鄭何妍,盧耀輝,張德文,趙智堂,劉俊杰

(西南交通大學 機械工程學院， 成都 610031)

據(jù)調查顯示，汽車正面碰撞是所有碰撞類型之中發(fā)生最頻繁的，占事故發(fā)生數(shù)的半數(shù)以上[1]。因此，汽車正面碰撞時的安全性研究對提高車輛性能、減少事故發(fā)生概率和保護人們的生命財產安全都有極其重要的意義。

隨著計算機技術以及相關汽車工程軟件的開發(fā)與應用，碰撞試驗由最初的實車碰撞逐步被模擬碰撞的仿真技術替代。在20世紀70年代，美國Lawrence Livermore實驗室率先研究了用于汽車碰撞的模擬仿真技術，將汽車碰撞研究帶入了全新的領域[2]。汽車碰撞模擬仿真技術真正的突破始于1986年，通過應用LS-DYNA仿真軟件成功地模擬了整車大變形的過程[3]。這說明將動態(tài)顯式非線性有限元理論應用于整車碰撞仿真模擬領域是可行的，這一研究方法隨后被世界各國廣泛使用。計算機技術的發(fā)展帶動了有限元模擬仿真技術的發(fā)展，目前被廣泛應用于汽車碰撞模擬計算的軟件有PAM-CRASH、MSC/DYTRAN及LS-DYNA等。

在實車碰撞領域，我國第1個實車碰撞試驗臺于1989年在清華大學汽車實驗室內建立。清華大學在汽車安全性研究領域一直走在全國前列。裘新等[4]在1997年建立了一個簡單的整車有限元模型，并用該模型進行了前碰撞的有限元模擬研究。隨后逐漸開發(fā)了多種不同方法來分析評價汽車碰撞過程，如：陳濤、戴江璐等[5]建立載荷數(shù)據(jù)庫，提出了一種基于梯度的等效靜載荷法、G1-G2設計規(guī)則及與載荷傳遞路徑相結合的正面碰撞關鍵結構的優(yōu)化設計方法；朱冰等[6]建立了碰撞預警安全距離模型，采用基于最小二乘法與斜率法的路面附著系數(shù)估算法來精確識別全滑移率工況下的路面附著系數(shù)，提出了一種基于路面附著系數(shù)估計的自適應汽車縱向碰撞預警策略，應用Matlab和Simulink-CarSim軟件聯(lián)合進行仿真，并通過實車測試來驗證此策略；龍江啟等[7]建立了車輛正面碰撞有限元仿真模型，選取對于1階模態(tài)影響較大的車身零部件進行輕量化設計，通過對比輕量化設計前后白車身的彎曲模態(tài)和扭轉模態(tài)，預測了輕量化設計后的增程式純電動汽車的正面碰撞安全性能。

本文主要利用HyperMesh軟件進行前處理，將CAD模型轉化為CAE有限元模型，輸出k文件，并通過LS-DYNA軟件仿真求解，對整車變形、車身能量、B柱加速度和前圍侵入量等結果進行分析，研究了汽車吸能部件對碰撞結果的影響，為結構優(yōu)化方案提出參考建議。

1 正面碰撞法規(guī)

鑒于汽車碰撞事故給各國帶來了巨大的經(jīng)濟損失和人員傷亡，許多國家相繼出臺了強制性碰撞法規(guī)，以此來降低碰撞過程中產生的損失。美國、歐洲等國家在很早以前已經(jīng)制定了相關的碰撞法規(guī)，主要有美國的聯(lián)邦機動車安全標準FMVSS(federal motor vehicle safe standard)和歐盟的ECE法規(guī)體系[8]，其他國家的碰撞法規(guī)大多是參考美國、歐盟的法規(guī)體系來建立的。其中中國的碰撞法規(guī)主要參考歐盟的ECE法規(guī)體系來建立，于1999年10月頒布并實施的《關于正面碰撞乘員保護的設計規(guī)則》CMVDR294法規(guī)是參考歐洲正面碰撞法規(guī) ECER94[9]。目前，我國關于汽車碰撞的強制性標準已有60余項，有16項涉及被動安全性標準，其中已用法規(guī)《乘用車正面碰撞的乘員保護》(GB 11551—2003)代替《汽車乘員碰撞保護》(GB/T 11551—1989)，并規(guī)定汽車的碰撞速度是50 km/h[8]。中美正面碰撞法規(guī)對比見表1。

表1 中美正面碰撞法規(guī)對比

*M1類車輛：至少有4個車輪、且廠定最大總質量超過1 t、包括駕駛員座位在內座位數(shù)不超過9座的載客車輛。

2 整車有限元模型的建立及碰撞參數(shù)設置

根據(jù)某車型圖紙，通過Catia軟件建立了含底盤的整車模型，再將CAD模型導入有限元軟件 HyperMesh中進行碰撞前處理。車身有限元模型主要是以殼單元為主，選用SHELL163殼單元，部分構件采用實體單元建模，車窗玻璃也選用殼單元進行建模，車身的主體結構如門檻和前縱梁均采用高強度鋼板；對發(fā)動機、變速器和輪轂等變形不明顯的結構部件采用近似處理，用SOLID164實體單元建模，并賦予MAT20(剛性材料)的材料屬性；對車架等絕大部分結構采用MAT24(普通鋼)材料，并忽略車身小半徑的孔洞及圓角；對于車輪等橡膠塑性材料，則采用MAT1(塑料)材料。一些線路和管路的連接因為質量較小，在建模時已將其省略。以IGES圖形數(shù)據(jù)交換格式將CAD模型導入有限元軟件HyperMesh進行網(wǎng)格劃分。綜合考慮求解速度與精度，車身結構按照平均單元長度為10 mm來進行，前部主要吸能區(qū)域應適當減小單元大小(不小于5 mm)以提高結果精度。網(wǎng)格其他參數(shù)如翹曲角度、雅可比參數(shù)等參照汽車碰撞通用規(guī)范。最終搭建的整車有限元模型(如圖1)包含了998 218個節(jié)點和974 383個單元。

根據(jù)國內碰撞法規(guī)相關規(guī)定，建立正面碰撞的有限元模型。參照《乘用車正面碰撞的乘員保護》(GB 11551—2003)的要求，剛性墻一般是由鋼筋與混凝土制成的，前部寬度≥3m，高度≥1.5m，墻壁前表面的法線應與車輛直線行駛的方向成0°夾角，并且其表面覆蓋20 mm厚的膠合板[10]。根據(jù)壁障的法規(guī)要求，剛性墻和剛性地面都是剛性平面，所以建模時的材料類型選用了剛性體模型，單元類型采用了SHELL163殼單元。整車碰撞仿真需要對計算控制參數(shù)進行設置，以保證碰撞過程中整車仿真結果的準確性。沙漏設置中的沙漏參數(shù)QH為0.03，默認沙漏控制類型為類型1基于黏性的沙漏控制。仿真時間步長設置為1.00 μs。初始速度設置為50 km/h。在LS-DYNA軟件仿真過程中，為避免出現(xiàn)車架與剛性墻接觸的穿透問題，已將碰撞壁障模型按無限平面的剛性墻設置，其模型由k文件編輯生成(圖2)。

圖1 整車有限元模型

3 碰撞結果分析

求解完成后產生的結果文件在Hyperview軟件中進行查看，可觀察到整個碰撞過程中整車在不同時刻的變形，如圖3所示。由圖3可知：在整車碰撞的25 ms時，該車的保險杠、前圍板、前縱梁、發(fā)動機罩等車身前部構件都產生了很大的塑性變形，說明汽車前部已經(jīng)開始吸收撞擊能量；在75 ms時汽車尾部有較為明顯的升高趨勢，這是由于剛性墻與汽車前部之間相互的作用力中心和整車的慣性中心在汽車垂直方向有距離差，從而導致碰撞過程中整車的慣性力產生了一個繞前部碰撞作用力中心轉動的力矩，由該力矩引起了汽車尾部上抬的趨勢。

圖3 汽車正面碰撞模擬示意圖

3.1 質量縮放

在LS-DYNA的仿真分析中，由于正面碰撞是一個短暫且復雜的仿真過程，所以在仿真過程中采用了質量縮放技術，此方法縮短了整個仿真過程所需時間。有限元模型仿真計算中涉及不同的接觸算法和多種積分算法，系統(tǒng)為了保證計算的正常進行，有時會自動增加某些部件的質量，若質量增加在可接受的范圍內，則認為該模型的仿真計算結果是可信的。圖4表示汽車質量增加的過程，可見質量增加沒有超過12.5 kg，而汽車有限元模型總質量為1 400 kg，相對增加比為0.89%，滿足求解過程中模型增加質量必須小于模型總質量5%的要求，因此該模型的仿真結果是可信的。

3.2 能量轉化分析

在碰撞期間，汽車前保險杠首先與剛性墻進行碰撞接觸，車身前部變形逐漸增大，達到最大值后與剛性墻進行分離直至停止，這一過程中將大部分的動能轉變?yōu)榱塑嚿淼淖冃文?，同時部分熱能消散，整個碰撞期間是一個能量守恒的過程。圖5顯示：在碰撞期間，在0～80 ms的時間內，整車的動能由最初的峰值125 000 J下降到3 300 J，這是由于碰撞時動能被轉化而減少，減少掉的動能一部分轉化為車身內能，一部分則轉化為熱能消耗掉了，而在60 ms后動能幾乎不變是由于此時的碰撞過程基本結束，汽車速度也基本不變。碰撞后整車的內能由最初的0 J逐漸升高到110 000 J，這是由于汽車前部構件在碰撞過程中會產生塑性變形，結構受到破壞和坍塌，從而吸收動能來轉化為汽車的內能。當沙漏能為正值且占比在總能量的5%以內，認為沙漏對計算結果影響不顯著。4條曲線走勢光滑，無明顯跳躍，則認為整個仿真過程比較成功。

圖4 增加質量與總質量之比

3.3 加速度分析

B柱加速度可間接反映出乘員頭部加速度的大小，并能體現(xiàn)出碰撞過程中車身的變化，從而反映車身的耐碰撞性能，進一步評價乘員受到的損傷。在研究正面碰撞過程的加速度曲線時，為避免構件自身變形給加速度讀取精度帶來的影響，其測點一般都選在B柱下方的位置上。讀取結果文件，輸出B柱下端左右兩側Y軸方向的速度曲線。因速度值在任何時刻都具有收斂性，所以對速度曲線求導可得到相對應的加速度時間歷程的初始數(shù)據(jù)。經(jīng)過SAE 60 Hz的濾波通道對初始曲線進行濾波處理后，得到如圖6所示的加速度時間歷程曲線。從圖6可以得出：B柱在碰撞過程中的最大加速度為41.6g，左右側的加速度結果相近，且滿足國內標準中碰撞最大加速度峰值不超過50g的要求[11]，性能良好。

圖6 B柱左右側加速度曲線

3.4 保險杠和前縱梁變形分析

仿真結果顯示：汽車與剛性墻發(fā)生正面碰撞時，保險杠最先與剛性墻發(fā)生接觸碰撞，產生塑性變形。保險杠在變形的初期進行吸能，隨后通過前縱梁進行吸能。圖7顯示：保險杠相對車身最大位移量為490 mm，在很大程度上緩解了碰撞過程中產生的沖擊力，說明其對汽車碰撞起到了很好的減速吸能作用。在碰撞過程中，前縱梁起到了減緩汽車碰撞沖擊力、吸收碰撞能的作用。圖8顯示了前縱梁的壓塌變形情況，可見前縱梁的最大變形為241.2 mm，說明在碰撞過程中前縱梁較好地減緩了汽車碰撞沖擊力和較好地吸收了碰撞能。

圖7 保險杠變形

3.5 前圍板的侵入量分析

以車尾后部變形較小的一點為參照設置相對坐標系分析前圍板的侵入量。前圍板的最大侵入量發(fā)生在駕駛員側的上半部分，最大值達到178 mm，遠大于國家標準GB 11551—2003中要求的胸部最大壓縮量75 mm，會對駕駛員的胸部造成巨大傷害，因此在碰撞時該車前圍板的性能有待加強。汽車前圍板位移云圖如圖9所示。

圖9 前圍板位移云圖

3.6 A柱夾角的變化形態(tài)

在正面碰撞過程中，A柱是乘員艙的主要支承部件，它的完好性可以確保車門在碰撞后正常開啟，以保證乘員在事故后能夠成功逃離。由于本文未加入假人模型，為了評估駕駛員生存空間的變化情況，故對駕駛側的A柱折彎情況進行檢測，從A柱夾角的變形來間接求出乘員的傷害情況(圖10)。圖11為A柱與水平線的夾角變化過程，可看出汽車初始夾角為27.5°，在75 ms時刻達到最大值29.9°，角度變化量僅為2.4°，A柱折彎程度不高，說明碰撞中A柱對乘員艙造成的影響較小，車身結構性能良好。

圖10 A柱測點位置

3.7 座椅加速度

由于本文研究的正面碰撞車輛模型是無假人模型，所以不必依照新車評價標準來對車輛的乘員保護進行評價。本文通過采集駕駛員座椅上部的加速度，參考駕駛員在碰撞過程中受到的沖擊力，并選取駕駛員頸部接觸的座椅上端位置為測量點來對駕駛員的安全保護進行評價。從圖12中可以看出：座椅的最大加速度為250 000 mm/s2，換算后為25.5g。說明由于車身前部吸能材料的作用，駕駛員在碰撞過程中所受到的沖擊力會大大減小。

圖12 座椅上部加速度

3.8 優(yōu)化建議

由以上分析可得：前圍板結構需要進一步加強。在碰撞過程中，前圍板的作用主要是通過吸收碰撞產生的能量對乘員進行保護，同時也需要考慮結構和材料等對整體系統(tǒng)的影響，所以在優(yōu)化設計時可將吸能性、結構和材料等考慮進去。首先，考慮前圍板吸能方面，可采用泡沫鋁作為吸能結構材料來提高前圍板的吸能能力；其次，考慮結構方面，可通過增加1個十字形的加強結構來提高其抗撞性，使其有效地傳遞和分擔碰撞帶來的沖擊載荷，以保證駕駛艙內的人員安全；最后，考慮耐撞性方面，可采用高強度鋼或增大其板料厚度來加強其屈服強度及剛度，從而提高前圍板的耐撞性。

前縱梁作為汽車正面碰撞中主要的吸能部件，提高其變形能力可以減少碰撞對乘員艙帶來的影響，所以其結構性能對于汽車的安全性尤為重要。若要對汽車前縱梁進行優(yōu)化設計，可從以下兩個方面著手：① 考慮影響汽車碰撞性能的主導因素，也就是前縱梁由于彎曲變形而導致的吸能不足可通過在縱梁與副車架之間設計一個支撐件來解決，使前縱梁充分吸能、產生軸向壓潰力變形，從而改善其受力情況，并可通過支撐件分散碰撞時產生的沖擊力，合理建立碰撞力的傳遞路徑；② 考慮前縱梁的耐撞性方面，可在前縱梁的尾部處安裝加強筋板，或者在前縱梁各部分連接的過渡處增加焊點，進而增加構件的剛度以提高其防撞性。

4 結論

本文從事故類型出發(fā)，選擇最常見的正面碰撞類型的交通事故進行模擬仿真分析。在碰撞速度為50 km/h和沖擊時間為100 ms的條件下，對汽車的結構耐撞性進行了綜合性能評價，得到以下結論：

1) B柱在碰撞過程中的最大加速度大小為41.6g，滿足國內碰撞最大加速度峰值不超過50g的要求，說明其性能良好。

2) 本文通過仿真計算出前縱梁的最大變形為241.2 mm，說明其吸收了大部分汽車碰撞能，減緩了主要的沖擊力，使乘員艙變形較小，能實現(xiàn)碰撞后不使用工具開車門這一設計目的。

3) 前圍板相對駕駛室的入侵量為178 mm，遠大于100 mm，會對駕駛員的胸部造成巨大傷害，因此本文針對前圍板提出了一系列優(yōu)化設計的建議。

[1] 楊輝.汽車碰撞試驗法規(guī)綜述[J].上海標準化，2006(6):16-20.

[2] KHALIL T B，SHEH M Y.Vehicle Crashworthiness and Occupant Protection in Frontal Impact by FE Analysis—An Integrated Approach[M].Netherlands:Springer Netherlands，1997:363-399.

[3] HALLQUIST J O.LS-dyna Theoretical Manual[Z].1991.

[4] 劉道東,王鐵,高昱,等.汽車整車性能評價方法的研究[J].機械科學與技術,2012，31(3):379-383.

[5] 陳濤,戴江璐,陳自凱,等.基于梯度的等效靜載荷法的汽車正面碰撞關鍵結構優(yōu)化設計[J].中國機械工程，2016，27(24):3396-3401,3407.

[6] 朱冰,樸奇,趙健,等.基于路面附著系數(shù)估計的汽車縱向碰撞預警策略[J].汽車工程,2016，38(4):446-452.

[7] 龍江啟,袁章平,符興鋒,等.基于正面碰撞安全性的增程式純電動汽車車身輕量化研究[J].汽車工程，2015，37(4):466-471.

[8] 徐業(yè)平,陶緒強,張宏波,等.中美歐汽車碰撞安全法規(guī)解析[J].合肥工業(yè)大學學報(自然科學版)，2010，33(11):1612-1617.

[9] 徐業(yè)平,汪曉紅,陶緒強.美國聯(lián)邦機動車安全標準介紹[J].中國檢驗檢疫，2010(2):39-40.

[10] IRAEUS J，LINDQUIST M.Development and validation of a generic finite element vehicle buck model for the analysis of driver rib fractures in real life nearside oblique frontal crashes[J].Accident Analysis & Prevention，2016，95(Pt A):42-56.

[11] 胡遠志,曾必強,謝書港.基于LS-DYNA和HyperWorks的汽車安全仿真與分析[M].北京：清華大學出版社，2011.