小客車側翻試驗仿真研究與影響因素分析*

周廷美 嚴 燕 莫易敏 劉昌業

(武漢理工大學機電工程學院1) 武漢 430070) (上汽通用五菱汽車股份有限公司技術開發中心2) 柳州 540057)

小客車側翻試驗仿真研究與影響因素分析*

周廷美1)嚴 燕1)莫易敏1)劉昌業1,2)

(武漢理工大學機電工程學院1)武漢 430070) (上汽通用五菱汽車股份有限公司技術開發中心2)柳州 540057)

為研究小客車側翻碰撞安全性能，建立了基于客車上部結構強度要求及試驗方法的目標車型小客車側翻有限元仿真模型，并驗證了模型的有效性和準確性.研究了側翻試驗初始翻轉角度、初始翻轉角速度、擋板高度和翻轉平臺高度等四個初始碰撞參數對側翻碰撞安全性能的影響.結果表明，所選取的A柱、上邊梁和頂蓋等關鍵結構最大變形量,以及地面最大接觸力四項評價指標與初始翻轉角度和翻轉平臺高度大體上呈正相關，與初始翻轉角速度和擋板高度呈負相關，并且翻轉平臺高度即跌落高度對試驗結果的影響最為明顯.

小客車；側翻試驗；有限元模型；碰撞參數

0 引 言

在汽車安全相關事故中，主要有側翻、平臺翻滾、正碰、側碰、追尾等幾種形式，車輛發生側翻的比例較低，雖然如此，在正面碰撞和側面碰撞中，由于車輛自身的結構特點，可采用不同的結構和裝置進行吸能[1]，而在側翻事故中車體變形較大，特別是車輛上部如頂蓋、上邊梁等結構的變形較大，侵入乘員的生存空間，對乘員保護比較困難,因此，側翻事故對乘員的傷害程度遠遠大于其他幾種形式.目前，國內外在車輛側翻安全性能的相關法規和標準主要面對大中型客車及校車等[2]，主要考核客車側翻時上部結構的承載能力.在面向小客車的側翻試驗方面國內外目前還沒有發布相關法規，在側翻試驗設計方面也主要是按文獻[2]的整車側翻試驗和車體截斷試驗方法來進行，因此，研究車輛特別是小客車的側翻安全性能對車輛側翻試驗的設計和安全性能的優化具有重要意義.本文研究了側翻試驗中試驗條件參數對目標車型小客車的側翻碰撞安全性能的影響規律.

1 仿真模型的建立與驗證

在汽車被動安全的研究中，解析法、多剛體動力學法和有限元法是比較常用的三種數學物理分析方法.三種方法都具有研究成本低、開發周期短的特點，并且對于車輛碰撞的計算準確性和有效性依次提高，在汽車被動安全研究中的重要性也依次提升，同時，有限元仿真分析方法是目前車輛被動安全仿真分析的主要方法.因此，本文中采用有限元仿真分析方法進行研究.

1.1 有限元模型的建立

在建立目標車型小客車側翻仿真試驗有限元模型時，根據已有的小客車的幾何模型，參照文獻[2]客車上部結構強度要求及試驗方法進行建立和處理，具體處理和分析流程見圖1[3].

圖1 目標車型側翻有限元仿真分析流程

1.1.1整車網格模型的建立

模型導入與幾何清理是獲得高質量網格的關鍵.將目標車型小客車的CAD幾何模型導入有限元前處理軟件Hypermesh中，進行中面抽取操作后，根據導入模型的特征進行相應的幾何清理操作，得到分析適用的模型，進一步進行模型的網格劃分.

在汽車碰撞安全中，模型網格的劃分一般遵循變形較大的部位網格密度比較高、單元尺寸比較小，而對于變形小或者基本不變形的部位，網格密度可以比較低、單元尺寸比較大的原則[4].本文中采用自動劃分網格的方法來劃分網格，網格的大小選為10 mm，網格的形狀選為四邊形殼單元為主，輔以三角形單元.

1.1.2材料和屬性的賦予

網格劃分完成后，需要為各個部件分配獨自的Component，并通過該Component給這個部件賦予材料類型和屬性.本文中，整車模型變形構件均采用各向同性的彈塑性材料，并使用MATL24本構模型；焊點、膠粘等采用MATL100本構模型進行模擬；對于發動機等變形較小且對上部結構強度試驗影響較小的部件采用剛性體材料MATL20模型；另外，對大部分部件采用Belytschko-Tsay算法，厚度取為0.8～1.5 mm.

1.1.3連接、接觸等的設置

連接、接觸、約束和加載的設置是有限元仿真分析中重要的設置內容.連接主要包括螺栓連接、膠粘連接、縫焊連接和點焊連接；接觸的設置除了定義所有部件的自接觸和相應部件之間的面面接觸之外，還單獨定義了車體與翻轉平臺以及車體與擋板之間的接觸；加載的設置通過定義關鍵字*INITIAL_VELOCITY_GENERATION對整車模型的初始翻轉角速度進行定義.

1.1.4其他設置

小客車上部結構強度試驗從水平位置開始，車體隨翻轉平臺以一個勻速的翻轉角速度進行翻轉，翻轉至小客車的臨界側翻穩定角處開始利用自身重力繼續翻轉，在從水平位置翻轉到臨界側翻角處車體的翻轉角速度以及車體形態沒有任何的改變，所以在仿真試驗中，以車體在臨界側翻角處的位置為初始狀態，根據小客車的受力分析計算得出小客車的臨界側翻穩定角為46.364°.目標車型小客車的上部結構強度仿真試驗有限元模型見圖2.對相應的輸出控制卡片進行設置，仿真時間長度設置為3 500 ms，時間步長設置為1×10-6s.

圖2 目標車型小客車側翻試驗仿真模型

1.2 有限元模型的驗證

在建立小客車的上部結構強度試驗有限元模型后，為了保證模型的有效性和后續研究的可靠性，對所建立的小客車有限元模型進行試驗驗證，試驗同樣參考文獻[2]客車上部結構強度要求及試驗方法來進行.本文中選取仿真模型與試驗小客車的臨界側翻角的對比以及仿真試驗和實車試驗中小客車關鍵運動狀態即小客車第一次接觸地面的時刻進行對比和相對誤差分析進行驗證，對比結果見表2，車體第一次與地面發生碰撞時刻的仿真與實驗對比見圖3.

表1 仿真試驗與實車試驗結果對比

圖3 仿真與實驗車體第一次與地面發生碰撞時刻

根據表1和圖3進行誤差分析，可以得到：

1) 仿真中小客車與地面發生碰撞后發生了回彈現象，與試驗相符.

2) 選取的對比分析參數結果中，相對誤差均在5%以內，滿足仿真要求.

另外，在仿真試驗的過程中，沙漏能始終控制在總能量的5%以內，滿足仿真結果的可靠性要求[5].因此，所建立的小客車上部結構強度試驗仿真模型是可行的，具有一定的可靠性，可以進行后續的研究工作.

2 試驗參數影響規律研究

基于小客車上部結構強度仿真試驗有限元模型，研究試驗中每個初始試驗參數對車輛靜態側翻碰撞安全性能的影響.每一次進行仿真分析時，只改變一個初始試驗參數，其他參數選定為基礎數值來進行研究.

2.1 影響因素確定

上部結構強度試驗中可以改變的因素主要有：車體初始翻轉角度、車體初始翻轉角速度、試驗擋板高度、試驗平臺距離地面高度等四項.選取上述四項初始試驗參數為試驗的影響因素，并選定文獻[2]客車上部結構強度要求及試驗方法中的相關規定參數值為基礎數值，另外，基于上部結構強度試驗的可實現范圍，并根據均勻試驗設計原則，對初始角速度、擋板高度、跌落高度三項參數分別選取與基礎數值偏差±5%,±10%和±15%共六個數值來進行仿真對比研究，而對翻轉角度，由于初始狀態基礎數值選取的是目標車型的靜態側翻穩定角，是可以實現翻轉的最小角度，因此選取基礎數值偏差的5%,10%,15%,20%,25%,30%共六個數值.仿真參數選取結果見表2[6-7].

表2 仿真參數數值

2.2 結果分析

在文獻[2]客車上部結構強度要求及試驗方法中，規定上部結構應具有足夠的強度以保證生存空間沒有受到侵入，參考生存空間的確定方式以及頂壓試驗(FMVSS216轎車車頂抗壓強度)中的相關指標，本文選取A柱最大變形量、上邊梁最大變形量、頂蓋最大變形量，以及剛性墻(也就是地面)的最大接觸力共四項指標作為側翻碰撞安全性能的評價標準.為了更直觀地了解各項側翻碰撞試驗條件參數對側翻碰撞安全性能的影響規律，利用各輸出結果與基礎數值的比值進行分析研究[8].

首先設定側翻碰撞參數全部為基礎數值時進行仿真，結果見圖4.圖4a)為車輛側翻仿真試驗過程中A柱變形量、上邊梁變形量和頂蓋變形量的變化曲線以及出現最大變形量時刻對應的車輛形態；圖4b)為車輛側翻仿真試驗過程中剛性墻(地面)接觸力的變化曲線以及剛性墻最大接觸力出現時刻對應的車輛形態.

圖4 以基礎數值作為參數時的仿真結果

目標車型在基礎數值即翻轉角度為46.364°、翻轉角速度為0.087 rad/s、擋板高度為50 mm、翻轉平臺高度為800 mm進行側翻仿真試驗時，A柱、上邊梁和頂蓋均在車體第一次接觸地面時變形量出現第一次峰值，隨著與地面的撞擊發生一定的回彈，在之后的過程中，車體繼續與地面發生碰撞，并產生累積變形，各關鍵結構在仿真結束時產生最大變形量，A柱、上邊梁和頂蓋的最大變形量分別為131.108，120.712，144.842 mm；同時，剛性墻的接觸力在車體與地面發生第一次碰撞時達到最大，為65.683 kN，后續碰撞過程中，隨著車體與地面的接觸產生相應的碰撞力.

2.2.1初始翻轉角度

設置不同的初始翻轉角度進行仿真分析，初始翻轉角度對各關鍵結構的最大變形量的影響趨勢見圖5.

圖5 初始翻轉角度對各項指標的影響曲線

通過查看計算輸出的d3plot動畫以及相關的曲線文件可以發現，在不同的初始翻轉角度條件下，車體的A柱、上邊梁和頂蓋的變形量均在車體與地面發生第一次碰撞的時刻出現了峰值，并且不同初始翻轉角度下車體與地面發生第一次碰撞的時刻也非常接近，時間間隔均小于20 ms；在后續過程中，隨著車體與地面的繼續碰撞，變形量繼續增加，到仿真結束時刻變形量達到最大.在其他組不同初始試驗條件下亦是如此，后文不再贅述.

由圖5可知，隨著初始翻轉角度的增加，各關鍵結構的最大變形量也在增加，這是因為初始翻轉角越大，車體發生側翻的趨勢越明顯，車體在初始翻轉角速度的作用下開始側翻后在接觸地面時刻的瞬時角速度越大，第一次與地面發生碰撞產生的變形越大，在后續與地面發生碰撞的過程中產生的累積變形的作用下，其仿真結束時刻的最大變形也越大.

在不同的初始翻轉角度條件下，剛性墻的最大接觸力隨著初始翻轉角度的增加呈現上升的趨勢，是由于初始翻轉角度越大，車輛發生側翻的趨勢越明顯，側翻后到達接觸地面時刻的瞬時角速度越大，產生的碰撞力也越大；同時，剛性墻最大接觸力在不同初始翻轉角度條件下的動態響應相對于A柱等關鍵結構的最大變形量的動態響應不明顯，其中，頂蓋最大變形量的動態響應最大，在其他初始碰撞參數下剛性墻最大接觸力的動態響應也較小.

2.2.2初始翻轉角速度

初始翻轉角速度對各項指標的影響趨勢見圖6.

圖6 初始翻轉角速度對各項指標的影響曲線

由圖6可知，在初始翻轉角速度小于基礎值0.087 rad/s時，車體關鍵結構的最大變形量呈下降趨勢；當初始翻轉角速度大于基礎值0.087 rad/s時，初始翻轉角速度越大，車體關鍵結構的最大變形量越大，剛性墻的最大接觸力也呈現出相同的變化趨勢.當初始翻轉角速度小于基礎值時，初始翻轉角速度越大，車體接觸地面的時間越短，接觸地面時刻的瞬時角速度越小，第一次碰撞產生的變形越小，仿真結束時刻的最大變形也越小；當初始翻轉角速度大于基礎值時，角速度增大的作用比較明顯，當初始翻轉角速度成倍增加時，雖然接觸地面的時刻提前，但是在接觸地面時刻車體的瞬時角速度也成倍增加，第一次碰撞產生的變形和接觸力就越大，仿真結束時刻的最大變形也越大.

2.2.3擋板高度

設置不同的擋板高度對目標車型進行側翻仿真試驗，擋板高度對各項指標的影響趨勢見圖7.

圖7 擋板高度對各項指標的影響曲線

由圖7可知，隨著擋板高度的增加，車體各關鍵結構的最大變形量和剛性墻的最大接觸力均出現減小的趨勢，這是因為當擋板高度增加時，擋板對輪胎翻轉過擋板的阻礙作用變大，車體翻轉過擋板時的角速度變小，當車體與地面發生第一次碰撞時的瞬時角速度變小，產生的變形量和接觸力也變小，所以仿真結束時刻的累積最大變形量也越小.當擋板高度為55 mm時，剛性墻的最大接觸力比擋板高度為52.5 mm時較大，可能是因為擋板高度為55 mm時，輪胎翻轉過擋板后車體獲得的瞬時角加速度變大，從而使車體與地面發生第一次接觸時的瞬時角速度變大，產生的碰撞力也變大.

2.2.4翻轉平臺高度

在不同的翻轉平臺高度下對目標車型進行仿真試驗分析，翻轉平臺高度對各項指標的影響趨勢見圖8.

圖8 翻轉平臺高度對各項指標的影響曲線

由圖8可知，當翻轉平臺高度大于760 mm時，隨著翻轉平臺高度的增加，A柱、上邊梁、頂蓋的最大變形量以及剛性墻的接觸力均呈現不斷變大的趨勢，這是因為當擋板高度變大時，車輛的初始勢能變大，車體與地面發生碰撞時的角速度也變大，因此各關鍵部件的最大變形量和剛性墻的最大接觸力也變大.當側翻平臺高度為720 mm時，其各項指標相比于側翻平臺高度為760 mm時較大，可能是由于車身高度的影響關系，當車體與地面發生第一次碰撞時接觸力的方向對車體強度的影響較大，所以產生的變形量和接觸力也較大.

由上述分析可知，側翻試驗初始翻轉角度、初始翻轉角速度、擋板高度和翻轉平臺高度這四個碰撞參數對車體A柱、上邊梁和頂蓋的最大變形以及剛性墻最大碰撞力的影響趨勢各有不同，各指標與初始翻轉角度和翻轉平臺高度呈正相關，與擋板高度呈負相關，而對于初始翻轉角速度，在參考文獻[2]客車上部結構強度要求及試驗方法的試驗條件下[9-10]，各項指標與初始翻轉角速度呈負相關，并且在上述四項初始側翻碰撞參數中，翻轉平臺高度即跌落高度對試驗結果的影響最為明顯.另外，對于A柱、上邊梁和頂蓋的最大變形量而言，車體與地面第一次碰撞產生的變形量的大小基本上決定了整個側翻試驗過程中相應部件的最大變形量，并且在這些關鍵部件中，頂蓋的最大變形量最大，而A柱的最大變形量大于上邊梁的最大變形量.

3 結 束 語

本文運用非線性有限元分析軟件Hypermesh建立了某型小客車的側翻試驗仿真模型，對標分析了仿真模型與實車試驗之間的誤差，驗證了仿真模型的準確性；以試驗中車體的A柱、上邊梁和頂蓋的最大變形以及剛性墻(地面)的接觸力為評價指標，分析了側翻試驗中初始翻轉角度、初始翻轉角速度、擋板高度和翻轉平臺高度這四個初始碰撞參數對車輛側翻碰撞安全性能的影響，得到了車體關鍵結構與各初始碰撞參數之間的影響規律.該研究可以為小客車的側翻碰撞試驗的設計以及小客車側翻碰撞安全性能的優化提供參考依據.

[1] ALBRODT, SIMON B. Evaluation of different roof strength methods in quasi-static and dynamic rollover tests using finite element analysis of a 2003 Ford Explorer model[R]. SAE Technical Papers,2014.

[2] 中國公路車輛機械有限公司.客車上部結構強度要求及試驗方法:GB/T 17578-2013[S].北京:中國標準出版社，2013.

[3] ZHU Y Q, HONG Y Q, HONG T S, et al. Design and simulation of side rollover resistant capability of tracked vehicle for mountain orchard[J]. Nongye Jixie Xuebao,2012(1):19-23.

[4] 曹立波,顏凌波.汽車翻滾安全性研究及試驗概覽[J].汽車工程學報,2012(4):235-248.

[5] 葛健.客車側翻安全性仿真與設計改進研究[D].長沙：湖南大學,2010.

[6] PARENT D P, KERRIGAN J, CRANDALL J. Comprehensive computational rollover sensitivity study part 2: Influence of vehicle, crash, and occupant parameters on head, neck, and thorax response[R]. SAE Technical Paper,2011.

[7] HAMDY A, IBRAHIM, AHMED K, et al. A system for vehicle collision and rollover detection. 2016 IEEE Canadian Conference on Electrical and Computer Engineering (CCECE)[C]. IEEE Conference Publications,2016.

[8] 謝伯元，朱西產，刁增祥.汽車翻滾試驗方法研究[Z].長沙：湖南大學汽車車身先進設計制造國家重點實驗室，2008.

[9] 林志立.客車有限元模型對側翻仿真結果的影響[D].柳州：廣西科技大學,2015.

[10] 高云凱,張朋,吳錦妍,等.基于kriging模型的大客車側翻安全性多目標優化[J].同濟大學學報(自然科學版),2012(12):1176-1181.

Simulation Study on Minivan Stumbling Rollover Test and Influence Factors Analysis

ZHOUTingmei1)YANYan1)MOYimin1)LIUChangye1,2)

(SchoolofMechanicalandElectronicEngineering,WuhanUniversityofTechnology,Wuhan430070,China)1)(TechnicalDevelopmentCenter,SGMWCorporation,Liuzhou540057,China)2)

In order to study the safety performance of the minivan in stumbling rollover, a finite element simulation model of the target car based on the strength requirement and test method of the bus upper structure was established, and the validity and accuracy of the model were verified. The influence of four initial collision parameters including the initial rollover angle, the initial turning angular velocity, the height of the baffle and the height of the flipping platform on vehicle safety performance in stumbling rollover was researched. The results indicate that the selected four evaluation indices including the largest deformation of A pillar, upper beam and the roof, and the largest rigid wall force are positively correlated with the initial rollover angle and the height of the flipping platform, which are negatively correlated with the initial turning angular velocity and the baffle height, and the flipping platform height is the most obvious effect on the test results.

minivan; stumbling rollover test; finite element model; collision parameters

U467.1

10.3963/j.issn.2095-3844.2017.05.017

2017-07-12

周廷美(1962—)：女，博士，教授，主要研究領域為管理信息系統、CAD、包裝動力學等

*校企合作基金項目資助(S-C08-01W10-904-010-OR19)