的生存空間。

圖7　吸能盒厚度優(yōu)化

除此之外，從分析動(dòng)畫(huà)中不難看出，縱梁A在與前端吸能盒支撐梁連接處還承受了較大的彎矩，從而易發(fā)生彎曲變形。此處通過(guò)在連接處增加一個(gè)過(guò)渡件的方式如圖8，減小產(chǎn)生彎矩的半徑，從而減小了連接處所產(chǎn)生的扭矩。

圖8　結(jié)構(gòu)增加件

考慮到B柱加速度曲線波形在碰撞初期10ms時(shí)發(fā)生突變問(wèn)題，找出的原因在于碰撞發(fā)生10ms是前防撞梁與剛性墻發(fā)生接觸。由于前防撞橫梁形狀為平直狀，剛度比較大，與剛性墻發(fā)生碰撞時(shí)導(dǎo)致加速度驟然增大。因此優(yōu)化設(shè)計(jì)時(shí)將其形狀改為弧形如圖9，從而在碰撞初期使防撞橫梁與剛性墻的接觸面積由小逐漸增大的目的，加速度曲線也會(huì)隨著其接觸面積的增大而平滑升高。

圖9　前防撞橫梁優(yōu)化

從圖10中可以看出，優(yōu)化后碰撞前期的加速度尖峰消失了，加速度最大值為50.3g，相對(duì)優(yōu)化前52g，有所降低，并且曲線變得圓滑，趨勢(shì)成二階梯形遞增，符合汽車(chē)結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)要求，吸能結(jié)構(gòu)的壓潰變形也變得更加合理。

下表1對(duì)優(yōu)化前后前圍板和方向盤(pán)侵入量以及車(chē)門(mén)框變形做了對(duì)比，優(yōu)化后前圍板的侵入量明顯減小，車(chē)門(mén)變形量也降低到目標(biāo)值以下。極大的增加了駕駛室成員的生存空間，減小了對(duì)乘員腿部，胸部造成傷害的風(fēng)險(xiǎn)。

圖10　優(yōu)化前后B柱加速度對(duì)比

表1　優(yōu)化前后侵入量對(duì)比

在整車(chē)結(jié)構(gòu)耐撞性?xún)?yōu)化設(shè)計(jì)后的模型的基礎(chǔ)上，將假人放入到整車(chē)有限元模型中，建立的乘員約束系統(tǒng)。得出乘員頭部傷害值HIC36=706，頭部3ms合成加速度為68.2g。均滿(mǎn)足法規(guī)要求。

3、總結(jié)

在整車(chē)仿真的平臺(tái)上，對(duì)某商用車(chē)的初版模型就行了有限元仿真分析和針對(duì)初版模型中出現(xiàn)的不合理以及不足的結(jié)構(gòu)進(jìn)行了優(yōu)化設(shè)計(jì)，使汽車(chē)碰撞安全性得到改善。并通過(guò)建立乘員約束系統(tǒng)，得出了滿(mǎn)足法規(guī)的頭部傷害值和合成加速度，驗(yàn)證了優(yōu)化設(shè)計(jì)的合理性。為汽車(chē)安全性設(shè)計(jì)積累了經(jīng)驗(yàn)。

參考文獻(xiàn)

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Based on a development process of commercial vehicle frontal crash simulation analysis and optimization design

Zhao Qiang1, Cui Junjie1, Chen Xianghe
( School of Mechanical and Power Engineering, North University of China, Shanxi Taiyuan 030051 )

Abstract:First of all to the design of the commercial vehicle structure crashworthiness analysis model, Then based on the B pillar acceleration waveform curve trend as well as the deformation of the cab of the vehicle structure optimization design.After optimization of the simulation results show that the car’s energy absorption capacity has been improved, the bridge deformation also had significantly lower.Finally has carried on the constraint system collision analysis, results showed that the occupant injury value can satisfy the demands of design rules.

作者簡(jiǎn)介：趙強(qiáng)，就讀于中北大學(xué)機(jī)械與動(dòng)力工程學(xué)院。

中圖分類(lèi)號(hào)：U462.1

文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A

文章編號(hào)：1671-7988(2016)03-80-03

關(guān)鍵字：正面碰撞；仿真分析；優(yōu)化設(shè)計(jì)；約束系統(tǒng)