基于ANS YS/LS-DYNA 的客車(chē)正面碰撞仿真分析研究

劉兆劍，熊 欣

（1.桂林大宇客車(chē)有限公司，廣西 桂林 541003；2.武漢理工大學(xué) 汽車(chē)工程學(xué)院，武漢 430070）

為了有良好的視野，我國(guó)大中型客車(chē)較多地采用平頭結(jié)構(gòu)，駕駛室前部缺乏緩沖吸能裝置，在碰撞安全性方面存在較大隱患。當(dāng)發(fā)生正面碰撞時(shí)，客車(chē)駕駛室空間會(huì)變成吸能區(qū)，從而導(dǎo)致車(chē)內(nèi)的乘員尤其是駕駛員會(huì)受到嚴(yán)重的損傷。而我國(guó)尚未出臺(tái)適用于大客車(chē)的安全法規(guī)，因此，開(kāi)展客車(chē)的正面碰撞研究對(duì)于提高客車(chē)產(chǎn)品的碰撞安全性和減輕乘員的傷害將有重要意義[1-2]。為保證車(chē)輛的安全性和車(chē)輛設(shè)計(jì)的科學(xué)性、合理性，本文基于ANSYS/LS-DYNA 軟件對(duì)桂林大宇某型大客車(chē)進(jìn)行正面碰撞仿真分析。

1 車(chē)輛碰撞的物理問(wèn)題

1.1 非線(xiàn)性

車(chē)輛碰撞是一個(gè)瞬態(tài)的復(fù)雜物理過(guò)程，它包括以大位移、大轉(zhuǎn)動(dòng)和大應(yīng)變?yōu)樘卣鞯膸缀畏蔷€(xiàn)性[3]，以材料彈塑性變形為典型特征的材料非線(xiàn)性和以接觸摩擦為特征的邊界非線(xiàn)性，這些非線(xiàn)性物理現(xiàn)象的綜合作用結(jié)果使碰撞過(guò)程的精確描述和求解十分困難。碰撞過(guò)程的仿真一般都是基于有限元方法的空間域離散技術(shù)和基于有限差分法的時(shí)間域離散技術(shù)。由于車(chē)輛碰撞過(guò)程具有很強(qiáng)的非線(xiàn)性特征，且是一個(gè)瞬態(tài)過(guò)程，其物理本質(zhì)決定了它的仿真只能采用足夠小的時(shí)間步長(zhǎng)，否則就會(huì)帶來(lái)收斂性問(wèn)題或過(guò)大的計(jì)算誤差。因此，車(chē)輛碰撞過(guò)程的仿真目前都采用顯示仿真算法——中心差分法。

1.2 沙漏現(xiàn)象及控制

車(chē)輛大變形碰撞問(wèn)題顯式動(dòng)力分析時(shí)，最大的問(wèn)題是耗費(fèi)機(jī)時(shí)過(guò)多，在顯式積分計(jì)算的每一時(shí)步中，單元計(jì)算消耗的機(jī)時(shí)占總消耗機(jī)時(shí)的最主要部分。通常為提高計(jì)算效率而采用單點(diǎn)高斯積分進(jìn)行單元計(jì)算，但是單點(diǎn)積分單元容易產(chǎn)生零能模式（采用縮減積分導(dǎo)致的使應(yīng)變能為零、而自身有別于剛體運(yùn)動(dòng)的位移模式稱(chēng)為零能模式），又稱(chēng)沙漏模式。它的存在將使解答失真，甚至求解無(wú)法進(jìn)行，因此，在實(shí)際分析中，必須防止零能模式的出現(xiàn)。

通常采用沙漏粘性阻尼來(lái)控制零能模態(tài)，在單元的各個(gè)結(jié)點(diǎn)處沿坐標(biāo)軸方向引入沙漏粘性阻尼力。該阻尼力與沙漏模態(tài)的模、單元的體積、材料的聲速、當(dāng)前質(zhì)量密度等有關(guān)。將各單元節(jié)點(diǎn)的沙漏粘性阻尼力組集成總體結(jié)構(gòu)沙漏粘性阻尼力。

沙漏粘性阻尼力的計(jì)算比較簡(jiǎn)單，耗費(fèi)的機(jī)時(shí)極少，所以，盡管采用全積分可以避免沙漏現(xiàn)象的出現(xiàn)，但由于全積分單元數(shù)據(jù)存儲(chǔ)量和計(jì)算機(jī)時(shí)比沙漏粘性阻尼力計(jì)算機(jī)時(shí)耗費(fèi)的要多得多，所以通常采用單點(diǎn)高斯積分進(jìn)行單元計(jì)算和引入沙漏粘性阻尼力來(lái)控制沙漏。

2 碰撞仿真有限元分析

保證仿真的精度及準(zhǔn)確性對(duì)于有限元技術(shù)的工程應(yīng)用至關(guān)重要。仿真的精度及準(zhǔn)確性除了與有限元算法有關(guān)外，還在很大程度上依賴(lài)于仿真模型的精度[4-6]。

2.1 有限元技術(shù)要點(diǎn)

與一般靜態(tài)有限元分析不同，碰撞分析主要是計(jì)算結(jié)構(gòu)的變形，因此，建模時(shí)主要考慮的也應(yīng)是可變形部件。對(duì)車(chē)輛碰撞來(lái)說(shuō)，碰撞部位的薄壁金屬是最重要的變形吸能部件，這些部件共同的幾何特點(diǎn)是尺寸變化較大，形狀復(fù)雜，承受碰撞時(shí)對(duì)外載及邊界條件特別敏感，結(jié)構(gòu)本身的一些凸起、凹槽及開(kāi)口等都會(huì)影響碰撞變形模式及載荷的傳遞路徑。因此，在建立上述部件的幾何模型時(shí)，必須準(zhǔn)確反映結(jié)構(gòu)的幾何特征。而在碰撞過(guò)程中的剛度大、變形基本上可以忽略的部件可視為剛體，建立這類(lèi)部件的幾何模型時(shí)，就不需要像薄壁金屬那樣細(xì)化和準(zhǔn)確[7-9]。

對(duì)幾何模型的單元?jiǎng)澐质怯邢拊抡嬗?jì)算的基礎(chǔ)，它關(guān)系到仿真計(jì)算的精度和效率。在進(jìn)行單元?jiǎng)澐謺r(shí)，要注意以下幾點(diǎn)：

1）盡量避免使用退化的殼單元和實(shí)體單元，如三角形殼單元和四面體實(shí)體單元。相對(duì)于四邊形殼單元和六面體實(shí)體單元來(lái)說(shuō)，它們太剛硬，并且計(jì)算精度差。

2）單元的大小盡量均勻，避免產(chǎn)生相對(duì)很小的單元面積。如果單元尺寸相差很大，將可能導(dǎo)致很小的時(shí)步長(zhǎng)，延長(zhǎng)CPU 運(yùn)行時(shí)間。

3）盡量不要使用Smartsizing 方法進(jìn)行網(wǎng)格控制。它可能使網(wǎng)格中單元大小產(chǎn)生很大差別，應(yīng)采用其它命令來(lái)控制單元大小。

4）盡量避免可能產(chǎn)生沙漏的不良形狀的單元。

5）在模型中變形結(jié)果不重要的任何部分使用剛體，可以節(jié)省大量的CPU 時(shí)間。

車(chē)輛零部件所使用的材料多種多樣，在進(jìn)行碰撞仿真分析計(jì)算時(shí)，賦予單元的材料模型應(yīng)與部件本身的材料以及變形特性相一致。為了保證仿真計(jì)算的精度、效率及計(jì)算結(jié)果的可靠性，材料模型必須能準(zhǔn)確反映構(gòu)件的變形特性及變形狀態(tài)。此外，對(duì)于每種單元類(lèi)型，未必能夠使用所有的材料模型，因此，使用時(shí)要參考軟件的單元手冊(cè)來(lái)確定可以用哪種模型。對(duì)于每種材料模型，并非所有的常數(shù)與選項(xiàng)都要輸入，在定義材料屬性時(shí)，要確保使用一致的單位制，不正確的單位不僅會(huì)影響材料響應(yīng)，而且影響接觸剛度的計(jì)算。此外，大多數(shù)高度非線(xiàn)性有限元分析的精度取決于所使用的材料參數(shù)，要得到好的分析結(jié)果，需要使用精確的材料參數(shù)，所以，不要低估準(zhǔn)確材料數(shù)據(jù)對(duì)結(jié)果的重要性。在材料本構(gòu)關(guān)系中，要采用一些實(shí)際的材料性質(zhì)數(shù)據(jù)，如不要采用很高的、不切實(shí)際的彈性模量去表達(dá)剛體。

在碰撞仿真計(jì)算中，碰撞接觸是要事先定義的，接觸形式可以分為三大類(lèi)：結(jié)點(diǎn)對(duì)面的接觸、面對(duì)面的接觸以及單面自接觸，具體表現(xiàn)為變形體對(duì)變形體的接觸、變形體對(duì)剛體的接觸以及變形體自身的單面接觸等。不同類(lèi)型的接觸需要不同的接觸界面模型來(lái)模擬，否則將會(huì)降低模擬精度[10-11]。

2.2 有限元模型構(gòu)建

客車(chē)車(chē)身正面碰撞過(guò)程實(shí)際上只有一部分結(jié)構(gòu)發(fā)生大變形失效。客車(chē)車(chē)身的前端是主要吸能結(jié)構(gòu)，它合理的碰撞壓塌失效順序，對(duì)于吸收更多的碰撞動(dòng)能、降低駕乘室中駕駛員座椅處的減速度峰值以及為乘員提供生存空間都具有重要意義。依據(jù)設(shè)計(jì)任務(wù)書(shū)，本次計(jì)算中客車(chē)車(chē)身以8.33 m/s（30 km/h）的初速度撞擊剛性平面墻，碰撞模擬時(shí)間設(shè)為130 ms。

客車(chē)正面碰撞分析選用材料的應(yīng)力-應(yīng)變關(guān)系曲線(xiàn)如圖1 所示。桂林大宇模型大客車(chē)骨架的有限元模型中單元總數(shù)177 937 個(gè)，節(jié)點(diǎn)總數(shù)168 287 個(gè)，整備狀態(tài)有限元模型重11 t。

2.3 正面碰撞結(jié)果分析

本大客車(chē)車(chē)身（整備狀態(tài)）以8.33 m/s（30 km/h）初速度撞擊固定的平面剛性墻體時(shí)，在碰撞過(guò)程中，實(shí)際上只有車(chē)身前端結(jié)構(gòu)發(fā)生大變形失效。限于篇幅，圖2 只給出了車(chē)身前端在t=5 ms 和130 ms 時(shí)刻的變形；能量和碰撞力隨時(shí)間的變化曲線(xiàn)分別如圖3 和圖4 所示。

結(jié)合圖2-圖4，可以看出，車(chē)身前端在t=1 ms 時(shí)，開(kāi)始與剛性墻接觸，碰撞力增大；t=5 ms 時(shí)，車(chē)身前端橫梁1（見(jiàn)圖2a）開(kāi)始發(fā)生塑性變形；t=7 ms 時(shí)，前端橫梁1 進(jìn)一步變形，橫梁2 開(kāi)始發(fā)生塑性變形；t=13 ms 時(shí)，前端橫梁1 和2 進(jìn)一步變形，橫梁3 開(kāi)始發(fā)生塑性變形；撞擊力出現(xiàn)第一峰值，值為409 kN；t=32 ms 時(shí)，前端橫梁1、2 和3 進(jìn)一步變形，端部窗下橫梁開(kāi)始彎曲；前部底架橫梁和縱梁開(kāi)始彎曲；t=42 ms 時(shí)，前端橫梁1、2 和3、端部窗下橫梁、前部底架橫梁和縱梁進(jìn)一步變形，前車(chē)門(mén)立柱開(kāi)始彎曲；t=50 ms 時(shí)，前端橫梁1、2 和3、端部窗下橫梁、前部底架橫梁和縱梁前車(chē)門(mén)立柱進(jìn)一步變形，駕駛員室底部縱梁開(kāi)始彎曲，撞擊力出現(xiàn)第二峰值，值為734 kN；t=50～109 ms 期間，已變形的部位進(jìn)一步變形，上邊梁與上端梁、前門(mén)上橫梁、與駕駛員室前后立柱及它們之間的縱梁開(kāi)始彎曲，碰撞力逐漸減小；t=109～130 ms 期間，已變形的部位進(jìn)一步變形，車(chē)頂前端縱彎梁（見(jiàn)圖2b）；客車(chē)正面碰撞130 ms 內(nèi)吸能331 kJ[12]。

3 結(jié)束語(yǔ)

基于ANSYS/LS-DYNA 的某型大客車(chē)車(chē)身骨架（整備狀態(tài)）正面大變形碰撞仿真分析，結(jié)果顯示，客車(chē)車(chē)身以8.33 m/s（30 km/h）初速度撞擊固定的平面剛性墻體的130 ms 期間內(nèi)，塑性變形主要發(fā)生在駕駛員室區(qū)域，碰撞力的最大值為734 kN，吸能331 kJ。這一結(jié)果表明，碰撞發(fā)生后客車(chē)前圍發(fā)生一定量壓潰變形，起到了較好的吸收能量作用。撞擊過(guò)程中沖擊力從前部傳至后部，因前圍的吸能作用而有一個(gè)時(shí)間延遲，因此，客車(chē)中后部受碰撞影響較小，車(chē)身在碰撞過(guò)程中無(wú)明顯移動(dòng)。

[1]張建，范體強(qiáng)，何漢橋.客車(chē)正面碰撞安全性仿真分析[J].客車(chē)技術(shù)與研究，2009，31（3）：7-9.

[2]邵毅明，于志剛.汽車(chē)碰撞安全性研究現(xiàn)狀及趨勢(shì)[J].公路與汽運(yùn)，2006，（4）

[3]鐘志華，張維剛，曹立波，等.汽車(chē)碰撞安全技術(shù)[M].北京：機(jī)械工業(yè)出版社，2003.

[4]安世亞太.ANSYS 官方培訓(xùn)手冊(cè)[DB/OL].[2012-06-01].http：//www.docin.com/p-299319764.html

[5]Ls-dyna_970_manual_k[DB/OL].[2012-06-01].http：//ishare.iask.sina.com.cn/f/16780273.html

[6]ANSYS.ANSYS Release 9.0 Documentation.ANSYS Inc，2004.

[7]何漢橋.大客車(chē)車(chē)身結(jié)構(gòu)安全性仿真研究[D].長(zhǎng)沙：湖南大學(xué)，2006.

[8]吳平.客車(chē)車(chē)身骨架側(cè)翻碰撞的有限元仿真模擬方法研究[D].長(zhǎng)春：吉林大學(xué)，2006.

[9]鄧景濤.大型客車(chē)車(chē)身結(jié)構(gòu)正面碰撞有限元分析[D].西安：長(zhǎng)安大學(xué)，2009.

[10]張翼峰，侯一丹，閆宏濤，等.客車(chē)正面碰撞安全性仿真分析[J].山東交通學(xué)院學(xué)報(bào)，2011，（3）：5-8.

[11]曹文鋼，鄧?yán)冢担?客車(chē)車(chē)身正面碰撞仿真分析及拓?fù)鋬?yōu)化[J].系統(tǒng)仿真學(xué)報(bào)，2012，（4）：761-764.

[12]雷剛，王希杰，張攀.基于DOE 的汽車(chē)碰撞優(yōu)化分析[J].重慶理工大學(xué)學(xué)報(bào)：自然科學(xué)版，2011，（2）：8-12.