基于某轎車正面碰撞的A柱折彎分析與優(yōu)化

白俊峰，任鵬飛

（長春工業(yè)大學 機電工程學院，吉林 長春 130012）

基于某轎車正面碰撞的A柱折彎分析與優(yōu)化

白俊峰，任鵬飛

Bai Junfeng，Ren Pengfei

（長春工業(yè)大學 機電工程學院，吉林 長春 130012）

介紹了汽車碰撞仿真的基本理論，按照中國新車評價規(guī)程（C-NCAP）規(guī)范，以 A柱折彎程度為研究對象，建立了汽車整車有限元模型，采用LS-DYNA求解器求解，仿真分析了轎車正面碰撞后A柱的折彎程度，以降低A柱折彎程度為優(yōu)化目標，分別對前縱梁、吸能盒、前圍板以及A柱進行了材料和結(jié)構(gòu)優(yōu)化，對比優(yōu)化前后的仿真結(jié)果，得知優(yōu)化后A柱折彎程度顯著降低，B柱下端加速度基本不變。

轎車正面碰撞；A柱折彎優(yōu)化；有限元仿真

在交通事故中，汽車的耐撞性對保護乘員起著決定性作用。統(tǒng)計表明，我國的交通事故死亡人數(shù)與事故數(shù)的比大約為1：6，而德國為1：18，美國僅為1：28[1]，可見，提高我國汽車的被動安全性已經(jīng)成為十分緊迫的任務，美國、歐洲和日本相繼推出了關(guān)于汽車碰撞安全的強制性要求，制定了相應的汽車碰撞安全法規(guī)。中國汽車技術(shù)研究中心 2012年發(fā)布了 C-NCAP管理規(guī)則，即中國新車評價規(guī)程，介紹了汽車正面碰撞試驗方法、評價管理等，對盡快提高國產(chǎn)汽車的安全性能起到了促進作用[2]。

在轎車碰撞事故中，正面碰撞占了相當大的比例且死亡人數(shù)最多，車身A柱作為汽車的重要骨架件，與前門一起組成前門框，其碰撞后變形的大小對駕駛室的安全性起到了決定性作用，變形太大會嚴重導致駕駛室變形，增加駕駛員及乘員的傷害風險，對某轎車進行了基于A柱折彎程度的正面碰撞有限元仿真分析，發(fā)現(xiàn)該車A柱折彎程度較大，破壞了乘員的生存空間，將極大地增加乘員的傷害程度，故對此轎車進行了相應的改進優(yōu)化，優(yōu)化后轎車的A柱折彎程度顯著降低。

1 汽車碰撞仿真基本理論

汽車碰撞過程是一個動態(tài)的大位移和大變形過程，接觸和高速沖擊載荷影響著碰撞全過程，系統(tǒng)具有幾何非線性和材料非線性等多重非線性，一般的基于線性小位移系統(tǒng)的線性有限元方法已不再適用。涉及幾何非線性問題的有限元計算通常采用增量分析法。

在汽車碰撞過程的任何時刻，都必須滿足下式弱形式的虛功原理[3]

其中，M為質(zhì)量矩陣；˙˙u為節(jié)點加速度矢量；Fext為節(jié)點外力矢量；Fint為節(jié)點內(nèi)力矢量；Fc為接觸力及分布力矢量。

式（2）必須滿足以下條件：

1）初始條件，即在t=0的時刻假設(shè)各接觸面的出事接觸力為零，汽車的初始位置及碰撞初速度已知。

2）邊界條件，在汽車碰撞 CAE分析中，經(jīng)常會遇到汽車撞擊剛性墻的問題，剛性墻始終是處于固定狀態(tài)等情況，這時邊界條件描述為

3）接觸條件，如圖1所示。

圖示為2個單元接觸，上角標A和B表示2個單元相關(guān)聯(lián)，這時兩物體接觸處的相互不可穿透條件可表述為：

在接觸面?s上有

2 汽車有限元建模

在汽車碰撞基本理論的指導下，應用有限元法，對轎車進行有限元仿真分析，采用有限元法對汽車碰撞進行研究有效地縮短了開發(fā)周期，降低了試驗費用，并且在產(chǎn)品開發(fā)階段可以應用有限元法對整車進行碰撞仿真分析。

2.1 技術(shù)路線

在汽車碰撞仿真建模中，模型的建立可以在CAD模型的基礎(chǔ)上，通過將CAD模型簡化并導入到Hypermesh進行前處理，然后交由LS-DYNA計算，在Hyperview及Hypergraph中進行仿真結(jié)果后處理，技術(shù)路線如圖 2所示。由于前處理考慮問題較多，且前處理的好壞直接影響到仿真結(jié)果計算的正確與否，故前處理占用了整車仿真分析的大部分時間。

2.2 幾何清理與網(wǎng)格劃分

幾何清理與網(wǎng)格劃分在有限元建模中占有重要的地位，在幾何清理中通過簡化短邊、小孔和倒角等，重新布置共享邊和固定點來實現(xiàn)模型的改進和優(yōu)化；完成幾何清理后，需要對實體模型進行抽取中面才能得到平面模型，得到平面模型后對其進行二維網(wǎng)格劃分，對于三維實體可進行三維網(wǎng)格劃分。對在碰撞過程中變形很小或者不變形的大件運用剛體來模擬，比如發(fā)動機、變速器等，為了提高計算精度和計算效率，在汽車前部吸能區(qū)域增大網(wǎng)格密度，在其他不參加吸能的部分適當增大網(wǎng)格尺寸降低網(wǎng)格密度。

進行有限元網(wǎng)格劃分需要考慮到單元類型的選擇，汽車結(jié)構(gòu)零部件大部分是由薄板沖壓而成，其幾何尺寸在一個方向相比其他方向薄很多，故應用薄殼單元來模擬，比較常用的薄殼單元有BT殼單元與HL殼單元，BT單元的計算效率大大高于HL單元，默認使用BT單元，殼單元一般是指3節(jié)點三角形單元和4節(jié)點四邊形單元，對于3節(jié)點單元，采用的是線性位移函數(shù)，因此是常應變單元，單元內(nèi)的應力處處相等，相對而言單元的剛度矩陣偏硬，影響計算精度，應控制三節(jié)點單元的數(shù)量。

2.3 時間步長

時間步長為每一步有限元積分的時間長度。顯式中心差分法的穩(wěn)定性決定于時間長度，如果積分步長大于則會發(fā)生計算不穩(wěn)定問題，導致計算精度迅速下降。其中ξ為系統(tǒng)阻尼比，wmax為系統(tǒng)最大固有頻率。不同類型單元的臨界時間步長采用不同的算法，其中板殼單元的最大穩(wěn)定時間步長為其中Ls為單元的特征長度，ρ為質(zhì)量密度，E為彈性模量。

2.4 邊界條件設(shè)置

2.4.1 連接

部件之間的連接主要采用電焊連接，像座椅等部件在建模中因為其對碰撞分析影響較小，故用一個質(zhì)量點代替與其他部件剛性rigid連接。對于車門和需要轉(zhuǎn)動的部件連接采用鉸鏈連接模擬。

2.4.2 接觸

LS-DYNA的默認接觸算法為懲罰函數(shù)法，此算法簡單且很少引起沙漏效應，最基本的接觸類型有單面接觸、面面接觸、點面接觸等，LS-DYNA對三維空間的接觸一般通過主從面法來判斷。定義接觸后，程序?qū)z查從面的節(jié)點是否穿透了主面的段，從而判斷是否需要對從節(jié)點施加接觸力。在汽車碰撞模擬計算中，需要定義會發(fā)生變形的零件的單面接觸——自身的接觸，以及相互連接的零件面與面的接觸或者相應節(jié)點對面的接觸。轎車有限元整車模型大部分采用 SINGLE＿SURFACE接觸類型，該類型接觸定義能夠簡化接觸的建模，將所有汽車部件可能發(fā)生的接觸都包含進來，同時具有較高的樹脂計算穩(wěn)定性和計算效率。

2.4.3 初始條件及輸出設(shè)置

結(jié)合中國汽車研究中心發(fā)布 C-NCAP（中國新車評價規(guī)程），對轎車施加沿 X軸方向的 50 km/h，即13 889 mm/s，在汽車前方建立一個有限平面，賦予其MAT20材料模擬剛性墻，約束其兩邊節(jié)點的6個自由度。根據(jù)以上理論，選擇5座的轎車作為研究對象，運用Catia建立轎車的整車三維CAD模型，生成IGS文件，將IGS文件導入到Hypermesh軟件中進行前處理，建立的有限元模型總共有120 000個網(wǎng)格，23 333個節(jié)點，整車質(zhì)量為1 412 kg，網(wǎng)格尺寸控制在15 mm左右，最后的整車模型如圖3所示。

3 汽車仿真計算的可信性分析

仿真計算采用 LS-DYNA非線性動態(tài)顯示有限元分析軟件，在工作站上進行運算，整車的碰撞仿真時間為0.02 s，計算一次完整的碰撞過程大概需要17 h。

在整車的碰撞計算過程中，涉及到多種積分算法和不同的接觸算法，系統(tǒng)為保證計算正常進行有時會自動增加某些部件的質(zhì)量，如果該質(zhì)量增加過多會導致后期計算結(jié)果不準確。由于計算中采用了非全積分的積分算法，將有可能在計算中發(fā)生沙漏，沙漏較大時會導致模型能量不守恒，影響計算精度甚至導致計算結(jié)果不可行。所以，在順利完成仿真計算后，需要對質(zhì)量增加和沙漏能進行分析，只有質(zhì)量增加和能量變化在可接受的范圍內(nèi)，才能認為該模型仿真計算結(jié)果是可信的，值得分析。查看計算結(jié)果，總能量、內(nèi)能、動能、沙漏能的結(jié)果如圖4所示。

由圖4可知，沙漏能占總能量不到5%，動能下降的同時內(nèi)能相應地增長，總能量的變化在5%之內(nèi)，質(zhì)量增加了8.75 kg，小于5%。可知，此模型計算結(jié)果是可信的。

4 A柱折彎分析

4.1 轎車碰撞仿真結(jié)果

經(jīng)以上分析可知，整車模型計算可信，現(xiàn)對此車進行A柱折彎分析，通過Hyperview打開計算結(jié)果文件，得到整車碰撞仿真結(jié)果，整車在0.005 s時與剛性墻接觸，在0.075 s時汽車速度減為0，之后整車開始回彈，其碰撞過程如圖5～圖6所示。

4.2 轎車正面碰撞仿真A柱變化分析

由碰撞形態(tài)圖可知，汽車前部損毀嚴重，起到主要的吸能作用，A柱上端出現(xiàn)折彎，影響了駕駛室空間，通過 Hyperview的后處理功能對風擋兩側(cè) A柱相對于車身水平方向的夾角進行測量，測量角示意圖如圖7所示，測得A柱折彎時刻變化如圖8所示。由圖8可知，A柱相對于車身水平方向的夾角剛開始為 37.280°，在 0.075 s時，A柱的折彎角度最大，為42.003°。可見，此車正面碰撞后，A柱折彎較大，極大地破壞了乘員空間的完整性，導致內(nèi)部乘員傷害值增加，需要對整車進行優(yōu)化，降低A柱的折彎程度。

5 基于降低A柱角度變化的優(yōu)化

A柱折彎太大主要是由于汽車正面碰撞過程中前縱梁為S結(jié)構(gòu)，很難發(fā)生壓潰變形，容易發(fā)生折彎變形，導致吸收的能量有限，很多能量被A柱吸收，致使A柱的折彎較大。為了降低A柱折彎程度，需要對整車進行如下改進。

1）材料替換。將部分部件的材料替換為高強鋼，提高車輛前端部件的抗撞吸能能力。表 1列出了修改前、后各個部件的厚度，各種高強鋼的材料參數(shù)如表 2所示。高應變率下，板材的屈服應力比在靜態(tài)下的屈服應力高許多，且應變率越高，板材屈服強度越大[4]，所以在替換材料時要考慮新材料的應變率曲線，高強鋼材料的應變率曲線如圖9所示。

表1 部件改進前、后厚度對比

表2 高強鋼材料性能參數(shù)

2）增加部分部件的厚度。由于汽車前縱梁為S結(jié)構(gòu)，如圖10所示，為了提高其折彎吸能能力，需要增加一定的厚度。對關(guān)鍵部件提高其厚度如表1所示。

3）在前縱梁中增加一個如圖 11所示的吸能片，來提高其抗彎吸能能力。

所有參數(shù)設(shè)置完成后，生成 k文件，由 LSDYNA軟件進行求解。

6 優(yōu)化結(jié)果分析

通過Hyperview軟件打開計算結(jié)果文件，對比優(yōu)化前、后的結(jié)果。改進前、后風擋兩側(cè) A柱相對于車身水平方向的夾角如圖12所示，由圖12可知，風擋兩側(cè)A柱相對于車身水平方向的夾角從 42.003°降低為 38.33°。折彎程度顯著降低；前縱梁變形分析如圖13所示，增加的吸能片提高了縱梁的抗彎能力，增強了抗彎吸能能力。改進前、后的汽車碰撞加速度曲線對比如圖14所示，可知改進后，汽車前部采用了高強鋼，屈服強度有所加強，整體剛度有所加強，通過仿真結(jié)果分析可知，B柱下端加速度為52.5 g，增加了0.25 g，處于可接受范圍。綜上分析，通過對整車的材料、厚度、結(jié)構(gòu)進行修改，有效地降低了A柱折彎程度。

7 總 結(jié)

文中首先介紹了汽車碰撞仿真的基本理論，介紹了建立整車有限元模型的基本步驟，建立了某轎車整車有限元模型，結(jié)合C-NCAP規(guī)范對某轎車進行正面碰撞仿真，在對結(jié)果進行可信性分析的基礎(chǔ)上，對A柱折彎進行了分析，分析得知A柱折彎程度較大，嚴重影響到乘員的安全，通過分析得到改進方案，如對關(guān)鍵吸能部件進行高強鋼材料替換、增加部分關(guān)鍵零部件的厚度、增加吸能結(jié)構(gòu)等對整車進行了吸能優(yōu)化，對比改進前、后的結(jié)果可知A柱折彎程度得到顯著降低。雖然替換高強鋼增加了汽車前段吸能區(qū)域的剛度，但是B柱下端的加速度變化不大，通過改進有效地降低了汽車A柱折彎程度。

[1] 張金煥，杜匯良，馬春生．汽車碰撞安全性設(shè)計[M]．北京：清華大學出版社，2010．

[2] 胡志遠，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．

[3] 韋超忠，唐運軍．一種商用車型A柱結(jié)構(gòu)設(shè)計及驗證[J]．企業(yè)科技與發(fā)展：2009（20）：66-68．

[4] 亓文果，金先龍，張曉云，等．汽車車身碰撞性能的有限元仿真與改進[J]．上海交通大學學報：2005（9）：1452-1456．

U467.1+4

A

2013-07-31

1002-4581（2014）01-0032-06