轎車車門側面碰撞有限元仿真及優化研究

喬維高　張良安　涂進進

(武漢理工大學汽車工程學院1)　武漢　430070)　(現代汽車零部件技術湖北省重點實驗室2)　武漢　430070) (汽車零部件技術湖北省協同創新中心3)　武漢　430070)

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轎車車門側面碰撞有限元仿真及優化研究

喬維高1,2,3)張良安1,2,3)涂進進1,2,3)

(武漢理工大學汽車工程學院1)武漢430070)(現代汽車零部件技術湖北省重點實驗室2)武漢430070) (汽車零部件技術湖北省協同創新中心3)武漢430070)

摘要：為了研究和改善車門耐撞性，參考E-NCAP的柱狀碰撞試驗，建立了某車型的車門三維模型，并運用Hyper Works和LS-DYNA對其進行聯合碰撞仿真.對比了不同材料應變率，防側撞梁的不同截面形狀、不同安裝位置和數量下的車門耐撞性.得出結論,材料應變率參數為C40 P6，防側撞梁截面形狀為半圓形，安裝位置為斜置時的車門的耐撞性較好.同時，加裝一根防側撞梁使得內板侵入量減小了11%以上，可有效改善車門耐撞性.

關鍵詞：被動安全；有限元仿真；耐撞性；優化

0引言

我國道路交通以平面交叉為主，側面碰撞時有發生.同時，近幾年來，汽車正逐步走入農村家庭.農村道路較窄，彎路較多，車門較容易碰撞到路邊的電線桿或其他硬物.

基于文獻[1]提出的以側圍部件模型表示整車模型進行側面碰撞仿真，文獻[2]提出的車門外板曲面的建模方法，本文建立了車門的CAD/CAE模型，并參考E-NCAP的圓柱碰撞試驗，對車門進行碰撞仿真，進而研究改變車門材料應變率，改變防側撞梁的截面形狀、安裝位置和數量對車門耐撞性的意義.

1模型的建立

該碰撞模型參考了E-NCAP的柱狀碰撞試驗(模型見圖1).本次車門碰撞模型即只考慮整車的車門模型，其他條件不變.

圖1　柱狀碰撞模型(來自E-NCAP官網)

1.1車門有限元模型

考慮到側面碰撞仿真中的有限元模型規模大、效率低的缺點，本文采用以側圍部件模型表示整車模型進行側面碰撞仿真的方法.

車門主要由薄壁零部件焊接而成，仿真中一般使用殼單元剛性聯接.本文采用的單元類型為BT殼單元，積分方法為面內單點高斯積分，在厚度大于2.0 mm處用5個積分點，其余部分用2個積分點.仿真過程中，在與圓柱直接碰撞的外板處使用局部沙漏控制，其余部分采用全局沙漏控制，控制參數QH=0.05.

車門的實際尺寸是比較大的.除防側撞梁，加強板采用5 mm×5 mm網格劃分外，其他部分均使用10 mm×10 mm的網格[3].在網格的過渡部分采用手動修改的形式提高網格質量.按以上方法，該車門被劃分為52 641個單元.

車門各部件的聯接采用剛性焊點來模擬.碰撞過程中，要求焊接部位不發生撕裂.故仿真中，定義焊點不存在失效.同一部件上的焊點之間隔3～4個節點比較合理.而對于斜置于車門中的半圓形防側撞梁，其兩端的焊點應該分布得更密，以防止其滑脫.

車門采用了多種線塑性材料.在定義車門材料時，均采用LS-DYNA的24號材料，忽略材料應變率[4].材料其他參數見表1.

表1　各零件材料參數

1.2圓柱及碰撞有限元模型

參照E-NCAP柱碰試驗，考慮中國城市交通及車門結構簡化的實際情況，確定碰撞圓柱的直徑為254 mm、質量為200 kg，材料為剛體.仿真中，圓柱的材料定義為MAT20材料，網格按10 mm×10 mm的單元尺寸劃分，使用局部沙漏控制.

碰撞模型為車門正中間以29 km/h的速度與靜止的直徑為254 mm的剛性圓柱發生碰撞.

碰撞模擬前，對碰撞的兩模型，需要進行初始條件的定義.首先，車門鉸鏈處的5個自由度(3個移動自由度和2個轉動自由度)需要被約束，而釋放繞Z軸轉動的自由度[5].車門門鎖等邊框處沿Y軸的移動自由度被約束.其次，由于車門各部件均為殼單元，各部件之間的接觸類型均設置為自動單面接觸.而與圓柱發生碰撞的車門外板定義為自動面面接觸，接觸面的動靜摩擦系數選為0.2.最后，根據臺車碰撞試驗數據，車門內板與乘員身體發生接觸一般在25 ms內.故將碰撞時間設定為25 ms，時間步長定為1.0×10-6ms，d3plot輸出時間間隔設定為0.5 ms.

2側面碰撞有限元仿真與分析

在Hyper Mesh軟件中完成仿真前處理，并輸出一個含有仿真各種設置的K文件，進而將它導入LS-DYNA軟件中求解.

K文件中的錯誤設置或不完整設置會在求解過程中凸顯出來，LS-DYNA不能兼容的內容也會顯示出來，故需參照軟件給出的Message，對K文件進行修改，直至系統正常、完整地輸出結果.

HyperGraph軟件可以對該仿真的Binout文件進行后處理.得到的車門關鍵點的內板侵入量見圖2，車門質心加速度見圖3.

圖2　內板侵入量

圖3　車門質心加速度

車門內板侵入量是影響乘員生存空間的直接因素，一般規定內板侵入量不應大于50 mm.圖2表明，前5 ms內，車門內板幾乎沒有變形，屬于安全逃生階段.5 ms以后，車門內板的侵入量逐漸增加，增加的速度是由緩及快，再由快變緩.其中，在13 ms時，內板侵入速度出現最大值.直至20 ms，內板基本不再發生變形，此刻出現最大侵入量，其值為45 mm.

車門質心加速度過大會直接導致“二次碰撞”，是車門耐撞性的重要評價指標.圖3表明，車門質心在前0.2 ms沒有加速度，在13 ms左右出現峰值，峰值約為1.3 mm/ms2.

由上可知，內板變形速率、車門質心加速度增加速率出現最大值的時刻均在13 ms左右.這可能是此時防側撞梁接近“屈服”造成的結果，即防側撞梁出現“過早屈服”.

3車門耐撞性的優化研究

仿真結果顯示，該車門的變形及加速度較大，需進行優化研究.通過合理布置節點，分別研究改變車門材料的應變率，防側撞梁的截面形狀、安裝位置和數量對車門耐撞性的影響.原車門模型忽略了材料的應變率，且只在車門內斜置了一根截面形狀為半圓形的防側撞梁.

3.1車門材料應變率

材料的應變率是指應變對時間的一階導數，是材料性能的重要影響因數[6].本文選用了忽略應變率、C40 P5、C40 P6和C50 P5四種不同應變率下的仿真結果作對比研究.

不同材料應變率的車門內板侵入量見圖4.從碰撞開始，忽略應變率的曲線就與其他3條曲線保持較大差別，且侵入量最小.而從15 ms起，C40 P5與C40 P6曲線才出現差別，而C40 P5與C50 P5曲線始終無明顯差別，且C40 P6曲線的變形小于C40 P5和C50 P5曲線.其最大侵入量為50 mm.

圖4　不同材料應變率的車門內板侵入量

不同材料應變率下的車門吸能曲線見圖5.考慮應變率的車門吸能始終明顯大于忽略應變率的車門吸能，且在15～20 ms期間，C40 P5曲線與C40 P6曲線開始出現較大的差別，而與C50 P5曲線十分接近.后三者中，C40 P6曲線吸能最多.

在碰撞的前期階段，車門變形為塑性變形，吸能較多的車門，其變形也較大.在保證車門內板侵入量不大于50 mm的前提下，車門吸能越多越好.故在本次研究中，材料應變率參數為C40 P6的材料最為適宜.

圖5　不同材料應變率的車門吸能

3.2防側撞梁的截面形狀

防側撞梁的截面形狀多種多樣，對防側撞梁的耐撞性影響極大[7-9].在截面尺寸相近，質量一樣的前提下，本文對截面形狀為半圓形、圓形、方形和U形的防側撞梁進行了仿真.

碰撞結束，即25 ms時，不同截面形狀防側撞梁的應力應變云圖見圖6.方形、圓形和U形防側撞梁的應力集中，且最大應力在841 MPa以上，遠大于防側撞梁材料的屈服極限.而半圓形截面形狀的防側撞梁的應力分布比較均勻，且最大值約為730 MPa.

圖6　不同截面形狀的防側撞梁應力

不同截面形狀防側撞梁的變形見圖7.整個碰撞過程，半圓形防側撞梁的變形量最大，圓形與U形防側撞梁的變形十分接近，稍大于方形防側撞梁的變形量.且在18 ms以后，半圓形防側撞梁的變形顯著增加，其吸收的能量也快速增加，起到了很好的吸能防撞作用.

圖7　不同截面形狀的防側撞梁變形

綜上所述，半圓形防側撞梁應力分布合理，變形吸能能力較好，有利于提高車門的碰撞承受能力.

3.3防側撞梁的安裝位置

防側撞梁在車門內的安裝位置有橫置(與車門下邊緣平行且位于車門中間)，豎置(與車門下邊緣垂直且位于車門中間)和斜置(與車門下邊緣呈45°夾角且一端位于前下轉角處)三種.不同安裝位置的防側撞梁應力應變云圖見圖8.斜置和橫置的防側撞梁應力分布較均勻，而豎置的防側撞梁應力分布過于集中.三者的應力最大值比較接近，均在730 MPa左右.

圖8　不同安裝位置的防側撞梁應力-應變云圖

不同安裝位置的防側撞梁變形見圖9.豎置的防側撞梁的變形波動幅度大，給予乘員的沖擊大；18 ms前，斜置防側撞梁變形明顯小于橫置防側撞梁，給乘員足夠的生存空間；而18 ms后，斜置防側撞梁變形迅速增加，碰撞吸能作用明顯.

圖9　不同安裝位置的防側撞梁變形

故防側撞梁斜置時，其應力分布良好且變形吸能過程較合理，對側碰中乘員的安全更有利.

3.4防側撞梁的數量

防側撞梁是車門最重要的吸能部件.理論上，其數量的增加能夠改善車門的變形和加速度分布情況[10].在此，本文研究了在斜置防側撞梁的車門上加裝一根橫置防側撞梁的側面碰撞效果.

不同防側撞梁數量的車門應力應變云圖見圖10.據圖中顏色分區可知：加裝第二根防側撞梁以后的車門的應力變形得到明顯改善，應力分布趨于合理，變形量得到減小.這是由于兩根防側撞梁共同承擔碰撞力和吸能變形的結果.

圖10　不同防側撞梁數量的車門應力-應變云圖

圖11為車門內板的侵入量.15 ms前，兩曲線十分接近，這是因為橫置的防側撞梁還未參與碰撞，而在15 ms以后，改進車門的兩根防側撞梁同時抵抗碰撞力，其內板變形顯著減小.相比原車門，內板侵入量降低了11%.

圖11　不同防側撞梁數量的車門內板侵入量

綜上所述，防側撞梁數量對側面碰撞特性有著明顯的影響，加裝橫防側撞梁大大增加了乘員的生存空間.

4結論

1) 材料應變率對側面碰撞影響很大，且P參數的影響比C參數更大.碰撞效果由優至差排序為：C40P6→C40P5→C50P5→忽略應變率.故將車門材料改為應變率參數為C40P6的材料可提高其耐撞性.

2) 半圓形防側撞梁應力分布較合理，變形吸能能力較好.故改變防側撞梁的截面形狀不能提高車門耐撞性.

3) 斜置、橫置和豎置防側撞梁中，斜置防側撞梁的碰撞效果處于最優.其應力分布均勻，最大變形約為115 mm.故改變防側撞梁的安裝位置不能改善其碰撞安全性.

4) 加裝橫置防側撞梁的車門內板侵入量從改前的45 mm，降低至40 mm，下降幅度超過了11%.故在車門空間允許的情況下，加裝防側撞梁是增強車門側面碰撞安全性最快捷有效的措施.

參 考 文 獻

[1]伍廣，李光耀，陳濤，等．基于乘用車側圍部件模型的側面碰撞仿真簡化建模方法[J]．中國機械工程，2009，20(16)：1996-2002．

[2]武振鋒，賈凡，王娜．基于CATIA的轎車車門外板曲面創建與質量分析[J]．武漢理工大學學報(交通科學與工程版)，2012，36(4):778-781．

[3]陳曉東，尹同耀，朱西產，等．汽車側面碰撞計算機仿真方法[J]．汽車工程，2004，26(1)：65-68．

[4]胡遠志，曾必強，謝書港．基于LS-DYNA和Hyper Works的汽車安全仿真與分析[M]．北京：清華大學出版社，2011.

[5]鄧召文，高偉，熊劍．Taurus轎車車門側面碰撞有限元分析[J]．重慶交通大學學報(自然科學版)，2010，29(5)：808-812．

[6]萬德安，趙建才．轎車車門剛度有限元分析及結構優化[J]．汽車工程，2001，23(6)：385-388．

[7]陸勇，曹立波，吳俊．轎車側面碰撞安全結構改進方法研究[J]．中國機械工程，2008，19(24)：3006-3011．

[8]吳毅，朱平，張宇．基于側面碰撞仿真的轎車防撞桿結構優化研究[J]．機械設計與研究，2006，22(5)：108-111．

[9]劉衛民，劉衛國，管立君．某微型汽車側面碰撞安全性能優化[J]．汽車技術，2011(10)：24-27．

[10]WANG D Z， DONG G． Car side structure crashworthiness in pole and moving deformable barrier side impacts[J]．Tsinghua Science and Technology，2006，13(15)：725-730．

The Finite Element Simulation and Optimization of Car Door Side Crash

QIAO Weigao1,2,3)ZHANG Liang’an1,2,3)TU Jinjin1,2,3)

(SchoolofAutomotiveEngineering,WuhanUniversityofTechnology,Wuhan430070,China)1)

(HubeiKeyLaboratoryofAdvancedTechnologyofAutomotiveComponents,Wuhan430070,China)2)

(HubeiCollaborativeInnovationCenterforAutomotiveComponentsTechnology,Wuhan430070,China)3)

Abstract：In order to study and improve the door's crashworthiness, this paper establishes a three-dimensional model of a car door and performs a joint impact simulation by Hyper Works and LS-DYNA, according to columnar crash test of E-NCAP. This paper compares the car's crashworthiness under different material strain rates of a door, different sectional shapes, different mounting positions and different numbers of side-impact beams. Some conclusions are drawn: when the material strain rate parameter is C40P6 and the sectional shape of side-impact beams is semicircular and its mounting position is skew, the door's crashworthiness is better. Meanwhile, the installation of a side-impact beam would reduce the deformation displacement of inner board by over 11%, which thus can effectively improve the door's crashworthiness.

Key words：passive safety; finite element simulation; crashworthiness; optimization

doi:10.3963/j.issn.2095-3844.2016.02.015

中圖法分類號：U461.91

收稿日期：2016-02-09

喬維高(1963- )：男，博士，教授，主要研究領域為汽車安全