汽車整車結構側面耐撞性有限元數值模擬

鄭何妍，盧耀輝，趙智堂，張德文

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汽車整車結構側面耐撞性有限元數值模擬

鄭何妍，盧耀輝，趙智堂，張德文

（西南交通大學 機械工程學院，成都 610031）

研究汽車結構側面主要承載部件的耐撞性，參考我國碰撞法規和ECE R95，根據國內某SUV汽車的參數和相關標準建立整車有限元模型和移動可變形壁障模型(MDB)，對其進行數值模擬，為結構的優化設計提供參考。利用HyperMesh前處理將CAD模型轉化為CAE有限元模型，輸出k文件，并通過LS-DYNA大變形有限元仿真軟件對其耐撞性進行計算。結果仿真顯示，在汽車側面碰撞過程中，B柱和車門等主要承載部件發生了較大的變形，B柱變形量為116.6 mm，車門的變形量為190 mm，其值符合標準要求，在碰撞結束后保證了足夠的乘員空間。該車有較好的側面耐撞性，且得出的碰撞數值模擬結果可為該車的結構設計提供參考。

側面碰撞；大變形數值模擬；移動變形壁障；B柱

隨著汽車保有量的不斷增加，引發越來越多的交通事故，造成大量的人員傷亡和財產損失。汽車引發的交通事故主要可以分為正面碰撞、側面碰撞和追尾。數據顯示，某年汽車側面碰撞的發生比例僅為27%，卻造成全年事故總財產損失的42%[1]。因此，每一款被設計的車型，都必須先進行側面碰撞試驗，以保證其安全性。

我國在1988年左右開展對車輛碰撞進行仿真，現已逐步建立了完整的法規體系。2001年，孫宏圖等將有限元法與動力學方法相結合，模擬計算了不同車型的汽車碰撞大變形過程[2]。2005年，游國忠等用LS-DYNA及ETA/VPG對有限元整車模型的性能進行數值模擬分析，并同實車模型碰撞試驗的結論一致，說明該建模方法有效且準確[3]。2008年，Mei L、Thole C A等發現在使用LS-DYNA或PAMCRASH來模擬計算同一模型時，一個節點位置選擇的改變將會獲得有差異的仿真結果，根據此種不確定性，他們提出使用數據挖掘的算法來獲取穩定的汽車有限元模型參數[4]。2010年，楊艷慶、田晉躍詳細闡述了提高薄壁梁吸能特性的優化方案，再用ANSYS/LS-DYNA對經過改進的薄壁梁做大變形仿真分析來評價其優化方案，從而選出最優方案[5]。文中主要利用HyperMesh前處理將CAD模型轉化為CAE有限元模型，輸出k文件，并通過LS-DYNA仿真求解，重點研究分析車門與B柱的變形，為結構優化方案提出參考建議。

1 側面碰撞標準

1990年，美國機動車安全法規 FMVSS(Federal Motor Vehicle Safety Standards) 214于10月份在美國正式頒布執行。1995年，歐洲也制定了相應的汽車側面碰撞法規ECE(Economic Commission for Europe) R95，歐美這兩種側碰法規的主要不同體現在碰撞形式上。1998年，日本正式將汽車側面碰撞法規納入安保基準，其內容與歐洲ECE R95基本相同[6]。歐洲ECE法規至今已頒布實施了99項，其中安全性法規81項，包括26項被動安全法規和55項動安全法規[7]。ECE法規制定了一套便于理解和操作的試驗方法及各項安全性能指標，在保證汽車安全性能的基礎上，重點關注法規的協調、可操作和適應性。

我國碰撞安全法規體系也采用ECE標準。我國以ECE R95/02法規為藍本制定側碰標準，又參考日本的相關法規以適應亞洲人體型標準，建立了一套我國自有的汽車合格評定制度——《汽車側面碰撞的乘員保護》（GB 20071—2006）。該標準規定了汽車側面碰撞的試驗程序要求，另外還詳細規定了三維H點裝置、車輛型式變更、碰撞假人及移動變形壁障[6]。中美歐碰撞法規對比見表1。

表1 中美歐側面碰撞法規對比

2 建立有限元模型

2.1 整車

參考某SUV車型參數，用Catia建立了含底盤的整車模型，再將CAD模型導入HyperMesh中進行碰撞前處理。建立整車有限元模型時，對于汽車發動機與動力傳動系中的變速箱、傳動軸等剛度較大的構件用SOLID164實體單元建模，行駛系中的輪轂選用殼單元建模。其中發動機和輪毅在碰撞過程中幾乎不發生變形，可作為剛體處理，采用 MAT20 材料模型。對于車身的有限元建模，首先車身由薄鋼板和車身梁柱框架焊接而成，選用SHELL163殼單元，車窗玻璃也選用殼單元建模；其次，車身主體結構如前縱梁、門檻及乘員倉框架均大量使用高強度鋼板。整車模型還包括B柱、門檻梁、車門防撞桿、前后車門、車頂、地板等影響汽車側面碰撞安全性的主要部件，均采用板殼單元建模。一些線路及管路的連接由于質量較小，建模時將其省略。模型簡化可通過將體積和剛度均較大，且在變形過程中不明顯的部件用剛性單元模擬，并且對變形可忽略的小構件用點質量單元模擬。網格劃分時，可能發生大變形區域的單元長度控制在約10 mm，而最小單元長度應控制在4 mm以上。最終建立的SUV整車有限元模型包含478 624個節點，494 117個單元，如圖1所示。

圖1 整車有限元模型

2.2 移動變形壁障

根據國內碰撞法規相關規定，參考ECE R95法規，建立移動可變形壁障（MDB）有限元模型。根據GB 20071—2006《汽車側面碰撞的乘員保護》的要求，碰撞試驗的移動變形壁障由一個臺車和一個漸變性蜂窩狀的碰撞壁組成，臺車選擇剛性MAT20材料模型，碰撞壁模型材料選擇MAT26蜂窩材料。最終MDB有限元模型包含70 228個單元，其質心點的坐標為(1358,－2915,169)，如圖2所示。

圖2 移動變形壁障有限元模型

3 碰撞參數設置

在整車碰撞分析中，采用“Contact_Automatic_Si- ngle_Surface”來定義車身的接觸方式。此外，還需定義局部接觸，其中包括整車與移動壁障的接觸、MDB的自身接觸、Beam焊點單元接觸、車輪與地面的接觸等。根據國內碰撞法規規定，賦予MDB 以50 km/h的初速度，即13 889 mm/s。采用LS-DYNA 中的*CONTROL_HOURGLASS（黏性阻尼法），設置沙漏系數QH為0.05，默認沙漏控制類型為類型3基于黏性的沙漏控制，其仿真時間設為120 ms。在HyperMesh中將設置完畢的模型寫入k文件并輸出，將k文件導入ANSYS/LS-DYNA中計算。側面碰撞有限元模型如圖3所示。

圖3 側面碰撞有限元模型

4 汽車結構側面碰撞結果分析

碰撞中整車結構的變形云圖如圖4所示，色調越暖表示變形越大。20 ms車體開始大變形，從圖4中可以看出，前車門侵入量很大；70 ms后，車體變形基本不變，只是整體發生位移，部分變形量到達峰值的節點已經開始回彈；100~120 ms期間，可以看到變形量較大的結構都有明顯的回彈過程。還可以看出，車體的總體位移為546.3 mm，節點最大位移為736.3 mm，可計算出實際侵入最大位移為190.0 mm。由此可得出，在MDB垂直碰撞汽車左側，B柱變形嚴重，A柱和C柱沒有太大變化；車體其他部位沒有發生明顯的變形；左側前、后車門都發生明顯的凹陷，但加強桿位置變形較小，吸收了大部分的碰撞能量，所以變形主要集中在前車門的中部和后車門的下部。由于該模型在車門中裝有防撞梁，起到一定支撐作用，故車門檻的變形相對良好。

4.1 能量分析

該次側面碰撞模擬中，系統的能量變化曲線如圖5所示。可以看出，在整個仿真過程中，系統能量守恒。在側面碰撞初始時刻，即=0時，系統的內能為0，動能最大，為130 000 kJ，系統能量全部來源于移動變形壁障的初動能。隨著時間的推移，系統內能逐漸增加，動能逐漸減小。當 80 ms≤≤120 ms時，動能和內能保持穩定，系統總能量仍然守恒。從圖5可知，沙漏能約占總能量的7％，認為此分析結果是有效的。

圖4 側面碰撞變形

圖5 系統能量變化曲線

4.2 車門與B柱變形分析

由圖6可知，車前門相對于后門侵入量更大，影響范圍更廣，因此車內前排乘員相對較危險。變形量最大節點為NODE 692648，上文得到車體總體位移為546.3 mm，所以此處變形量穩定在190.0 mm，可看出車前門的十字交叉加強桿起到了較好的抗沖擊作用。

圖6 車門變形

圖7表示B柱變形云圖。由于B柱是側面碰撞的主要承載件，其變形量較大。從圖7中可以看出，B柱的變形主要在中下部，尤其中部變形量最大，上端靠近頂蓋的位置沒有明顯變形。變形量最大節點為NODE 235590，根據車體總體位移為546.3 mm，得出其變形量為116.6 mm，可看出碰撞中B柱中部變形量為最大。

圖7 B柱變形

4.3 B柱侵入量分析

B柱作為側面碰撞中的主要承載部件對于側面碰撞安全性有至關重要的作用，其侵入量與乘員頭部、肋骨和盆骨損傷都密切相關。因此將B柱的侵入量作為在側面碰撞仿真分析中一個重要的側碰安全評價指標，在B柱從上到下設置7個傳感器，其相對應的節點編號如圖8a所示。

利用HyperGraph繪圖輸出測點的侵入量變化，得圖8b為B柱侵入量曲線圖，可明顯看到大體分為上、中、下三部分。由圖8可知，B 柱中部侵入量明顯大于上、下部位，且在70 ms時中部侵入量達到峰值，在最大測點NODE 982336處侵入量達到170.2 mm。70 ms后B柱結構發生回彈，侵入量減小。最終在120 m時刻最大測點侵入量僅為86.3 mm，證明其在70~120 ms的回彈量相當大，材料的彈性較好。

圖8 B柱傳感器測點分布及侵入量變化

4.4 B柱侵入速度及加速度分析

B柱中部的三個測點（NODE 982336，NODE 982351，NODE 982356）分別與假人胸部上、中、下肋骨位置大致對應，能直觀地評價假人胸部損傷，因此選擇這三點的數據整理并評價，利用HyperGraph讀取節點速度和加速度數據，并進行濾波處理，得到圖9的侵入速度變化曲線和圖10侵入加速度變化曲線。

圖9 B柱中部侵入速度變化曲線

圖10 B柱中部侵入加速度變化曲線

由圖9可知，7.1 ms以前B柱侵入速度保持在0左右，MDB與車體正式接觸后，B柱碰撞速度劇增。50 ms左右三個測點的侵入速度均達到峰值，其最大速度為84 m/s，之后速度逐漸減??；80 ms后速度基本穩定。從圖10可以看出，B柱的碰撞加速度值從7.1 ms開始接觸到20 ms之間變化最大，且在20 ms處三測點均達到峰值，最大加速度為59，需將其性能進一步優化。在侵入量最大時，即70 ms時刻，B 柱中部侵入速度均降到6.4 m/s以下，侵入加速度為－8以下。

4.5 碰撞評價

碰撞試驗在駕駛員一側進行，符合我國法規的規定，且碰撞模型中整車和移動變形壁障的質量和尺寸均符合標準。碰撞過程中B柱最大侵入量為170.2 mm，在B柱中部，所以駕駛員的胸部即肋骨受到傷害最大，但是不會造成致命傷害。碰撞后，車身最大侵入量為190 mm，側圍結構均發生一定量的回彈，造成永久性損傷。對碰撞過程結束后車門的最終變形進行對比分析，其結果如圖11所示?？梢钥闯觯罱K左側前門橫向變形量為－25.6 mm，左側后門橫向變形量可以忽略不計，因此，在碰撞后車門間隙足夠，車門可以正常打開。

4.6 優化建議

由以上分析結果可知B柱需要加強，對改進B柱的結構設計尤為重要。在其方案設計時，需同時考慮到材料、結構等對整體系統的影響，以此來確定最優的設計方案。首先，考慮到分散碰撞力方面，可以增加B柱與車內的連接強度，使其在碰撞時將碰撞能傳到其他部件共同承受，以減小B柱的變形量。比如通過將B柱鉸鏈加強板向下方加長與門檻連接起來，使其在碰撞時將碰撞力從B柱鉸鏈加強板傳到地板上，以此來分散碰撞力。其次，B柱材料的選取對汽車的安全性至關重要，可以將原B柱結構件用泡沫鋁金屬等吸能結構件來取代，提高其抗沖擊性，減小碰撞時的加速度，以此優化B柱。

在碰撞過程中，車門通過吸收碰撞產生的能量和提供較好的傳力路徑來實現對乘員的保護，因此車門結構優化設計也很重要。由于車門的結構、厚度及材料對車門性能有重要的影響，因此可通過以下兩個方面來進行優化。

1）考慮到車門吸能量方面，改變車門防撞梁的幾何形狀可以明顯增大車門的吸能量，從而減小車門變形。由于凹凸板狀結構增加了吸收沖擊的凸臺，所以可將車門防撞梁中間部分制作為有凹凸的板狀結構，進而來提高防撞梁吸收能量的能力。

2）在提高車門耐撞性方面，可通過在碰撞過程中車門的主要接觸區域選用大厚度或者高強度材料的母板來提高其碰撞性能，比如采用高強度鋼板或者抗凹陷鋼板來進一步提高車門的耐撞性。

5 結語

通過在汽車整車結構的側面碰撞大變形有限元數值模擬，對整車變形、車門變形、B柱變形及入侵量的研究，得到的結論如下。

1）根據我國側面碰撞法規標準，該車在側面碰撞過程中，B柱碰撞的最大加速度為59，其性能需要加強。

2）側面碰撞大變形數值模擬結果顯示，前車門最大變形量為190 m，B柱最大變形量為116.6 m，且該車的變形主要集中于前車門和B柱中部，B柱上下部和后車門相對變形量不大，故可說明垂直中心的側面碰撞過程中，前車乘員將受到更大傷害，車內乘員的胸部損傷將比頭部和腹部盆骨更大。

3）該究結果為汽車結構耐碰撞性設計提供參考建議，對結構優化設計提供了參考方法。

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FEM Numerical Simulation of Side Crashworthiness for Vehicle Structure

ZHENG He-yanLU Yao-huiZHAO Zhi-tangZHANG De-wen

(School of Mechanical Engineering, Southwest Jiaotong University, Chengdu 610031, China)

To study the crashworthiness of the main bearing parts on the side of the car structure, establish finite element model of the vehicle and the moving deformable barrier model (MDB) according to parameters and related standards of a domestic SUV by referring to China's collision regulation and ECE R95.The HyperMesh preprocessing was used to convert the CAD model into CAE finite element model to output the k file, and put it in LS-DYNA (large deformation finite element simulation software) to calculate side crashworthiness of the vehicle. Result The main bearing parts such as the B-pillar and the door had large deformation in vehicle side impact. The deformation of the B-pillar was 116.6mm, and the deformation of the door was 190mm. It was in line with the requirement of China's regulations and ensured sufficient occupant space after impact.The vehicle has better side crashworthiness, and the numerical simulation results can provide a reference for the structural design of the vehicle.

side impact; large deformation numerical simulation; moving deformation barrier; B-pillar

10.7643/ issn.1672-9242.2017.12.009

TJ07；U462.3

A

1672-9242(2017)12-0045-06

2017-07-20；

2017-08-12

國家自然科學基金（51275428）；西南交通大學科研訓練國創項目（201610613033）

鄭何妍（1993—），女，四川內江人，碩士生，主要研究方向為車輛結構疲勞強度可靠性與動力學。

盧耀輝（1973—），男，甘肅民勤人，博士，副教授，從事車輛結構疲勞強度可靠性與動力學研究。