某乘用車正面偏置碰撞仿真分析及其優化對策研究

王磊，楊瑞，趙強

(東北林業大學 交通學院，哈爾濱 150040)

某乘用車正面偏置碰撞仿真分析及其優化對策研究

王磊，楊瑞*，趙強

(東北林業大學 交通學院，哈爾濱 150040)

利用CAE有限元仿真分析法，在某乘用車的幾何模型基礎之上，利用LS-DYNA軟件建立偏置碰撞試驗仿真模型，對模型進行仿真求解，并對仿真結果進行分析，根據仿真結果分析得出前縱梁結構存在的問題，進而對前縱梁結構進行改進，使其達到C-NCAP標準。通過對試驗結果中前圍板侵入量和車身加速度的比較，進行改進后的有效性分析；針對前縱梁結構改進的方案，運用3K全因子試驗設計法，分別對前縱梁選取3種不同的材料及料厚對其進行二次全因子優化，重新進行碰撞仿真運算，通過比較9組試驗的車身加速度峰值，選出車身加速度峰值最小的一組為最優方案。結果顯示：材料選取B550L，厚度為1.5 mm的前縱梁，吸收碰撞能量的效果是九組試驗組合中最好的，可以有效地提升汽車的被動安全性能。

有限元；偏置碰撞；結構優化

0 引言

近年來，由于汽車保有量持續增長，給交通運輸環境帶來了前所未有的壓力。每年大大小小的交通事故屢見不鮮。我國2015年全年各類生產安全事故造成的死亡人數中，交通事故約占54%[1]。在交通事故中汽車的被動安全性能的好壞直接關系到乘員所受到的傷害程度，為此，對于汽車被動安全性的研究就顯得尤為重要。

在交通事故中，汽車發生碰撞的形式可歸納為以下幾種：正面碰撞、側面碰撞、追尾及翻滾等。在所有的交通事故中，最主要的發生形式就是來自于正面的碰撞，而偏置碰撞作為正碰的一種特殊形式，在所有正面碰撞事故中占有最高的比例。據統計顯示，在碰撞事故中，車輛與碰撞物的重疊率(簡稱為重疊率)為30%～40%，車內乘員的受傷率最高，40%正面偏置碰撞仿真試驗恰恰能夠較好地模擬重疊率為30%～40%的交通事故[2-4]。進行汽車正面偏置碰撞安全性的研究，對減輕交通事故中人員的傷害具有非常重要的意義。

在車型開發過程中，車體的結構設計是車輛安全的基礎。本文基于碰撞仿真技術對某車型 64 km/h偏置碰撞性能進行分析與評估，提出優化方法，切實可行地提升了整車的偏置碰撞安全性能。

1 有限元模型的建立

有限元模型的建立過程主要分為以下幾個步驟，首先，以ANSA作為幾何模型的前處理軟件，分別對原始模型進行幾何清理、抽中面與網格的劃分；然后，利用LS-DYNA軟件對模型進行連接定義、建立材料屬性、設置初始條件和邊界條件；最后，設置邊界條件、輸出控制及輸出文件控制[5-7]。

有限元模型的網格最大長寬比為5，最大扭曲角為40°，網格最大翹曲角度 11°，最小雅克比 0.6，整車有限元模型一共有1 348 405個單元。其中殼單元1 157 558個，包括1 080 446個四邊形單元和77 112個三角形單元，還包括190 847個體單元，三角形單元占總殼單元的約6.7%，小于10%，滿足網格質量要求。劃分網格后的整車有限元模型如圖1所示。

圖1 整車有限元模型Fig.1 Vehicle finite element model

2 偏置碰撞模型的合理性檢查

根據有限元基本理論中的能量守恒定律，汽車在碰撞仿真試驗過程中的總能量應該是守恒不變的，通常情況下，汽車碰撞仿真系統中，整個碰撞過程中的系統總能量、動能、內能和沙漏能可以作為評價指標，檢查系統的能量是否守恒以及有限元模型的合理性[8]。將計算結果bin out導入后處理軟件hyper graph中，選擇輸出4條能量變化的曲線，如圖2所示。

圖2 碰撞過程中的能量變化曲線Fig.2 Energy change curve in collision process

圖2中右起由上至下4條曲線分別表示總能量、內能、動能和沙漏能量隨時間的變化，由系統能量變化曲線圖可以看出，動能、內能和沙漏能的和始終等于汽車總能量，系統總能量也始終保持不變。所以，模型從能量方面顯示是正確的，而且在碰撞過程中出現很少的沙漏能，遠小于總能量的10%。因此，模型從整個系統的能量變化方面顯示也是合理的[9]。

3 偏置碰撞仿真分析及前縱梁結構改進方案

汽車正面偏置碰撞模型的建立工作完成之后，參照 C-NCAP 試驗標準，車輛以 64 km/h 的初始速度與可變形壁障發生40%重疊率的偏置碰撞，可變形壁障右側表面偏移車輛中心線約 10%的車輛寬度，車輛應與可變形壁障表面重疊40%±20 mm，根據這個要求來移動壁障，調整y方向的重疊率[10-11]。將含有仿真模型所有信息的KEY文件輸出，運用LS-DYNA求解器進行運算求解，把計算結果d3plot文件導入后處理軟件hyper view中，可以觀察到整車模型碰撞形變的動態過程，圖3為0.12 s時刻仿真模型的碰撞狀態。

通過對汽車前部主要吸能部件的變形量及變形特點的分析發現：左前縱梁中部由于抗彎剛度不夠而出現較大彎折，使得吸能盒和縱梁前部不能最大限度的發揮吸能作用，整個縱梁也沒有達到一個很好的變形吸能模式；在這種變形方式下，碰撞產生的能量會更多的傳遞到乘員艙，使車身加速度峰值過高，對乘員造成很大傷害；由于彎折量較大，還會造成侵入量過大，對乘員的安全也是不利的。左前縱梁的變形情況如圖4所示。

圖3 正面 40%偏置碰撞整車變形狀態Fig.3 Positive 40% offset collision vehicle deformation state

圖4 左前縱梁碰撞變形狀態Fig.4 Collision deformation state of the left front string

由于左前縱梁的中部折彎量過大，導致前圍板的侵入量過大，具體數值如圖5 所示。

圖5 前圍板侵入量Fig.5 The amount of dash panel intrusion

因為前縱梁和吸能盒的變形和吸能都不夠充分，使得車身加速度值偏大，具體數值如圖6所示。

為了提高汽車前部吸能部件吸收碰撞能量的效率，提升整車的被動安全性能，將仿真試驗改進措施的初步思路確定為：通過改進前縱梁的結構，使吸能盒和縱梁前部能夠通過更加充分的壓潰和彎曲來吸收更多的碰撞能量。根據左前縱梁的變形特點，對于前縱梁的具體改進方案為：通過在前縱梁的中后部內側添加加強板的方法來提高中后端的抗彎剛度，起到加強后端，讓前端發生變形吸能的效果，改善吸能盒和縱梁前部的吸能特性、減小乘員艙的侵入量、降低車身加速度峰值，而且還可以間接的提高乘員艙的剛度。

圖6 加速度與時間曲線Fig.6 Acceleration and time curve

通過以上的分析，在原始的仿真模型中，添加一組新的COMPIONT，加入前縱梁加強板，重新更新連接定義、材料定義和邊界條件定義。本文所用的加強板材料是牌號為SPFC440的鋼材，厚度取1.5 mm，采用焊點連接的方式與前縱梁連接，連接在縱梁的中后端內側位置，圖7、圖8分別顯示了前縱梁加強板的形狀及在前縱梁中安裝的相對位置。

圖7 前縱梁加強板Fig.7 Front side stiffener plate

圖8 加強板安裝位置Fig.8 Reinforcing plate mounting position

4 改進方案結果

將添加加強板后的改進仿真模型導入 LS-DYNA 求解器進行重新運算，把計算后的結果導入Hyper View中觀察整車及前縱梁的變形情況。

圖9 改進后前縱梁變形情況Fig.9 Improved post-stringer deformation

圖9為添加加強板后的左縱梁碰撞形變狀態，從圖中可以看出縱梁中后部的彎折量明顯減小，隨著縱梁中后部剛度的增加，其抗彎剛度也隨之增大，使吸能盒在碰撞過程中充分利用結構的壓潰變形更好的吸收碰撞能量，也使得縱梁前部變形吸能更加充分。下面從前圍板侵入量和車身定點加速度兩方面分析改進方案是否有效。

圖10 前圍板侵入量Fig.10 The amount of the front panel intrusion

圖10、圖11分別為前圍板侵入量位移云圖和車身定點加速度曲線，根據之前對改進前碰撞仿真結果的分析，相對于改進前，改進后的前圍板侵入量減小了5.2 mm，車身定點加速度減小了1.2 g。通過最終的試驗數據證明，在前縱梁中后部內側添加加強板的改進方案對提高汽車偏置碰撞的安全性是有幫助的，即改進方案是有效的。

圖11 車身加速度曲線Fig.11 Body acceleration curve

5 二次優化及結果評定

根據以上的分析，在前縱梁中添加加強板來提高汽車碰撞安全性的改進方案是有作用的，但效果不是很明顯，為了進一步探究前縱梁的一些物理參數對其整體性能和汽車安全性的影響，還需要對結構改進后的前縱梁進行二次優化設計，本文所采用的試驗設計方法為3K全因子試驗設計法[12-15]。試驗選取前縱梁材料和厚度作為因素變量，其中，三種材料均是從寶鋼材料庫中選擇的汽車結構用熱連軋鋼材。因為不同的用途對鋼板的材質性能、表面質量及尺寸、外形精度等要求也各不相同，所以必須對熱軋鋼板的不同用途、牌號、材質和特性有一定的了解，才能做到盡可能的經濟、合理的使用[16-17]。

優化前的前縱梁料厚為1.8 mm，全因子試驗中厚度選取1.5、1.8、2.0 mm 3個數值。將前縱梁賦予3種不同的材料和厚度進行分別組合試驗，試驗時應避免因為厚度的改變而引起的干涉現象[18]。試驗指標設為整車碰撞過程中的車身定點加速度值，本試驗的因素為前縱梁的材料和厚度，每個因素各有3個水平，根據3K全因子實驗設計，共需要9次試驗，每次試驗均需要重新賦予材料屬性后輸入DYNA求解器進行求解運算，輸出結果文件中的車身加速度曲線，得到的各組車身加速度的結果見表1。

由表1的試驗結果可知，材料B550L、厚度1.5 mm一組的車身加速度為40.6 g，比參數優化前的加速度值44.9 g減小了4.3 g，降幅達到了9.6%，其數值在所有組中是最小的，且加速度曲線較優化前的緩和，是本次試驗選出的最佳組合。其最優方案的實驗結果如圖12所示。

表1 車身加速度優化結果Tab.1 Body acceleration optimization results

圖12 最優方案加速度曲線Fig.12 Optimal scheme acceleration curve

6 結論

本文通過LS-DYNA平臺建立64km/h偏置碰撞仿真試驗模型，并對其進行計算求解，通過研究和分析得出的主要結論如下。

(1)通過對改進前的前縱梁形變特點分析，提出在前縱梁中后部內側添加加強板的改進方案，提高前縱梁的抗彎強度，使吸能盒和前縱梁前部達到一個很好的漸進疊縮性變形模式并且更高效率的吸收碰撞產生的能量。

(2)為了研究汽車前縱梁的某些參數對汽車被動安全性的影響，對前縱梁的材料和厚度進行了全因子二次優化，實驗結果表明：材料B550L、厚度1.5 mm的一組為最優方案。在汽車前縱梁的改進和優化研究中，應著重考慮其前縱梁所用材料的材質和厚度對汽車安全性影響。

本文研究的內容對于企業開展汽車40%偏置碰撞的計算機仿真分析，具有重要的意義和廣泛的實際應用價值。

[1] 蘇建.汽車前縱梁結構的碰撞仿真及其優化[D].杭州：浙江工業大學，2014.

[2] 黃政平.汽車正面偏置碰撞安全性研究[D].長沙：湖南大學.2011.

[3] 劉栗.基于2012版C-NCAP轎車正面偏置碰撞車身前部改進仿真研究[D].重慶：重慶交通大學，2013.

[4] 王月，尹高紀，周大勇，等.某車型正面40% 偏置碰撞的車體結構優化[J].汽車安全與節能學報，2014，5(4)：371-377.

[5] Forsberg J，Nilsson L.Evaluation of response surface methodologies used in crash worthiness optimization[J].International Journal of Impact Engineering，2006，32(5)：759-777.

[6] Redhe M，Forsberg J，Jansson T，et al.Using the response surface methodology and the d-optimality criterion in crashworthiness related problems[J].Structural & Multidisciplinary Optimization，2002，24(3)：185-194.

[8] 王永菲，王成國.響應面法的理論與應用[J] .中央民族大學學報(自然科學版)，2005，14(3)：236-240.

[9] 葛樹文，王國強，李紅建，等.高強度鋼對車體側抗撞性影響的研究[J].汽車工程，2008，30(1)：17-21.

[10] Peroni L，Avalle M，Belingardi G.Comparison of the energy absorption capability of crash boxed assembled by spot-weld and continuous joining techniques[J].International Journal of Impact Engineering，2009，36(3)：498-511.

[11] Tarigopula V，Langseth M，Hopperstad O S，et al.Axial crushing of thin-walled high-strength steel sections[J].International Journal of Impact Engineering，2006，32(5)：847-882.

[12] 伍騰飛.轎車40%ODB正面碰撞仿真分析[D] .上海：同濟大學，2009.

[13] 祝培.緩沖吸能式保險杠的CAE分析及實驗驗證[D] .南京：南京理工大學，2013.

[14] 蔡青，李世蕓，陳麗.有限元法在我國汽車行業中的應用與展望[J].重型汽車，2005，13(1)：10-11.

[15] 莫立權.車架正面碰撞性能CAE分析與改進[D] .北京：華北電力大學，2010.

[16] Anghileri M，Chirwa E C，Lanzi L，et al.An inverse approach to identify the constitutive model parameters for crashworthiness modeling of composite structures[J].Composite Structures，2005，68(1)：65-74.

[17] Gandhi T，Trivedi M M.Pedestrian protection systems：issues，survey，and challenges[J].IEEE Transactions on intelligent transportation systems，2007，8(3)：413-430.

[18] 張偉.汽車碰撞及防撞梁結構優化研究[D] .成都：西南交通大學，2012.

SimulationAnalysisandOptimizationofFrontOffsetCollisionofaPassengerCar

Wang Lei，Yang Rui*，Zhao Qiang

(College of Transportation，Northeast Forestry University，Harbin 150040)

Based on the geometric model of a passenger car，the simulation model of offset collision experiment is established by using LS-DYNA software.The model is simulated and solved，and the simulation results are analyzed.According to the simulation results，the existing problems of the front longitudinal beam structure are analyzed，and then the structure is improved to reach the C-NCAP standard.Through the comparison of the front inclinometer intrusion and the acceleration of the vehicle body，the improved effectiveness analysis is carried out.Then，based on the improvement scheme of the front longitudinal beam，the 3K full factor test design method is used to select three different materials and thickness for the beam respectively，and the two full factor optimization is carried out.Then，the collision simulation operation is carried out again.By comparing the body acceleration peak value of the nine groups of tests，the group with the smallest acceleration peak value is selected as the optimal scheme.The results show that the material selection of B550L，the thickness of the 1.5mm front longitudinal beam，the effect of absorbing collision energy is the best combination of nine groups of tests，which can effectively improve the passive safety performance of the vehicle.

Finite element；offset collision；structural optimization

U 467.14

A

1001-005X(2017)06-0083-05

2017-05-25

黑龍江省留學歸國人員科學基金(LC2015019)

王磊，碩士。研究方向：道路運輸與汽車安全技術。E-mail：937979248@qq.com

*通信作者：楊瑞，碩士，副教授。研究方向：汽車安全技術。E-mail：1243678632@qq.com

王磊，楊瑞，趙強，等.某乘用車正面偏置碰撞仿真分析及其優化對策研究[J].森林工程，2017，33(6)：83-87.