田國(guó)紅，齊登科，孫立國(guó)

（遼寧工業(yè)大學(xué)汽車與交通工程學(xué)院，遼寧 錦州 121000）

某皮卡正面碰撞模擬仿真研究

田國(guó)紅，齊登科，孫立國(guó)

（遼寧工業(yè)大學(xué)汽車與交通工程學(xué)院，遼寧 錦州 121000）

文章在探討了皮卡車應(yīng)用前景后，在碰撞仿真理論的指導(dǎo)下，根據(jù)國(guó)家C-NCAP規(guī)定，以某皮卡為研究對(duì)象，利用軟件hyperworks和ls-dyna建立整車正面碰撞有限元模型并進(jìn)行仿真分析。通過(guò)對(duì)整車前部變形和加速度時(shí)間歷程曲線對(duì)比的研究，評(píng)價(jià)了整車的安全性和驗(yàn)證了仿真模型的有效性，為該款車后續(xù)的碰撞性能改進(jìn)設(shè)計(jì)提供參考。

皮卡；hyperworks/LS-DYNA；正面碰撞；仿真

10.16638/j.cnki.1671-7988.2016.01.039

CLC NO.:U467.1 Document Code:A Article ID:1671-7988(2016)01-114-03

引言

隨著中國(guó)皮卡文化的升溫，近年來(lái)很多消費(fèi)者購(gòu)買福特F150、雪佛蘭C2500這樣的中高端皮卡作為SUV的替代品。據(jù)了解，相關(guān)部門正在討論將皮卡車型劃分到乘用車系列中，因此國(guó)內(nèi)各大自主品牌汽車都在開(kāi)發(fā)中高端皮卡車型來(lái)競(jìng)爭(zhēng)這一市場(chǎng)。早期的皮卡車在設(shè)計(jì)時(shí)都沒(méi)有充分考慮碰撞安全性能設(shè)計(jì)，但現(xiàn)在開(kāi)發(fā)的中高端皮卡，其定位已經(jīng)不再是工具車的概念，而是是SUB、休閑車、工具車的集成，其碰撞安全性能的定位在越野SUV之下、普通卡車之上[1]。

汽車正面碰撞事故是最常發(fā)生的交通事故，因而對(duì)汽車的碰撞研究中，正面碰撞性研究是重中之重，這樣可以較好引導(dǎo)汽車正面碰撞設(shè)計(jì)和改進(jìn)?，F(xiàn)在對(duì)汽車碰撞的研究，一般是根據(jù)汽車碰撞實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)，在計(jì)算機(jī)上建立有限元汽車碰撞仿真模型，然后對(duì)其進(jìn)行求解并對(duì)驗(yàn)證模型的有效性。該方法碰撞復(fù)現(xiàn)性好，研發(fā)周期短。本文以某款皮卡車為研究對(duì)象，進(jìn)行計(jì)算機(jī)碰撞模擬仿真，對(duì)正面碰撞仿真結(jié)果進(jìn)行分析，驗(yàn)證了模型的有效性，為后續(xù)合理的進(jìn)行車身結(jié)構(gòu)安全性設(shè)計(jì)、改善車身結(jié)構(gòu)件提供強(qiáng)有力的技術(shù)支持[2]。

1、整車有限元模型的建立

1.1 車體模型的簡(jiǎn)化與網(wǎng)格劃分

根據(jù)正面碰撞的特點(diǎn)，在劃分網(wǎng)格時(shí)有些汽車部件需要先抽取其中面，然后在劃分二維殼單元，最后再屬性中賦予真實(shí)厚度。對(duì)于汽車來(lái)說(shuō)一般分為三個(gè)艙：發(fā)動(dòng)機(jī)艙、乘員艙和后備箱艙，一般希望發(fā)動(dòng)機(jī)艙變形較大以便吸收更多的能量。所以對(duì)于正碰，前部是主要的變形部件，對(duì)于進(jìn)行有限元離散時(shí)，對(duì)該部件要細(xì)化網(wǎng)格來(lái)真實(shí)的反應(yīng)結(jié)構(gòu)；而對(duì)于那些在汽車后部，不參與碰撞的部件可以省略一些不關(guān)鍵的特征，對(duì)其網(wǎng)格進(jìn)行粗化；于發(fā)動(dòng)機(jī)和變速箱部件，剛度大且結(jié)構(gòu)復(fù)雜，在碰撞過(guò)程中基本不變形，對(duì)其視為剛體，在劃分網(wǎng)格時(shí)可以用粗網(wǎng)格來(lái)描繪外形輪廓即可。

針對(duì)不同區(qū)域CAE模型網(wǎng)格的大小規(guī)定，在發(fā)生碰撞的變形較大的區(qū)域劃分大小為10-15mm的網(wǎng)格單元，通過(guò)控制最小單元，來(lái)控制計(jì)算過(guò)程的時(shí)間步長(zhǎng)；非碰撞區(qū)域網(wǎng)格大小可以擴(kuò)大到25%左右。另外，三角形單元所占百分比不超過(guò)總單元數(shù)目的10%，翹曲單元不超過(guò)15%，防止集中出現(xiàn)翹曲單元的區(qū)域，在能量吸收區(qū)域盡量采用規(guī)則的網(wǎng)格劃分，以盡量提高建模精度。

1.2 材料屬性

車身大部分都是低碳合金薄鋼STL.12、STL.13和一些塑性材料等，在對(duì)仿真模型進(jìn)行材料屬性參數(shù)設(shè)置時(shí)，一般是使用試驗(yàn)測(cè)出的實(shí)際材料的試驗(yàn)真實(shí)值， 對(duì)于鋼一般使用軟件中的24號(hào)材料模式（在hyperworks中涉及到的關(guān)鍵字為MATL24），該材料屬于多線性彈塑性材料，材料達(dá)到屈服后硬化曲線由多段直線組成，定義比較方便。在此關(guān)鍵字下需要定義材料密度、彈性模量、泊松比、屈服應(yīng)力等參數(shù)，材料中的有效應(yīng)力應(yīng)變曲線一般是通過(guò)關(guān)鍵字Curve來(lái)設(shè)置的。圖1為前縱梁的材料應(yīng)力應(yīng)變曲線。

圖1 前縱梁的材料應(yīng)力應(yīng)變曲線

1.3 約束接觸設(shè)置和加速度傳感器布置

本文剛性墻和地面的建立通過(guò)關(guān)鍵字RIGIDWALL來(lái)創(chuàng)建的，兩者和汽車的接觸是通過(guò)關(guān)鍵字RIGIDWALL下的參數(shù)來(lái)設(shè)置的。另外汽車自身的可變形體部件接觸是通過(guò)定義一個(gè)總體的單面接觸（contact automatic-single surface）來(lái)實(shí)現(xiàn)，這種接觸方式能夠自動(dòng)從殼單元的兩邊進(jìn)行接觸檢測(cè)，而且對(duì)網(wǎng)格中的接觸處理比較好。另外，汽車模型中的可變形體和剛形體的接觸連接是通過(guò)共節(jié)點(diǎn)來(lái)實(shí)現(xiàn)，也就是通過(guò)關(guān)鍵字XtraNode類型的接觸來(lái)是實(shí)現(xiàn)連接的。汽車模型中的剛形體之間的接觸連接是通關(guān)關(guān)鍵字ConstRigidRbody來(lái)實(shí)現(xiàn)的。

本車體模型中在四個(gè)位置定義了加速度傳感器測(cè)量點(diǎn)：右座椅（Right seat）、左座椅（Left seat）、發(fā)動(dòng)機(jī)底部（Engine seat）和汽車中心（Vehicle CG），圖2為加速度傳感器在車體模型中的位置。一般通常采用一個(gè)等腰直角三角形定義傳感器單元，依次拾取傳感器坐標(biāo)原點(diǎn)的節(jié)點(diǎn)，圖3為傳感器節(jié)點(diǎn)順序。將節(jié)點(diǎn)N1指定為測(cè)量點(diǎn)，既可以得到所需數(shù)據(jù)[3]。

圖2 加速度傳感器位置

圖3 傳感器節(jié)點(diǎn)順序

根據(jù)正面碰撞法規(guī)，正面剛性墻碰撞速度不低于50km/h，本皮卡實(shí)車碰撞速度為56km/h（沿x方向），碰撞角為零即垂直于壁障前表面的直線與車輛行駛的方向之間的夾角為0o，本模型的仿真速度為56km/h，模型施加向下的加速度為9.8m/s2。從hyperworks中導(dǎo)出為k文件，用ls-dyna求解器進(jìn)行求解。圖4為正面碰撞邊界條件。

圖4 正面碰撞邊界條件

2、碰撞模型的驗(yàn)證與評(píng)價(jià)

對(duì)模型仿真后的文件進(jìn)行分析，和實(shí)車碰撞數(shù)據(jù)對(duì)比分析得出仿真模型的有效性，并對(duì)此正面碰撞進(jìn)行評(píng)價(jià)。正面碰撞仿真結(jié)果的真實(shí)性和準(zhǔn)確性評(píng)價(jià)，通常采用定性分析和定量分析[4]。

定性評(píng)價(jià)主要是實(shí)車試驗(yàn)結(jié)果和仿真模擬結(jié)果進(jìn)行對(duì)比，觀察撞擊區(qū)域在各個(gè)時(shí)刻的變形形式和各主要部件的撞擊特征，主要是整車前部的變形情況和實(shí)車碰撞結(jié)果對(duì)比。圖5為底盤前部在t=0ms和t=75ms的變形量。

圖5 底盤前部變形量

通過(guò)對(duì)比結(jié)果可知，二者變形基本一致，仿真結(jié)果和實(shí)車碰撞結(jié)果基本吻合。圖6為正碰過(guò)程中能量變化情況。

圖6 正碰過(guò)程中能量變化

定量分析時(shí)度數(shù)量特征、數(shù)量關(guān)系和數(shù)量變化的分析。汽車碰撞過(guò)程中的加速度變化就是一種定量分析。在正碰事故中乘員的傷害形式主要是運(yùn)動(dòng)傷害和接觸傷害。接觸傷害就是駕駛艙變形量較大而駕駛員沒(méi)有足夠的生存空間，從前部變形量中可知，接觸傷害能夠滿足碰撞法規(guī)的要求；運(yùn)動(dòng)傷害就是指乘員在大的加速度沖擊下，身體各器官相對(duì)運(yùn)動(dòng)過(guò)大，對(duì)內(nèi)臟造成損傷。所以說(shuō)，降低車體的碰撞減速度是考慮重點(diǎn)。通過(guò)觀察座椅的加速度來(lái)判斷人體的加速度變化情況，圖7為左右座椅的速度和加速度的變化形式。

對(duì)仿真模型和實(shí)車碰撞中的座椅加速度變化進(jìn)行對(duì)比，可知加速度曲線吻合度較高，進(jìn)一步證明了車體模型的有效性，通過(guò)座椅的加速變化情況來(lái)間接知道乘員在碰撞過(guò)程中的減速度沖擊，在此速度對(duì)人體不造成損傷。

通過(guò)車身前部變形對(duì)比和代表乘員減速度的座椅減速度對(duì)比，最后得出汽車仿真模型是有效的。并且通過(guò)車身前部變形可知，駕駛艙變形較小，滿足碰撞法規(guī)要求；座椅的減速度變化也在法規(guī)規(guī)定范圍內(nèi)，不會(huì)對(duì)人體造成損傷。

圖7 座椅速度和加速度變化

3、總結(jié)

利用計(jì)算機(jī)仿真技術(shù)對(duì)皮卡正面碰撞進(jìn)行有限元仿真，并通過(guò)正面碰撞試驗(yàn)的變形時(shí)間歷程及車身前部結(jié)構(gòu)變形驗(yàn)證了整車碰撞有限元模型的有效性。在本文中，碰撞過(guò)程中的乘員減速度變化是通過(guò)測(cè)量座椅處的減速度來(lái)表現(xiàn)的，此處的加速度是評(píng)價(jià)乘員傷害程度的一個(gè)重要指標(biāo)。通過(guò)觀察車身前部的變形量可知，發(fā)動(dòng)機(jī)艙變形量較大和乘員艙變形量較小，這樣既滿足了車身前部既能吸收較多的能量，又滿足了乘員艙變形較小的要求。皮卡仿真模型的有效性對(duì)于后續(xù)研究碰撞性能改進(jìn)提供參考。

[1] 唐波.中國(guó)高端皮卡安全性能標(biāo)桿研究[J].汽車與配件,2012(12):46-48.

[2] 田湘龍.某微車正面碰撞模擬仿真與優(yōu)化[J].機(jī)械設(shè)計(jì)與制造,2002(9):218-220.

[3] 胡志遠(yuǎn),曾必強(qiáng).基于LS-DYNA和Hyperworks的汽車安全仿真與分析[M]. 北京:清華大學(xué)出版社,2011.

[4] 黃世霖,張金換,王曉冬等.汽車碰撞安[M].北京:清華大學(xué)出版社,2003.

Simulation research for one pickup frontal crashworthiness

Tian Guohong, Qi Dengke, Sun Liguo

（Liao Ning University of Technology Automobile and Traffic Academy, Liaoning Jinzhou 121000）

The prospect of application of the pickup is discussed in this paper firstly,according to the C-NCAP and based on the basic principle of vehicle crash analysis using the nonlinear finite element method.A pickup truck as the research object, the frontal crash finite element mode of pickup is established and simulation analysis using the software hyperworks and ls-dyna.After analyzing the deformation of the front of the vehicle and curves of acceleration,Evaluat the safety of the vehicle and verify the effectiveness of the simulation model.which will supply the reference standard for the collision performance of the subsequent improvement of the car design.

pickup; hyperworks/LS-DYNA; frontal impact; simulation

U467.1

A

1671-7988(2016)01-114-03

田國(guó)紅，就職于遼寧工業(yè)大學(xué)汽車與交通工程學(xué)院。齊登科，就讀于遼寧工業(yè)大學(xué)汽車與交通工程學(xué)院。