基于試驗數據的車身側面碰撞子結構仿真分析

韋東來, 趙 素， 徐連儀

(上海電機學院 機械學院， 上海 201306)

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基于試驗數據的車身側面碰撞子結構仿真分析

韋東來, 趙 素， 徐連儀

(上海電機學院 機械學院， 上海 201306)

目前側面碰撞有限元仿真分析仍存在預測精度不高、計算時間比較長等問題。提出了一種新的給定結構運動(PSM)縮放方法，根據有限元分析結果與試驗傳感器數據的誤差，在每個時間點上對結構仿真結果進行比例縮放，通過縮放車門內板和B柱等子結構上有限元節點的運動軌跡，修正成與試驗一致的結果。實際應用表明，修正之后的PSM側面碰撞模型在假人接觸時刻、載荷分布和峰值等重要評價指標上都較未縮放時的數據得到了明顯的改善，而且在很大程度上減少了計算時間。

側面碰撞; 子結構; 給定結構運動縮放; 汽車車身； 仿真

目前有限元方法被廣泛應用于整車碰撞的結構變形和約束系統仿真分析，很多仿真過程和預測結果跟試驗數據對標都取得比較高的準確度，為車身結構參數設計和優化提供重要的數據支撐[1-3]。但是對側面碰撞來講，由于車身側面結構的剛度和強度相對較弱，而且車門距離乘員之間的變形空間較小，故發生碰撞時側面結構直接跟人體或側氣囊接觸，變形量也大，因此，計算時間長，仿真準確度有待提高。

整車有限元模型包括障礙壁、車身結構、約束系統、乘員假人、底盤和發動機等，模型復雜而且節點單元數量巨大，模型調試困難，仿真過程非常耗時，因此整車有限元模型不適合做乘員約束系統分析和優化[4]。雖然多剛體動力學側面碰撞模型仿真計算速度非常快，調試也相對簡單，可以用于乘員約束系統分析和優化，但是多剛體動力學模型簡化了結構局部細節及其具體變形，所以大都局限于約束系統概念分析階段。

對乘員約束系統來講，在側面碰撞過程中，可能會跟安全氣囊和乘員接觸的結構件——車門、B柱、內飾、座椅等少量部件，這幾個部件的模型可稱為子結構。整車模型中大部分結構是不直接跟約束系統接觸的，為此，一種基于子結構的給定結構運動(Prescribed Structural Motion， PSM)方法被有效地應用于乘員約束系統的分析和優化[5-8]。

采用PSM方法構建的側面模型只包括車門、B柱、內飾、座椅、地板、約束系統以及假人模型，可極大地減少仿真時間，至少比整車仿真快6倍以上，并且保持整車模型的計算精度。在PSM模型中，車門和B柱是作為邊界條件輸入，它們的節點時間-位移信息是由整車有限元仿真模型計算結果導入。相對于包括約束系統的整車有限元仿真，PSM模型比較小，計算時間明顯縮短，所以，PSM模型可以應用于約束系統的靈敏度分析、參數設計優化和結構改進等方面[9-11]。

在PSM模型中，與假人損傷值最直接相關的是內飾或內板與假人接觸時的侵入量、侵入速度，并且取決于車門內板的時間-位移關系，故準確的車門位移，即邊界條件，在側面模型中是一個最重要的參數。只有車身結構跟假人接觸力傳遞路徑的起點正確，后續的變形預測才可能準確[12-15]。

由于側面碰撞結構變形的復雜性，以及有限元模型本身網格、材料、連接、焊點、接觸和邊界條件等諸多因素造成建模誤差的影響，車身結構仿真結果跟實車試驗相比可能會相差甚遠，如果以誤差比較大的結構仿真結果(例如車門與B柱的侵入速度和侵入量)作為PSM模型的輸入信息，則會影響PSM和約束系統的計算精度。

因此，本文提出一種新的PSM縮放方法，利用整車碰撞試驗數據，在每一個時間點上對結構仿真結果進行縮放，即對試驗傳感器位置相應節點進行時間歷程縮放，再通過合理的插值算法將整個有限元模型的節點進行時間歷程縮放，最終獲得跟試驗測量數據一致的車身結構變形歷程，從而保證PSM模型運動邊界條件的可靠性。

1 新的PSM縮放原理

某車型車門縮放前后變形情況如圖1所示，其具體關鍵尺寸主要是門內板下部的髖部推動塊和上部的扶手凸緣的面積大小、位置，主要參數是這兩個部位的剛度曲線。整個車門的有限元模型來自于整車碰撞模型，不需要作簡化與假設。

圖1 車門PSM縮放變形情況

為了方便起見，將位于碰撞試驗的車門上傳感器位置的有限元模型節點稱為試驗點。基于試驗數據的PSM縮放方法分為兩個主要過程: ① 針對試驗點的縮放;② 針對其余節點的縮放。

針對試驗點的縮放方法是將加速度信號積分成位移曲線，在PSM中的每個時間點上與PSM的位移進行比較，然后依此計算出一組縮放因子。針對某一節點的縮放原理如圖2所示。縮放因子S根據下式計算得到:

圖2 某1節點的位移縮放

(1)

式中，Dt為試驗位移；Do為原始位移。

通過計算試驗點上的一組時間歷程縮放因子(即縮放因子S是時間的函數)，將其乘以PSM原始位移，可以獲得與試驗結果幾乎一致的位移量。但是，畢竟還有更多的有限元單元節點位于傳感器位置之外，故新的側面碰撞模型PSM縮放方法，將有效的試驗點結果通過線性插值算法計算其他有限元節點上的縮放系數，既能保證側面結構變形跟試驗數據一致，又可以保持結構本身變形的協調性。試驗點縮放變形情況如圖3所示。

圖3 試驗點縮放示意圖

非試驗點是指位于傳感器位置之外的有限元模型PSM節點。在確定了試驗點的縮放因子后，將該縮放因子通過插值算法，分布到所有PSM節點上，使得整個車門的PSM都被縮放，以便達到所有PSM節點縮放的要求。雖然車門外板在側面碰撞過程中往往會發生很大的變形，但是經過內板、墊塊等中間隔層的緩沖，門內飾板的變形不會很大。本文采用帶交叉項的線性插值算法求解碰撞區域的縮放因子，符合實際變形情況。這里進行插值分布的是縮放因子，而不是位移，所以既能夠保留原有整車模型的變形細節，又能保證試驗點的位移與試驗位移的一致性。

為了更準確地還原車門的實際變形，可以在門內板上加裝更多的加速度傳感器。通過合理的傳感器布置，使試驗點盡可能地靠近對假人傷害起主要作用的車門變形位置，以得到最有效的試驗數據。假若添加了若干個有效的傳感器，并計算出試驗點的縮放因子，則可以通過二維的線性插值對縮放因子進行插值和分布。例如，任意一個節點的縮放因子根據它所處的位置，由相鄰的4個試驗點縮放因子插值而得。試驗點的插值函數為

(2)

式中，S為縮放因子；x、y為各節點的坐標；A、B、C、D為插值系數，4個插值系數可由相鄰的4個試驗點縮放因子來表示，即由式(2)求出。插值系數求得后，任意一個節點的縮放因子可由下式確定(見圖4)：

Si=A+Bxi+Cyi+Dxiyi

(3)

圖4 位于試驗點之間的縮放因子

在完成對所有PSM節點的縮放因子計算之后，將所有節點位移歷程乘以對應的縮放因子，即完成了基于試驗數據的PSM模型縮放，并為后續建模提供更準確的邊界條件。根據上述原理和方法，PSM縮放的計算流程圖可用圖5表示，實現該功能的計算機程序應用軟件環境為Windows XP和Windows 7系統。

圖5 PSM縮放流程圖

2 實際應用

某車型側面MDB碰撞的MADYMO PSM模型包括車門內外板、防撞梁、門鎖、門內緩沖塊、B柱內外板、內飾、假人、安全帶、座椅、地板等，其中車門外板和B柱外板是PSM，即在整車有限元仿真結果基礎上進行PSM縮放后得到相應的運動軌跡。

模型中所有結構件的單元和材料屬性都與整車模型一致。因為車門內板、B柱內板以及內飾表面可能會跟假人直接接觸，尤其是內飾件剛度比較小，在碰撞接觸過程中會產生不可預知的變形，所以這幾個部件沒有用PSM，而是讓它們在碰撞接觸情況下自由變形，更接近實際情況，同時也是當需要對內飾形狀和剛度進行優化時的必然要求。子結構的主要參數如表1所示。

表1 子結構主要參數Tab.1 Main parameters of the substructure

圖6給出了碰撞過程中假人骨盆加速度、腰椎加速度和背板力隨時間變化的曲線，包括試驗結果、沒有縮放的整車有限元仿真結果以及根據試驗加速度傳感器信號對車門外板和B柱外板有限元模型節點進行PSM插值縮放結果。曲線對比可以發現，通過縮放后得到的假人相應部位的加速度和力曲線的時間和峰值更接近于試驗數值，這是因為通過縮放，車門和B柱的運動相對沒有縮放的運動更接近于試驗實際情況。

圖6 縮放前后部分假人傷害對比

3 結 語

本方法采用整車碰撞試驗中的加速傳感器信號數據，使用程序來快速地完成縮放因子的計算、插值以及對結構仿真模型導出的PSM數據進行時

間歷程的縮放。實際應用仿真表明，縮放后的PSM模型使仿真與試驗對標建立在一個更可信的邊界條件上，極大地加快了側面碰撞模型開發速度，并為車門內飾板、安全氣囊、座椅等約束系統零部件的開發提供了可靠的側面碰撞仿真模型。

基于試驗數據的PSM縮放方法中所采用的傳感器布置方案和對應的縮放因子插值算法對仿真精度起著至關重要的作用，但是縮放和插值方法不是唯一的，可根據實際情況進行改進。因此，在將來的研究中，開發出更優良的整體方案是該方法的重點。

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Simulation of Side Impact on Substructure ofVehicle Body Based on Test Data

WEI Donglai, ZHAO Su, XU Lianyi

(School of Mechanical Engineering， Shanghai Dianji University， Shanghai 201306， China)

Simulation of side impact on a vehicle is time consuming, and the prediction accuracy is unsatisfactory. In this paper, a prescribed structural motion(PSM) scaling method based on the impact test sensor data is developed to scale substructure simulation results at each time point. The method scales the inner door panel and the B-pillar finite element nodal trajectories in consistent with the test results. As compared with non-scaled data, the practical applications show that the modified PSM side impact model significantly improves important evaluation indexes such as dummy contact time, load distribution and peak values. In addition, simulation time is greatly reduced.

side impact; substructure; prescribed structural motion(PSM) scaling; vehicle body; simulation

2016 -08 -13

上海電機學院重點培育項目資助(12C111)

韋東來(1974-)，男，講師，博士，主要研究方向為材料加工和汽車碰撞過程的數值仿真，E-mail: weidl@sdju.edu.cn

2095 - 0020(2016)05 -0249 - 05

TP 391.9; U467.14

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