韓玉環(huán) 曾祥義 劉志新 李向榮
摘要:結(jié)合樣車在碰撞試驗中的動態(tài)表現(xiàn),對正面碰撞的加速度曲線進(jìn)行分析,同時提出判斷車身入侵量是否合理的評價指標(biāo)。通過對車身前端結(jié)構(gòu)強(qiáng)度的調(diào)整,達(dá)到優(yōu)化整車碰撞波形的目的,并使侵入量滿足指標(biāo)要求Ⅲ。后期借助臺車試驗對優(yōu)化后的波形進(jìn)行驗證,使假人的各個傷害值滿足正面碰撞法規(guī)(GB 11551-2014)的要求,從而證明優(yōu)化波形的有效性和正確性。
關(guān)鍵詞:車身變形;正面碰撞;波形優(yōu)化;臺車試驗
1引言
近年來國內(nèi)汽車的保有量逐年上升,交通事故也是呈明顯上升態(tài)勢。正面碰撞是發(fā)生頻率最高的交通事故,所以研究正面碰撞性能顯得尤為重要。為了促進(jìn)汽車正面碰撞設(shè)計和耐撞性的提升,在總結(jié)分析汽車碰撞實(shí)驗數(shù)據(jù)的基礎(chǔ)上,利用LS-DYNA軟件模擬仿真汽車正面碰撞過程,在模型和試驗對標(biāo)的基礎(chǔ)上,把相應(yīng)的方案在模型中進(jìn)行體現(xiàn)同時以侵入量為優(yōu)化目標(biāo),對更新后的模型進(jìn)行驗算,達(dá)到快速有效開發(fā)的目的。
本文以某款微車為研究對象,進(jìn)行碰撞模擬仿真,并對正面碰撞的結(jié)果進(jìn)行了研究分析。在整車平臺的開發(fā)中,充分考慮碰撞安全性能,滿足消費(fèi)者日益增長的需求,已是衡量一個產(chǎn)品是否成功的標(biāo)準(zhǔn)。
2樣車碰撞摸底試驗
2.1碰撞試驗表現(xiàn)
碰撞試驗為一微型貨車,試驗后車門不能正常開啟,前端結(jié)構(gòu)擠壓嚴(yán)重。乘員的生存空間已經(jīng)無法保障,假人的指標(biāo)各傷害值不太理想。駕駛室變形明顯,同時車架縱梁存在彎折,使假人在與駕駛室相對運(yùn)動過程中與方向盤接觸位置產(chǎn)生偏差,導(dǎo)致假人的頭部傷害指標(biāo)HPC>1000,不滿足法規(guī)要求。見圖1所示。
2.2各關(guān)鍵部位侵入量
目前在整車的碰撞安全性能開發(fā)前期都會為車身耐撞性的開發(fā)進(jìn)行性能指標(biāo)分解,包括能量分配、傳力路徑的規(guī)劃,車身結(jié)構(gòu)的侵入量等內(nèi)容。為了降低車型后期開發(fā)的成本,這里只對車身結(jié)構(gòu)的侵入量進(jìn)行控制,同時適當(dāng)調(diào)整縱梁結(jié)構(gòu)強(qiáng)度。通過控制車身各關(guān)鍵部位的侵入量,可以使乘員艙的生存空間得到保障,避免對假人造或過大的傷害。下表是侵入量的評價指標(biāo)及各部位在碰撞試驗中的測量值:
由下表可以看出,各關(guān)鍵點(diǎn)的侵入量或后退量基本全部在指標(biāo)要求的范圍之外,同時在結(jié)合樣車在摸底試驗中的碰撞表現(xiàn),可以得出結(jié)論:(1)車架前縱梁前端吸收能量偏低,導(dǎo)致駕駛室變形嚴(yán)重;(2)車架中段強(qiáng)度過低,碰撞過程中彎折,駕駛室往后發(fā)生一定角度的翻轉(zhuǎn),使假人傷害值增加。
2.3加速度波形分析
原始波形經(jīng)過濾波通道頻率等級為60的低通濾波器濾波后,得到了CFC60波形,見下圖:
對上圖中的碰撞波形進(jìn)行分析,主要有以下兩個問題:
(1)圖中碰撞的帶寬較長,一般碰撞時間在80ms左右就已經(jīng)結(jié)束,此碰撞過程持續(xù)到lOOms左右。
(2)波形存在兩處比較明顯的尖狀波形(圖中圓圈處),說明在碰撞過程中縱梁的吸能過程不穩(wěn)定,后期需對縱梁的整體剛度進(jìn)行結(jié)構(gòu)優(yōu)化。
從以上幾方面的分析可以得出結(jié)論:車身前端結(jié)構(gòu)的不合理導(dǎo)致吸能效果不理想,碰撞波形變化劇烈,車身整體變形量過大,各關(guān)鍵部位的侵入量較大,車身結(jié)構(gòu)有很大的提升空間。
3有限元對標(biāo)模型建立
3.1建立LS-DYNA環(huán)境下基礎(chǔ)模型
應(yīng)用有限元法進(jìn)行仿真分析幾何模型的建立是重要內(nèi)容,也是求解的基礎(chǔ)。首先對模型進(jìn)行網(wǎng)格劃分、設(shè)置約束、載荷和邊界條件,最后進(jìn)行求解,得出仿真結(jié)果。
完成的仿真模型中沙漏能占模型總能量3.21%,小于目標(biāo)要求5%;滑移界面能占模型總能量1.59%,小于目標(biāo)要求5%;模型總質(zhì)量增加1.59%,小于目標(biāo)要求3%;模型總能量最大波動幅度為1.79%,小于目標(biāo)要求3%。基于以上幾點(diǎn),模型能量變化基本符合能量守恒定律,模型可用于對標(biāo)。具體數(shù)值見下表2:
3.2有限元模型與碰撞試驗對標(biāo)
3.2.1前端結(jié)構(gòu)潰縮形式對標(biāo)
根據(jù)摸底試驗中的碰撞表現(xiàn)對標(biāo)碰撞模型。分別對車身前縱梁的前端和中段進(jìn)行對標(biāo)。圖2的第一個波峰是由前縱梁前端的撞擊潰縮產(chǎn)生的,加速度在30g左右;第二個波峰數(shù)值在44g左右,是縱梁中段彎折后整體作用產(chǎn)生的效果。
圖3中左面是仿真模型縱梁前端的潰縮形式,與試驗中的變形模式相接近。圖四中縱梁中段產(chǎn)生折彎現(xiàn)象,仿真模型也體現(xiàn)了相應(yīng)效果。車身前端結(jié)構(gòu)主要吸能件對標(biāo)基本達(dá)到要求。
3.2.2侵入量對標(biāo)
通過縱梁前端和中段的對標(biāo),可以保證模型與試驗在關(guān)鍵件的潰縮形式上保持一致;同時對車身各部位的入侵量對行對比,進(jìn)一步保證模型與實(shí)車狀態(tài)的一致性。從而在此對標(biāo)模型的基礎(chǔ)上提出改進(jìn)方案,優(yōu)化仿真的可信度極高。
4碰撞仿真模型優(yōu)化
4.1結(jié)構(gòu)加強(qiáng)方案
通過前面對樣車碰撞表現(xiàn)與加速度波形的分析,對車身結(jié)構(gòu)做相應(yīng)調(diào)整,以優(yōu)化波形。經(jīng)過多輪的驗算敲定車身結(jié)構(gòu)的優(yōu)化方案,其中前縱梁的材質(zhì)由DC01調(diào)整到B210P1;縱梁內(nèi)部增加加強(qiáng)板,料厚在1.2mm,材質(zhì)B210P1;縱梁的后端需單獨(dú)加強(qiáng),以增加整體的穩(wěn)定性。加強(qiáng)方案見下圖5:
4.2碰撞仿真模擬
根據(jù)車架加強(qiáng)方案,同步更新有限元模型,并進(jìn)行碰撞模擬仿真分析。
波形優(yōu)化后,可以看出縱梁的變形趨于穩(wěn)定,沒有大的尖峰產(chǎn)生,同時碰撞的時間帶寬也大幅減小,在60ms左右完成碰撞過程??偟膩砜矗岸私Y(jié)構(gòu)的剛度得到加強(qiáng),車身前端的最大變形量相對基礎(chǔ)車型大幅減小,經(jīng)過對比在132mm左右。碰撞波形見下圖6:
4.3關(guān)鍵部位侵入量
對仿真模型中各部位的侵入量進(jìn)行統(tǒng)計,并與評價標(biāo)準(zhǔn)值進(jìn)行對比,可以看到優(yōu)化后的侵入量數(shù)值都滿足評價指標(biāo),優(yōu)化后的波形初步可信。見表4。
5臺車試驗驗證優(yōu)化波形
5.1模擬臺車試驗
波形優(yōu)化后如在整車狀態(tài)實(shí)現(xiàn),其周期較長,投入較大。模擬臺車試驗可以很好的解決這個問題,把白車身經(jīng)過加工后安裝到試驗臺車上,可以快速準(zhǔn)確的驗證波形的有效性,大大縮短了開發(fā)周期,同時也降低了開發(fā)成本。
試驗臺車由液壓伺服電機(jī)驅(qū)動,把優(yōu)化后的波形做為pulse輸入到驅(qū)動系統(tǒng)中,完成沖擊試驗。同時白車身安裝好約束系統(tǒng)各部件,要求與實(shí)車的狀態(tài)一致。按照正面碰撞法規(guī)(11551-2014)的要求布置好假人,安裝好傳感器及數(shù)據(jù)采集等設(shè)備。圖7是試驗前的狀態(tài):
5.2試驗結(jié)果
試驗后對假人的傷害值進(jìn)行統(tǒng)計,具體數(shù)值見表5:
可以看出,假人的各個限值都滿足要求,試驗順利通過,從而證明了優(yōu)化波形的正確性。
6結(jié)語
本文詳細(xì)闡述了一種在正面碰撞性能開發(fā)中基于車身變形量的正面碰撞波形的優(yōu)化方法,利用碰撞試驗和有限元仿真相結(jié)合的方法快速有效的解決問題。在正面碰撞中,車身結(jié)構(gòu)的設(shè)計、碰撞波形的形態(tài)、約束系統(tǒng)配置對假人傷害的影響較大,同時也是一個耦合關(guān)聯(lián)性較強(qiáng)的一個問題。通過這種優(yōu)化方法可以使車身結(jié)構(gòu)耐撞性和約束系統(tǒng)開發(fā)相獨(dú)立,從而使每個開發(fā)模塊的開發(fā)目標(biāo)更明確。碰撞波形的優(yōu)化,與整車各總成的結(jié)構(gòu)形式、工藝的一致性等方面息息相關(guān)。此方法有助于進(jìn)行車身結(jié)構(gòu)安全性能設(shè)計,提高整車的耐撞性,減少碰撞對乘員的沖擊,并為平臺后續(xù)產(chǎn)品的開發(fā)提供參考和支持。