某皮卡正面碰撞模擬仿真研究

田國紅，齊登科，孫立國

（遼寧工業大學汽車與交通工程學院，遼寧 錦州 121000）

某皮卡正面碰撞模擬仿真研究

田國紅，齊登科，孫立國

（遼寧工業大學汽車與交通工程學院，遼寧 錦州 121000）

文章在探討了皮卡車應用前景后，在碰撞仿真理論的指導下，根據國家C-NCAP規定，以某皮卡為研究對象，利用軟件hyperworks和ls-dyna建立整車正面碰撞有限元模型并進行仿真分析。通過對整車前部變形和加速度時間歷程曲線對比的研究，評價了整車的安全性和驗證了仿真模型的有效性，為該款車后續的碰撞性能改進設計提供參考。

皮卡；hyperworks/LS-DYNA；正面碰撞；仿真

10.16638/j.cnki.1671-7988.2016.01.039

CLC NO.:U467.1 Document Code:A Article ID:1671-7988(2016)01-114-03

引言

隨著中國皮卡文化的升溫，近年來很多消費者購買福特F150、雪佛蘭C2500這樣的中高端皮卡作為SUV的替代品。據了解，相關部門正在討論將皮卡車型劃分到乘用車系列中，因此國內各大自主品牌汽車都在開發中高端皮卡車型來競爭這一市場。早期的皮卡車在設計時都沒有充分考慮碰撞安全性能設計，但現在開發的中高端皮卡，其定位已經不再是工具車的概念，而是是SUB、休閑車、工具車的集成，其碰撞安全性能的定位在越野SUV之下、普通卡車之上[1]。

汽車正面碰撞事故是最常發生的交通事故，因而對汽車的碰撞研究中，正面碰撞性研究是重中之重，這樣可以較好引導汽車正面碰撞設計和改進。現在對汽車碰撞的研究，一般是根據汽車碰撞實驗數據，在計算機上建立有限元汽車碰撞仿真模型，然后對其進行求解并對驗證模型的有效性。該方法碰撞復現性好，研發周期短。本文以某款皮卡車為研究對象，進行計算機碰撞模擬仿真，對正面碰撞仿真結果進行分析，驗證了模型的有效性，為后續合理的進行車身結構安全性設計、改善車身結構件提供強有力的技術支持[2]。

1、整車有限元模型的建立

1.1 車體模型的簡化與網格劃分

根據正面碰撞的特點，在劃分網格時有些汽車部件需要先抽取其中面，然后在劃分二維殼單元，最后再屬性中賦予真實厚度。對于汽車來說一般分為三個艙：發動機艙、乘員艙和后備箱艙，一般希望發動機艙變形較大以便吸收更多的能量。所以對于正碰，前部是主要的變形部件，對于進行有限元離散時，對該部件要細化網格來真實的反應結構；而對于那些在汽車后部，不參與碰撞的部件可以省略一些不關鍵的特征，對其網格進行粗化；于發動機和變速箱部件，剛度大且結構復雜，在碰撞過程中基本不變形，對其視為剛體，在劃分網格時可以用粗網格來描繪外形輪廓即可。

針對不同區域CAE模型網格的大小規定，在發生碰撞的變形較大的區域劃分大小為10-15mm的網格單元，通過控制最小單元，來控制計算過程的時間步長；非碰撞區域網格大小可以擴大到25%左右。另外，三角形單元所占百分比不超過總單元數目的10%，翹曲單元不超過15%，防止集中出現翹曲單元的區域，在能量吸收區域盡量采用規則的網格劃分，以盡量提高建模精度。

1.2 材料屬性

車身大部分都是低碳合金薄鋼STL.12、STL.13和一些塑性材料等，在對仿真模型進行材料屬性參數設置時，一般是使用試驗測出的實際材料的試驗真實值， 對于鋼一般使用軟件中的24號材料模式（在hyperworks中涉及到的關鍵字為MATL24），該材料屬于多線性彈塑性材料，材料達到屈服后硬化曲線由多段直線組成，定義比較方便。在此關鍵字下需要定義材料密度、彈性模量、泊松比、屈服應力等參數，材料中的有效應力應變曲線一般是通過關鍵字Curve來設置的。圖1為前縱梁的材料應力應變曲線。

圖1 前縱梁的材料應力應變曲線

1.3 約束接觸設置和加速度傳感器布置

本文剛性墻和地面的建立通過關鍵字RIGIDWALL來創建的，兩者和汽車的接觸是通過關鍵字RIGIDWALL下的參數來設置的。另外汽車自身的可變形體部件接觸是通過定義一個總體的單面接觸（contact automatic-single surface）來實現，這種接觸方式能夠自動從殼單元的兩邊進行接觸檢測，而且對網格中的接觸處理比較好。另外，汽車模型中的可變形體和剛形體的接觸連接是通過共節點來實現，也就是通過關鍵字XtraNode類型的接觸來是實現連接的。汽車模型中的剛形體之間的接觸連接是通關關鍵字ConstRigidRbody來實現的。

本車體模型中在四個位置定義了加速度傳感器測量點：右座椅（Right seat）、左座椅（Left seat）、發動機底部（Engine seat）和汽車中心（Vehicle CG），圖2為加速度傳感器在車體模型中的位置。一般通常采用一個等腰直角三角形定義傳感器單元，依次拾取傳感器坐標原點的節點，圖3為傳感器節點順序。將節點N1指定為測量點，既可以得到所需數據[3]。

圖2 加速度傳感器位置

圖3 傳感器節點順序

根據正面碰撞法規，正面剛性墻碰撞速度不低于50km/h，本皮卡實車碰撞速度為56km/h（沿x方向），碰撞角為零即垂直于壁障前表面的直線與車輛行駛的方向之間的夾角為0o，本模型的仿真速度為56km/h，模型施加向下的加速度為9.8m/s2。從hyperworks中導出為k文件，用ls-dyna求解器進行求解。圖4為正面碰撞邊界條件。

圖4 正面碰撞邊界條件

2、碰撞模型的驗證與評價

對模型仿真后的文件進行分析，和實車碰撞數據對比分析得出仿真模型的有效性，并對此正面碰撞進行評價。正面碰撞仿真結果的真實性和準確性評價，通常采用定性分析和定量分析[4]。

定性評價主要是實車試驗結果和仿真模擬結果進行對比，觀察撞擊區域在各個時刻的變形形式和各主要部件的撞擊特征，主要是整車前部的變形情況和實車碰撞結果對比。圖5為底盤前部在t=0ms和t=75ms的變形量。

圖5 底盤前部變形量

通過對比結果可知，二者變形基本一致，仿真結果和實車碰撞結果基本吻合。圖6為正碰過程中能量變化情況。

圖6 正碰過程中能量變化

定量分析時度數量特征、數量關系和數量變化的分析。汽車碰撞過程中的加速度變化就是一種定量分析。在正碰事故中乘員的傷害形式主要是運動傷害和接觸傷害。接觸傷害就是駕駛艙變形量較大而駕駛員沒有足夠的生存空間，從前部變形量中可知，接觸傷害能夠滿足碰撞法規的要求；運動傷害就是指乘員在大的加速度沖擊下，身體各器官相對運動過大，對內臟造成損傷。所以說，降低車體的碰撞減速度是考慮重點。通過觀察座椅的加速度來判斷人體的加速度變化情況，圖7為左右座椅的速度和加速度的變化形式。

對仿真模型和實車碰撞中的座椅加速度變化進行對比，可知加速度曲線吻合度較高，進一步證明了車體模型的有效性，通過座椅的加速變化情況來間接知道乘員在碰撞過程中的減速度沖擊，在此速度對人體不造成損傷。

通過車身前部變形對比和代表乘員減速度的座椅減速度對比，最后得出汽車仿真模型是有效的。并且通過車身前部變形可知，駕駛艙變形較小，滿足碰撞法規要求；座椅的減速度變化也在法規規定范圍內，不會對人體造成損傷。

圖7 座椅速度和加速度變化

3、總結

利用計算機仿真技術對皮卡正面碰撞進行有限元仿真，并通過正面碰撞試驗的變形時間歷程及車身前部結構變形驗證了整車碰撞有限元模型的有效性。在本文中，碰撞過程中的乘員減速度變化是通過測量座椅處的減速度來表現的，此處的加速度是評價乘員傷害程度的一個重要指標。通過觀察車身前部的變形量可知，發動機艙變形量較大和乘員艙變形量較小，這樣既滿足了車身前部既能吸收較多的能量，又滿足了乘員艙變形較小的要求。皮卡仿真模型的有效性對于后續研究碰撞性能改進提供參考。

[1] 唐波.中國高端皮卡安全性能標桿研究[J].汽車與配件,2012(12):46-48.

[2] 田湘龍.某微車正面碰撞模擬仿真與優化[J].機械設計與制造,2002(9):218-220.

[3] 胡志遠,曾必強.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.

[4] 黃世霖,張金換,王曉冬等.汽車碰撞安[M].北京:清華大學出版社,2003.

Simulation research for one pickup frontal crashworthiness

Tian Guohong, Qi Dengke, Sun Liguo

（Liao Ning University of Technology Automobile and Traffic Academy, Liaoning Jinzhou 121000）

The prospect of application of the pickup is discussed in this paper firstly,according to the C-NCAP and based on the basic principle of vehicle crash analysis using the nonlinear finite element method.A pickup truck as the research object, the frontal crash finite element mode of pickup is established and simulation analysis using the software hyperworks and ls-dyna.After analyzing the deformation of the front of the vehicle and curves of acceleration,Evaluat the safety of the vehicle and verify the effectiveness of the simulation model.which will supply the reference standard for the collision performance of the subsequent improvement of the car design.

pickup; hyperworks/LS-DYNA; frontal impact; simulation

U467.1

A

1671-7988(2016)01-114-03

田國紅，就職于遼寧工業大學汽車與交通工程學院。齊登科，就讀于遼寧工業大學汽車與交通工程學院。