汽車前部部件的碰撞吸能能力分析

朱其文 張子鵬 魏曉辰

（中國汽車技術(shù)研究中心）

汽車安全越來越受到重視，在汽車被動安全中，根據(jù)碰撞形式進(jìn)行劃分，可分為正面碰撞、側(cè)面碰撞、偏置碰撞、后碰、柱狀碰撞和翻滾安全等[1]。由于正面碰撞發(fā)生最為頻繁，發(fā)生比例約占所有碰撞比例40%，故國內(nèi)外對正面碰撞的研究較多[2]。當(dāng)汽車發(fā)生正面碰撞時，位于汽車壓潰區(qū)的汽車前部部件承擔(dān)著主要吸能部件的責(zé)任，內(nèi)部乘員的損傷情況與汽車前部部件的吸能特性有著十分緊密的聯(lián)系。因此合理設(shè)計汽車前部部件及選擇前部部件材料模式，對于乘員保護(hù)具有重大的意義。

1 汽車正面碰撞有限元建模

1.1 整車有限元模型

文章使用的Ford Taurus 整車正面碰撞模型是由美國國家道路交通安全管理局的EASI Engineering 開發(fā)，由美國喬治亞大學(xué)的國家碰撞分析中心（NCAC）所提供的，如圖1 所示。整車沿車身縱向、橫向及高度方向分別為X，Y，Z 方向，車體前端部分的單元網(wǎng)格分割較細(xì)致，而車體中間和后端結(jié)構(gòu)因不會發(fā)生大變形，而以較粗的單元網(wǎng)格分割表示，共分為133 個組件，有26 793 個節(jié)點(diǎn)、348 個固體單元、27 873 個薄殼單元、140 個梁單元及31 個質(zhì)量單元。全部的133 個組件當(dāng)中，104 個組件是以殼單元建造模型的薄金屬部分，18 個組件以梁單元來配置代表汽車的鋼梁，水箱組件則以固體單元來進(jìn)行構(gòu)建，裝置在車體上的8 個加速度傳感器也是采用固體單元來進(jìn)行建模。

一般汽車前部主要的吸能部件有前保險杠、保險杠支架組件、保險杠橫梁、第一橫梁、第二橫梁、底盤前縱梁、前縱梁組件及前部主橫梁等。為了提高汽車正撞的安全性能，必須提高汽車的耐撞性，即提高汽車前部部件的碰撞吸能能力。選擇前部各部件中，吸能能力最強(qiáng)的部件進(jìn)行改善，會對汽車整體吸能能力提升幅度最大。

1.2 FEMB前處理

文章選用FEMB 作為LS-DYNA 前處理軟件，盡管FEMB 沒有Hyper-mesh 及ANSA 那樣強(qiáng)大的網(wǎng)格劃分功能，但是FEMB 是LS-DYNA 內(nèi)嵌的前處理軟件，其關(guān)鍵字與LS-DYNA 直接接口，操作界面簡便，具有強(qiáng)大的定義邊界條件和給予材料屬性的功能。在整車正面碰撞前處理當(dāng)中需要特別注意以下5 點(diǎn)問題。

1.2.1 接觸定義

在整車正面碰撞當(dāng)中比較難選擇接觸類型，在LS-DYNA 當(dāng)中有許多接觸的類型，所以面臨選擇接觸類型的問題。文章采用AUTOMATIC 類型，這是一類新的接觸類型，因為在整車碰撞當(dāng)中很難人工確定發(fā)生接觸的殼單元的運(yùn)動方向，而AUTOMATIC 類型可以自動判定。對整車與剛性墻之間的接觸設(shè)定為AUTOMATIC_SURFACE_TO_SURFACE 接觸類型，對整車自身全部部件設(shè)定為AUTOMATIC_SINGLE_SURFACE 接觸類型。

1.2.2 定義BOX

2 個復(fù)雜的物體之間相接觸，如果能夠事先判斷兩者能夠接觸到的區(qū)域，就可以采用*DFINE_BOX 選項卡定義一個BOX，在BOX 外的認(rèn)為不會出現(xiàn)接觸，這樣就會大大地降低計算所用的時間[3]。因為主要進(jìn)行汽車正面碰撞，故汽車中后部不會與剛性墻發(fā)生接觸，在這里對汽車的前部可能發(fā)生碰撞的部位定義了一個BOX，如圖2 所示。

1.2.3 控制沙漏能

由于LS-DYNA 采用單點(diǎn)高斯積分的單元進(jìn)行非線性動力分析，在節(jié)約計算時間的同時也造成了一種零能模式，即沙漏模式[4]。可以說沙漏能不是物理上的能量損失，而是由于數(shù)學(xué)模型計算上面造成網(wǎng)格變形錯誤產(chǎn)生的能量損失，由于沙漏而變形的單元模型，如圖3 所示。LS-DYNA 當(dāng)中也通過相應(yīng)的選項卡片進(jìn)行沙漏能的控制，一般定義沙漏能控制在10%以內(nèi)，文章中通過*CONTROL_ENERGY 和*CONTROL_HOURGLASS 2 個選項卡設(shè)定來控制沙漏能。

1.2.4 幾何翹曲問題

文章采用的整車模型中的殼單元都是采用的缺省的2 號Belytschko-Tsay 殼單元，通過設(shè)置*CONTROL_SHELL 選項卡當(dāng)中的BWC=1，PROJ=1 施加翹曲剛度公式，通過設(shè)置*CONTROL_ACCURACY 中參數(shù)INN=2，保持節(jié)點(diǎn)編號不變，控制計算精度。

1.2.5 控制時間步長

文章通過質(zhì)量縮放的方法來實現(xiàn)對時間步長的控制，設(shè)置關(guān)鍵字*CONTROL_TIMESTEP 當(dāng)中的DT2MS=-1.112 0×10-6來使得質(zhì)量縮放僅僅施加到步長小于DT2MS 的單元上，節(jié)省了大量的時間。設(shè)定關(guān)鍵字*CONTROL_TEMINATION 當(dāng)中的ENDTM=0.12，確定了整個模型的運(yùn)算時間為0.12 s， 設(shè)定DATABASE_BINARY_D3PLOT當(dāng)中的DT/CYCL=0.006，這樣一共分20 步進(jìn)行計算。設(shè)定好整車碰撞仿真模型后，整車正面碰撞仿真模型，如圖4 所示。整個模型在電腦上進(jìn)行計算，大約需要1 h 54 min。

2 汽車正面碰撞有限元分析

完成正面碰撞仿真試驗之后，采用LS-PrePos 打開D3Plot 數(shù)據(jù)文件，得到整車碰撞形態(tài)隨時間變化的有限元模型，如圖5 所示。

從圖5 中可以看出，在6 ms 時汽車前端保險杠部件開始與剛性墻發(fā)生接觸，并開始碰撞變形；在18 ms 時汽車保險杠完全變形，汽車前部開始與剛性墻發(fā)生碰撞；在18～30 ms 汽車前部橫梁及縱梁都開始發(fā)生碰撞變形，發(fā)動機(jī)罩板開始發(fā)生翹曲變形；在30～60 ms，汽車前部橫梁、縱梁及發(fā)動機(jī)艙內(nèi)的發(fā)動機(jī)及電池等部件開始發(fā)生嚴(yán)重變形，汽車開始大量吸能；在60～114 ms 汽車前部進(jìn)一步發(fā)生變形，但是前部已經(jīng)基本上壓縮變形到最大，此時汽車中后部部件在慣性作用下繼續(xù)向前運(yùn)動并發(fā)生變形；在114～120 ms 汽車碰撞壓縮變形結(jié)束，變形部件開始回彈，汽車逐漸脫離障壁，開始回彈。

在LS-PrePost 的GLSTAT 選項卡中查看整車碰撞的總能量、動能及內(nèi)能變化，變化曲線，如圖6 所示。

讀取汽車能量變化數(shù)據(jù)，汽車的總能量為124 kJ，在t=72 ms 時汽車的總內(nèi)能達(dá)到最大（113.35 kJ），同時動能達(dá)到最小（0.6 kJ）。從圖6 中可以看出，汽車在6 ms左右時開始發(fā)生碰撞，內(nèi)能開始增大，動能開始減小；到達(dá)20 ms 左右時，內(nèi)能增加速度及動能減小速率開始增大，內(nèi)能急劇增大，動能急劇減小；到達(dá)60 ms 左右內(nèi)能增加速率及動能減小速率開始減小；到達(dá)80 ms左右內(nèi)能及動能趨于穩(wěn)定。圖6 曲線分析與圖5 中汽車碰撞狀態(tài)圖分析結(jié)果相吻合。

3 汽車吸能部件吸能分析

通過后處理軟件LS-PrePost 中的*DATABASE_MATSUM選項卡，讀出汽車前部主要組件的吸能曲線，如圖7 所示。從圖7 中可以看出，前部組件在t=60 ms 時基本上完成了吸能，這與圖5，6 分析得出的結(jié)論相同。分析圖7 曲線可知，汽車前縱梁組件吸能最多，其次是保險杠組件，且兩者的吸能能力遠(yuǎn)大于其它組件，前縱梁主要是在20～60 ms 之間碰撞變形并且吸收大量的能量。

各組件的編號、能量吸收量及能量吸收量占整車能量吸收的百分比，如表1 所示。

表1 汽車各組件吸能狀況

從表1 中可以看出，前部組件共吸收能量59.20 kJ，占整車吸收能量的47.74%，汽車前縱梁共吸收能量22.96 kJ，占整車吸收總能量的18.52%。由此確定了對汽車前縱梁進(jìn)行性能改善具有一定的意義。

4 結(jié)論

1）確定了整車正面碰撞仿真前處理過程中，關(guān)鍵步驟及關(guān)鍵參數(shù)的設(shè)置，為其他進(jìn)行整車碰撞仿真提供了參考；

2）汽車前縱梁組件吸能最多，其次是保險杠組件，且兩者的吸能能力遠(yuǎn)大于其它組件，前縱梁主要是在20～60 ms 之間碰撞變形，并且吸收大量的能量；

3）前部組件共吸收能量59.20 kJ，占整車吸收能量的47.74%，汽車前縱梁共吸收能量22.96 kJ，占整車吸收總能量的18.52%，由此確定了對汽車前縱梁進(jìn)行性能改善具有一定的意義。