朱鳳磊， 郭世永， 魏 龍， 李宇吉

(1.石河子大學機械電氣工程學院，新疆 石河子 832003；2.青島理工大學機械與汽車工程學院，山東 青島 266520)

步入新時代，隨著我國經濟的快速發(fā)展，間接促進了我國的汽車行業(yè)的飛速發(fā)展，人民對美好生活的需要日益增長已經成為新時代的重要特征和內在動力[1]。且我國在2020年底實現了全面脫貧的歷史性進步，社會的發(fā)展已經滿足了人民的物質需求，人們開始尋求美好的生活。駕駛家用車出游已成為我國人們探索體驗美好生活的一大途徑，于是旅居房車的數量開始如雨后春筍般遞增。旅居房車的數量開始增多，隨之而來的旅居房車的安全問題也受到了大眾的廣泛關注。因此，關于旅居房車的碰撞安全問題也開始受到科研人員的關注，并逐漸對其進行相關的研究[2]。

對于我國自主研發(fā)的汽車來說，汽車整體的安全性能問題成為其主要問題[3]。由于我們國家在整車安全性能的研究上相較于歐美國家起步比較晚，缺乏相應的技術與經驗，尤其我國自主品牌在碰撞安全方面的研發(fā)能力仍和發(fā)達國家有很大的差距[4]。由于實車碰撞研發(fā)周期長，而整車碰撞仿真分析不但可以縮短研發(fā)周期，而且仿真分析結果和實車碰撞試驗結果基本一致，除此之外更可以降低研發(fā)的費用，故整車碰撞仿真分析是車企努力發(fā)展的方向。車輛碰撞分析模型的準確性具有關鍵的影響，因為這可以影響新款式車輛研發(fā)開發(fā)進行碰撞試驗的次數[5]。旅居房車安全性能進行碰撞仿真研究，提升我國旅居房車的安全性能，減少在交通事故中傷亡的人數，在構建和諧汽車社會層次上來說，意義也非常重大，值得進一步研究[6]。

1 動態(tài)顯式非線性有限元理論

對旅居房車安全性能進行碰撞仿真研究，需要了解有限元法的基本概念。有限元法是一種可以通過有限的網格單元進行模擬計算物體在受力情況下所產生的應力應變[7]，它分為三個階段：前處理、模型文件求解和后處理。導入幾何模型并進行清理，建立相對應的單元類型，建立幾何及單元集并施加載荷和邊界條件，最后定義控制卡片，在相關軟件中導出后就可以獲得求解文件[8]。解決車輛碰撞問題主要建立在機械工程控制與力學基礎上，采用一般方法解決碰撞非線性問題比較困難。然而，隨著有限元相關理論的發(fā)展和仿真軟件的進步成熟，通過結合可以較為準確模擬旅居房車碰撞仿真過程，可以方便的查看碰撞后能量、應變、應力等變化，這是實車碰撞所難以實現的[9]。

2 旅居房車有限元模型的建立

2.1 車廂有限元模型的建立

打開HyperMesh軟件，在配置框中選擇LS-DYNA，旅居房車有限元模型搭建工作的第一步，是導入在SolidWorks軟件中三維建模所建立幾何模型。在HyperMesh軟件中點擊File-import-Geometry，在file type選項中選擇IGS，其他選項可以默認不用更改，點擊import，將IGS格式的文件導入HyperMesh中，車廂有限元模型如圖1所示。

圖1 車廂有限元模型

在HyperMesh中對房車車廂的參數按照鋼的相關參數如密度、彈性模量、泊松比、屈服強度、應力應變曲線(動態(tài)應力應變曲線)進行設置[10]，查閱鋼的相關材料參數，HyperMesh中選擇MAT24號材料，將表1中鋼的相關材料參數輸入到該材料模型下，旅居房車車廂的材料參數見表1。

表1 旅居房車車廂的材料參數

2.2 底盤零部件有限元模型的搭建

底盤零部件主要包括橫縱梁、車架、駕駛室、車門、發(fā)動機、輪胎等零主要部件，部件所采用的材料均可通過相關碩士論文查詢得到。旅居房車底盤的材料參數見表2。其他如剎車片、左右擺臂等零部件，均采用Q235材質[11]。

表2 旅居房車底盤的材料參數

選擇恰當的單元不但可以提高仿真結果的準確性，還可以縮短計算時間而且還能夠提高仿真結果精度[12]。Shells常用于一些具有薄壁特征的例如車身、鈑金件等零部件。搭建底盤零部件有限元模型時，主要有橫縱梁、車架、駕駛室、車門等，所以大部分的零部件均采用Shells單元。Solids單元常用于一些內部為實體的零部件，如鑄造件、鍛造件等，所以本次設計中的發(fā)動機即利用Solids單元劃分而成[13]。搭建起來的旅居房車驅動系統(tǒng)有限元模型如圖2所示，驅動系統(tǒng)有限元模型包含6 616個節(jié)點與6 300個網格單元。房車底盤有限元模型裝配完成后，還需要把旅居房車的車廂固定到底盤上，使底盤拖著旅居房車的車廂運動，需要通過焊接命令使車廂固定到底盤上，可通過mesh-create-1delement-rigids創(chuàng)建綠線樣式的焊接。旅居房車有限元模型如圖3所示。至此，房車底盤有限元模型包含了10 309個節(jié)點，9 957個單元個數。

圖2 旅居房車驅動系統(tǒng)有限元模型

圖3 旅居房車有限元模型

3 旅居房車碰撞結果及后處理

為了進一步驗證仿真結果的真實性與合理性，本次設計從網絡上尋找旅居房車的碰撞測試相關視頻資料進行對比。旅居房車正面碰撞的起始點如圖4(a)。模擬時間為160 ms，仿真過程取三個關鍵性時刻與旅居房車實車碰撞的視頻進行對比分析，包括旅居房車接觸剛性墻時刻；圖4(b)車廂開始發(fā)生斷裂時刻；圖4(c)車廂已經斷裂時刻，如圖所示，模擬時間為8 ms。圖4為旅居房車在45 ms、90 ms、160 ms時旅居房車車廂的時刻狀態(tài)以及時刻應力圖。

圖4(a)表示旅居房車在25 ms接觸剛性墻時刻，由旅居房車的有限元模型應力圖可知，旅居房車的防撞梁已經因碰撞力產生了較大的變形，車蓋也因為受到了碰撞力從而產生了向上的彎曲變形，如圖4(a)右側圖所示。圖4(b)表示碰撞進行到90 ms時刻，此時發(fā)動機室完全壓潰，車頂蓋業(yè)已完全卷曲，車輪與保險杠等零部件發(fā)生了接觸，而且由旅居房車的有限元模型應力圖可知，旅居房車的車廂已經因碰撞力產生了較大的應變，應力圖出現紅色，車廂開始出現裂痕，與實車碰撞視頻中旅居房車表現出來的結果相同。圖4(c)表示車廂已經斷裂時刻，由旅居房車的有限元模型應力圖可知，旅居房車的車廂已經因碰撞力產生了更大的應變，應力圖出現紅色，車廂與額頭連接處不堪重負，如右圖所示，實車碰撞中旅居房車的車廂裂痕加大，車廂也因為慣性力作用產生車廂整體上移。

圖4 旅居房車車廂時刻應力圖

綜上所述，由圖4可知，本次設計所搭建的旅居房車有限元模型碰撞仿真的四個關鍵性時刻與旅居房車實車碰撞的視頻的對比圖相似度較高，說明該仿真結果與旅居房車的碰撞事故案例吻合較好，同時也說明了本文建立的旅居房車有限元模型的有效性。

4 額頭結構優(yōu)化建模及后處理

4.1 優(yōu)化額頭建模

為了更好的進行優(yōu)化車廂建模，本次設計還需要進一步了解旅居房車的具體構成與裝配工藝，故對春田房車有限公司進行了調研，觀看旅居房車的生產工序，并與春田房車公司工程師進行交流。發(fā)現旅居房車的額頭模具垂直部分的位置存在尖角，房車公司的調研與額頭模具如圖5所示。說明此處車廂與額頭位置的連接位置的設計不合理，需要對其車廂與額頭位置的連接位置進行重新設計，這也是為什么車廂有兩個部分應力集中的原因。

圖5 房車公司的調研與額頭模具

應力集中不可避免，其中機械設計的主流做法是通過優(yōu)化結構減小應力集中。例如圓弧過渡，用大孔代替小孔等[14]。為避免應力集中造成構件破壞，還可以作噴丸、輥壓、氧化等加工工藝上的技術處理，由于本文主要分析車廂的受力情況，對車廂結構進行設計，所以材料與工藝方面暫不考慮。為了避免車廂與額頭連接處受力過大產生撕裂現象，本次設計對額頭垂直部分的應力集中位置采用消除尖角、優(yōu)化構件外形的方法，擬采用加肋板與添加過渡圓角操作，使碰撞帶來的慣性力平滑過渡，均勻施加載荷，優(yōu)化方案圖如圖6所示。

圖6 優(yōu)化方案圖

4.2 優(yōu)化額頭碰撞仿真驗證

為了驗證本次設計的合理性，對優(yōu)化后的車廂重新裝配到同一底盤有限元模型上，并且保持相同的連接關系進行碰撞仿真驗證，控制變量的唯一[15]。Ls-Dyna仿真中定義旅居房車的X-Velocity為13 889 mm/s。仿真過程取三個關鍵性時刻與未優(yōu)化的車廂碰撞仿真應力圖進行對比分析。旅居房車在70 ms、100 ms、160 ms時旅居房車車廂的時刻狀態(tài)以及時刻應力圖如圖7所示。

圖7 旅居房車車廂時刻應力圖

圖7(a)表示70 ms車廂與額頭連接處受力時刻，由左圖可知，添加的過渡圓角使碰撞帶來的慣性力平滑過渡，應力效果明顯變好。圖7(b)表示100 ms發(fā)動機室完全壓潰時刻，左右圖對比可知，在發(fā)動機室完全壓潰時，旅居房車優(yōu)化后的車廂在額頭連接處應力云圖明顯比未優(yōu)化后的好很多。圖7(c)表示160 ms車廂發(fā)生斷裂時刻，右圖未優(yōu)化的車廂應力云圖已經出現明顯的紅色，表示超過了塑性應變，左圖優(yōu)化后的車廂在右圖應力集中的表現則更加優(yōu)異，未出現明顯的紅色應力集中點。

為了更好的體現優(yōu)化后的車廂能夠提高旅居房車車廂的碰撞可靠性，使結果更具可視性，在旅居房車的車廂上選取三個應力較大位置的點進行應力曲線的輸出，旅居房車車廂時刻應力曲線如圖8所示。由圖8可以發(fā)現，優(yōu)化后該三個點的時刻應力曲線數值均低于未優(yōu)化后的車廂應力，優(yōu)化后微旅居房車車廂有限元模型在發(fā)生碰撞時在額頭連接處受力的最大值為183.9 N，相對于原方案的在額頭連接處受力最大值302.5 N 減少了118.6 N，提高了車廂的碰撞安全性，說明本次設計的優(yōu)化方案能夠更好地防止旅居房車車廂材料在超過塑性應變產生的撕裂現象。

圖8 旅居房車車廂時刻應力曲線

綜上所述，由圖7、圖8可知，本次對額頭垂直部分的應力集中位置采用加肋板與添加過渡圓角操作的優(yōu)化車廂設計，消除了尖角、改善了構件外形，使碰撞帶來的慣性力平滑過渡，有效的避免了車廂在旅居房車發(fā)生碰撞時因材料超過塑性應變產生的撕裂現象[16-17]。優(yōu)化后的最大應力值未超過旅居房車車廂材料因塑性應變產生撕裂現象的下許用應力，因此優(yōu)化設計符合預期要求，在一定程度上能夠提高旅居房車車廂的碰撞可靠性。

5 結論

有限元技術廣泛應用于包括房車在內的各種汽車碰撞安全方面的研究。然而，汽車整體有限元模型中包含大量網格使得計算時間非常長。所以，對旅居房車有限元模型進行簡化，得到一個旅居房車簡化的有限元模型。減少旅居房車碰撞仿真的計算時間是非常必要的[18-19]。做碰撞仿真分析時，能夠在合理的時間內得到計算答案，更加高效地處理諸如整車碰撞模型之類的復雜模型，是值得研究的。本次設計所得到的結論主要如下：

(1)本次畢業(yè)設計建立了旅居房車碰撞仿真的有限元模型。該有限元模型能夠比較準確地模擬旅居房車在發(fā)生碰撞時所體現的特性。

(2)模型驗證參考了旅居房車的實車碰撞案例，對比分析旅居房車在發(fā)生碰撞過程中車廂額頭部分斷裂的現象，以及旅居房車碰撞過程中關鍵時刻對比圖，得出該旅居房車有限元模型與實際碰撞情況吻合較好，具有一定的可靠性。

(3)本文分析結果為將來國家政府制定旅居房車車廂的相關標準提供了理論分析依據。同時為生產旅居房車的相關企業(yè)提供相關的生產依據，尤其是生產旅居房車的車廂提供重要的參考。

(4)本研究也存在一定的局限性。限于客觀條件的影響，本文僅有旅居房車的仿真分析模擬，若增加旅居房車的實車碰撞試驗則可以驗證仿真分析結果準確性，數據將更加客觀可靠。

由于旅居房車結構的復雜性，在發(fā)生碰撞中相關零部件之間的連接關系非常復雜。后期仍需要不斷開展學習與研究，提高有限元模型的應用性與準確性。