都雪靜，宋佳麗

(東北林業(yè)大學(xué) 交通學(xué)院，黑龍江 哈爾濱 150040)

從我國近年交通事故的總數(shù)量來看，雖然交通事故的發(fā)生量呈下降趨勢，但總體數(shù)量仍然較大。在碰撞事故中，正面碰撞數(shù)量約占49%，側(cè)面碰撞數(shù)量約占25%，追尾碰撞數(shù)量約占22%[1-3]。從交通事故的發(fā)生率可以得知，汽車安全的重點(diǎn)是正面碰撞。

隨著有限元理論與計(jì)算機(jī)仿真軟件的發(fā)展，研究人員可通過仿真軟件建立汽車有限元模型，通過定義材料、設(shè)置約束等方式來再現(xiàn)汽車碰撞過程，并從中得到汽車在碰撞過程中的能量、變形、速度、應(yīng)力等方面變化。近年來，國內(nèi)外有很多學(xué)者對(duì)汽車進(jìn)行了正面碰撞研究。國外的Wood[4-5]、Dima[6]和Leschke[7]等通過研究正面碰撞中汽車的加速度和位移響應(yīng)，來評(píng)價(jià)汽車碰撞的嚴(yán)重程度。Karthikeyan[8]等在ANSYS中完成對(duì)汽車的正面碰撞仿真，來評(píng)估汽車的耐撞性。Carollo[9]和Masahito[10]等通過對(duì)SUV車型正面碰撞的研究，探究了SUV正面碰撞對(duì)駕駛員身體重要部位(如頭部和胸部)造成的損傷。國內(nèi)的潘磊等以陸風(fēng)某SUV車型為對(duì)象，進(jìn)行整車50 km/h正面碰撞仿真，驗(yàn)證了該有限元模型的有效性[11]。劉禎耀[12]和Kwon[13]等采用LS-DYNA對(duì)車輛正面相撞進(jìn)行碰撞仿真分析,探究汽車的安全性。都雪靜[14-15]和阮觀強(qiáng)[16]等建立SUV正面低速碰撞有限元模型，根據(jù)仿真結(jié)果對(duì)前保險(xiǎn)杠進(jìn)行優(yōu)化。吳斌[17]和胡遠(yuǎn)志[18]等建立了SUV有限元模型，對(duì)整車安全性進(jìn)行碰撞仿真分析及優(yōu)化，且優(yōu)化方案能有效提高SUV的剛度。

本文以某SUV為研究對(duì)象，基于ANSA軟件建立整車有限元模型，按照《C-NCAP管理規(guī)則(2018年版)》法規(guī)進(jìn)行有限元模型正面100%重疊剛性壁障的碰撞仿真，通過LS-DYNA求解器分析該模型的碰撞性能，并針對(duì)不足之處提出參考建議，為后續(xù)優(yōu)化設(shè)計(jì)提供依據(jù)。

1 正面碰撞有限元模型的建立

1.1 整車有限元模型的建立

首先應(yīng)用UG軟件建立SUV整車模型，將模型轉(zhuǎn)換成stp.格式，再導(dǎo)入到ANSA中，對(duì)模型進(jìn)行前期處理，主要包括幾何清理、網(wǎng)格劃分、參數(shù)設(shè)置及輸出控制等，完成正面碰撞有限元模型的建立。

考慮到仿真計(jì)算時(shí)間，刪除模型中影響不大的不規(guī)則特征，如半徑小于5 mm的凸臺(tái)和沉孔。車身的薄板結(jié)構(gòu)采用殼單元進(jìn)行劃分，發(fā)動(dòng)機(jī)、變速箱等不易變形結(jié)構(gòu)均采用實(shí)體單元，設(shè)置網(wǎng)格的基準(zhǔn)尺寸為10 mm，而前部主要吸能區(qū)網(wǎng)格尺寸不宜過大，網(wǎng)格大小控制在5 mm左右以提高結(jié)果精度。根據(jù)BOM(材料明細(xì))表賦予單元材料屬性，白車身等鈑金件定義為彈塑性材料，采用MAT24進(jìn)行模擬；在碰撞過程中，發(fā)動(dòng)機(jī)、變速箱、剛性壁障等部件會(huì)保持相對(duì)位移而不發(fā)生改變，采用MAT20進(jìn)行模擬；前、后擋風(fēng)玻璃及輪胎等采用MAT ELASTIC材料進(jìn)行模擬；焊點(diǎn)材料采用MAT100進(jìn)行模擬，實(shí)體屬性控制關(guān)鍵字為*SECTION_SOLID。最終完成整車正面碰撞有限元模型，如圖1所示，其中包括1 365 157個(gè)殼單元(1 299 477個(gè)四邊形單元，65 680個(gè)三角形單元)、67 394個(gè)實(shí)體單元。

圖1 整車正面碰撞有限元模型

1.2 參數(shù)設(shè)置

1.2.1 初始速度及步長

根據(jù)《C-NCAP管理規(guī)則(2018年版)》，需要賦予該SUV有限元模型50 km/h的初速度，方向?yàn)榇怪庇趧傂詨Γ以贏NSA中需要將速度轉(zhuǎn)化為13 888.9 mm/s，并設(shè)置碰撞時(shí)間為200 ms。

1.2.2 接觸定義

在碰撞過程中，車身各部件會(huì)發(fā)生變形、接觸關(guān)系，因此，需要對(duì)整車網(wǎng)格設(shè)置自接觸，關(guān)鍵字為CONTACT_AUTOMATIC_ SINGLE_ SURFACE。此外，整車與剛性墻之間的接觸為面與面接觸，需要設(shè)置面接觸，關(guān)鍵字為CONTACT_AUTOMATIC_SURFACE_ TO_SURFACE。

1.2.3 輸出設(shè)置

在將整車模型導(dǎo)入到LS-DYNA計(jì)算前，需要進(jìn)行整車求解，并對(duì)輸出進(jìn)行相應(yīng)的參數(shù)設(shè)置。輸出卡片的主要參數(shù)包括：CONTROL_ ENERGY,各參數(shù)設(shè)置如圖2所示。DATABASE_ BINARY_ D3PLOT設(shè)置為0.005，GLSTAT設(shè)置為0.001，NODOUT設(shè)置為0.0001。

1.3 仿真模型的有效性

汽車碰撞過程是能量守恒的過程，即除了產(chǎn)生熱量外，動(dòng)能和內(nèi)能相互轉(zhuǎn)換。讀取Glstat文件，選擇輸出動(dòng)能、內(nèi)能、系統(tǒng)沙漏能和系統(tǒng)總能量曲線，如圖3所示。

從圖3可以看出，在碰撞過程中整車的動(dòng)能逐漸減小，內(nèi)能逐漸增大，曲線變化合理且過渡光滑，沒有明顯跳躍，總能量基本處于守恒狀態(tài)，表明該模型仿真結(jié)果的可靠性與有效性。

圖2 設(shè)置輸出卡片的主要參數(shù)

圖3 整車能量變化曲線

圖4 整車速度時(shí)間歷程曲線

圖5 不同時(shí)刻整車變形

2 正面碰撞仿真結(jié)果分析

有限元模型設(shè)置完成后，需要導(dǎo)出K文件，并采用LS-DYNA求解器進(jìn)行運(yùn)算，仿真結(jié)果使用HyperView進(jìn)行數(shù)據(jù)分析及圖像處理，對(duì)整車耐撞性進(jìn)行評(píng)價(jià)。

2.1 整車速度分析

整車速度時(shí)間歷程曲線如圖4所示。從圖4可以看出，剛開始整車以13 888.9 mm/s的初速度做勻速運(yùn)動(dòng)，在7 ms左右開始與剛性墻接觸并發(fā)生碰撞，之后整車速度逐漸降低，并在70 ms左右整車速度降為零，而由于汽車前部結(jié)構(gòu)大部分是彈塑性材料，整車發(fā)生反彈，以1 200 ms/s的速度反向運(yùn)動(dòng)，最終趨于穩(wěn)定，符合實(shí)際碰撞中汽車的速度變化狀況。

在整個(gè)碰撞過程中，整車在不同時(shí)刻的變形如圖5所示。

2.2 B柱加速度分析

當(dāng)發(fā)生正面碰撞時(shí)，B柱加速度值是衡量整車耐撞性的重要指標(biāo)，可間接反映乘員的頭部加速度大小。通常情況下將加速度傳感器安裝在左右兩側(cè)B柱與門檻梁的交界處，可以在Tools操作界面選擇Create cards的*ELEMENT-SEATBELT-ACCELEROMETER，創(chuàng)建需要設(shè)置的加速度傳感器。加速度測量點(diǎn)選擇該位置的主要原因有兩方面：一是該位置結(jié)構(gòu)剛度較大，在碰撞中產(chǎn)生的變形較小；二是該位置靠近第一排乘員的乘坐位置，能夠真實(shí)地反映乘員在碰撞過程中感受到的加速度變化情況。

在讀取結(jié)果文件時(shí)，需要采用SAE 60HZ的濾波通道對(duì)初始速度進(jìn)行濾波處理，進(jìn)而得到左右兩側(cè)B柱的加速度曲線，如圖6所示。其中，左側(cè)B柱的加速度峰值約為35 g，右側(cè)B柱的加速度峰值約為38 g。在不放入假人的試驗(yàn)條件下，只有當(dāng)整車加速度最大值不超過40 g，才能保證假人頭部損傷值(HIC)在工程經(jīng)驗(yàn)要求的范圍內(nèi)[19]，因此，可以說明該車在碰撞過程中不會(huì)對(duì)乘員造成傷害，符合法規(guī)要求。

圖6 左右兩側(cè)B柱加速度曲線

2.3 保險(xiǎn)杠與前縱梁變形分析

當(dāng)汽車發(fā)生正面碰撞時(shí)，保險(xiǎn)杠系統(tǒng)與前縱梁會(huì)吸收整車碰撞的大部分能量，大約占50%以上[20]。圖7、圖8分別為保險(xiǎn)杠與前縱梁碰撞前后的變形圖。由圖7可知，保險(xiǎn)杠蒙皮最先出現(xiàn)壓潰變形，中間部位沒有發(fā)生明顯折彎，說明很好地吸收了能量，緩解了碰撞過程中的沖擊力；吸能盒和縱梁的前部也發(fā)生褶皺變形，說明汽車前部吸收能量充分，起到了很好的減速和吸能作用。

圖7 保險(xiǎn)杠與前縱梁變形前

圖8 保險(xiǎn)杠與前縱梁變形后

2.4 前圍板侵入量分析

在碰撞過程中，汽車的前部(包括發(fā)動(dòng)機(jī)等部件)會(huì)因變形而后移，進(jìn)而使前圍板出現(xiàn)擠壓變形，并有可能侵入到乘員艙內(nèi)，如果侵入量過大會(huì)對(duì)駕駛員的腿部及腳部造成傷害。根據(jù)經(jīng)驗(yàn)，當(dāng)前圍板侵入量小于150 mm，符合法規(guī)對(duì)腿部傷害的要求[21]。圖9為前圍板動(dòng)態(tài)侵入云圖，從圖9可以看出前圍板的最大侵入量為153.1 mm，大于150 mm區(qū)域出現(xiàn)在右側(cè)的腳部及腿部位置，可能會(huì)對(duì)副駕駛乘員造成腿部傷害。

圖9 前圍板動(dòng)態(tài)侵入云

2.5 車門變形量分析

我國的《乘用車正面碰撞的乘員保護(hù)》(GB 11551-2003)規(guī)定，汽車發(fā)生碰撞后車門不應(yīng)發(fā)生鎖死，且在自然情況下打開車門的力應(yīng)小于60 N。通常情況下，若碰撞后車門門框變形在50 mm之內(nèi)，就可以保證車門正常開啟[22]。

選取前門上下鉸鏈處與水平對(duì)應(yīng)B柱處兩組測量點(diǎn)，通過讀取測量點(diǎn)之間的相對(duì)位移來判斷車門是否能正常開啟。前門門框變形如圖10所示，其中，左側(cè)前門門框在70 ms左右達(dá)到最大變形量，且其上部最大相對(duì)位移量為22 mm，下部為6 mm；右側(cè)前門門框在75 ms左右達(dá)到最大變形量，且其上部最大相對(duì)位移量為14 mm，下部為4 mm。由此可知，左右兩側(cè)車門門框變形均在50 mm以下，符合法規(guī)對(duì)前門門框的變形要求。

3 改進(jìn)措施

針對(duì)前圍板侵入量較大問題，可以從兩個(gè)角度進(jìn)行改進(jìn)。

1)考慮結(jié)構(gòu)和材料對(duì)整個(gè)系統(tǒng)的影響，對(duì)前圍板自身進(jìn)行改進(jìn)。在材料方面，可以采用具有明顯吸能效果的泡沫鋁材料，提高前圍板的吸能能力；在結(jié)構(gòu)方面，可以在前圍板處的下橫梁與發(fā)動(dòng)機(jī)最先接觸的左右兩端區(qū)域加焊兩塊加強(qiáng)鈑金件，可以增加下橫梁的抗彎強(qiáng)度；在耐撞性方面，可以采用高強(qiáng)度鋼或增加金屬板厚度來加強(qiáng)剛度，從而提高前圍板的耐撞性。

2)由于前圍板所承受的沖擊載荷來自前縱梁，而前縱梁由于彎曲變形導(dǎo)致的吸能不足會(huì)導(dǎo)致前圍板侵入量增加，因此，還可以對(duì)前縱梁進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)。在結(jié)構(gòu)方面，可以在縱梁內(nèi)板上增加導(dǎo)向槽，以引導(dǎo)縱梁的變形并增加其壓縮變形。

此外，縱梁截面形狀近乎為矩形，而矩形截面橫梁在承受壓力時(shí)容易發(fā)生結(jié)構(gòu)失穩(wěn)，進(jìn)而導(dǎo)致其阻擋能力大幅下降，因此，還可以將縱梁截面改為梯形，增加穩(wěn)定性；在耐撞性方面，可以在縱梁尾部安裝加強(qiáng)筋板，或者在縱梁各連接部分的過渡處增加焊點(diǎn)來增加縱梁剛度，進(jìn)而提高耐撞性。

圖10 前門門框變形

4 結(jié) 論

以某SUV模型為研究對(duì)象，通過運(yùn)用有限元仿真分析技術(shù)對(duì)該SUV的正面耐撞性進(jìn)行研究，進(jìn)而得出以下結(jié)論：

1)在整個(gè)碰撞過程中，整車的能量守恒分析以及速度分析，均驗(yàn)證了計(jì)算的有效性；

2)保險(xiǎn)杠與前縱梁變形良好，減輕了沖擊力，吸收了碰撞中的主要能量；左右兩側(cè)B柱的峰值加速度均小于50 g；車門門框的變形量也在安全和合理的要求內(nèi)，說明該車具有良好的正面耐撞性能；

3)前圍板右側(cè)侵入量超過150 mm，并且超過150 mm的區(qū)域較大，會(huì)對(duì)副駕駛乘員造成傷害，因此，針對(duì)前圍板和前縱梁提出了一系列優(yōu)化設(shè)計(jì)建議。