汽車正面碰撞前縱梁變形仿真分析

王麗萍 寧鈺球 覃鈺杰

摘 要：在汽車正面碰撞中，前縱梁是主要的吸能部件，對(duì)汽車的碰撞性能與安全性有重要的影響。為研究汽車前縱梁的性能，對(duì)某車100%正面碰撞中前縱梁的變形吸能進(jìn)行仿真分析，利用HyperMesh建立有限元模型，使用LS DYNA得到計(jì)算結(jié)果，在HyperView中對(duì)計(jì)算結(jié)果進(jìn)行后處理獲得了前縱梁的變形情況、前縱梁尾端某一節(jié)點(diǎn)X向位移變化曲線，進(jìn)而分析前縱梁在整車正面碰撞中的變形情況。

關(guān)鍵詞：汽車碰撞；前縱梁變形；仿真分析

中圖分類號(hào)：U461.91 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A

汽車的需求就越來越多，致使我國(guó)的汽車行業(yè)飛速地發(fā)展。汽車安全問題便隨之而來，而且傷害是巨大的。據(jù)統(tǒng)計(jì)，在全世界范圍內(nèi)由于車禍造成的死亡人數(shù)每年有100萬，而中國(guó)這樣的傷害每年超過60000人，由于交通事故，中國(guó)的死亡人數(shù)占世界的16%[1]。這引起有關(guān)部門的深切重視，汽車安全性為重中之重。其中被動(dòng)安全是保護(hù)乘員生命安全的最直接有效的方法。而汽車前縱梁的碰撞特性很大程度上影響整車正面碰撞安全性，因此研究汽車前縱梁的碰撞特性，對(duì)降低碰撞事故中乘員的傷害值具有重要的意義[2]。

1 汽車安全性理論

汽車在發(fā)生交通事故時(shí)，最重要的是保證乘員的安全，將乘員的傷害值降到最低。最有效的方式就是保證車輛整體的完整性，避免車體前部部件侵入乘員艙過量。

1.1 限制整車正面碰撞的變形

為了控制車身前部的最大變形量，可以在車輛許可的變形區(qū)的后部設(shè)置一個(gè)變形截止結(jié)構(gòu)，這種變形截止結(jié)構(gòu)是一個(gè)剛度、強(qiáng)度均較大的區(qū)域，從而強(qiáng)制性的將汽車車身前部的變形控制在變形截止結(jié)構(gòu)內(nèi)，終止變形，保證乘員艙完整性，如圖1中①所示。

1.2 改變變形的模式

車輛在碰撞后其變形模式主要是褶皺、彎曲和斷裂。前縱梁作為車身前部的主要的碰撞承載部件，對(duì)其褶皺變形的控制是非常重要的。如圖1中的②③所示汽車前縱梁的理想狀態(tài)。前縱梁要有一定的抗彎性，使前縱梁能夠保持穩(wěn)定的褶皺變形。并且在碰撞過程中前縱梁的強(qiáng)度要一次向后增強(qiáng)，保證結(jié)構(gòu)變形的次序是從前向后依次變形，如圖1中的④所示。由此可見前縱梁的變形分析在研究汽車正面碰撞中的重要地位。

2 汽車前縱梁有限元模型的建立

利用有限元軟件對(duì)汽車前縱梁碰撞模型進(jìn)行仿真試驗(yàn)一般有三個(gè)步驟，即利用Hyper Works的前處理軟件Hyper Mesh進(jìn)行前處理工作； LSDYNA軟件進(jìn)行計(jì)算的中處理； Hyper Works的后處理軟件Hyper View進(jìn)行后處理工作。前處理Hyper Mesh軟件是對(duì)已有的CAD模型進(jìn)行網(wǎng)格化分完成有限元模型，以及對(duì)有限元模型的清理和簡(jiǎn)化等；中處理就是分析計(jì)算：后處理Hyper View則是對(duì)汽車碰撞結(jié)果進(jìn)行分析處理，并對(duì)相應(yīng)的結(jié)果做出評(píng)價(jià)與分析。對(duì)于汽車碰撞有限元分析流程可以用圖21簡(jiǎn)略表示。

2.1 導(dǎo)入模型

將前縱梁CAD模型導(dǎo)入到Hyper Works軟件中的Hyper Mesh前處理模塊，并在Hyper Mesh軟件中進(jìn)行幾何清理和網(wǎng)格化分。

2.2 幾何清理和網(wǎng)格劃分

導(dǎo)入的前縱梁CAD模型還要進(jìn)行修補(bǔ)和優(yōu)化，使其達(dá)到要求[3]。主要的工作是刪除重復(fù)和多余的面、創(chuàng)建缺失的面等，可以按設(shè)置的間距來實(shí)現(xiàn)邊的清理。通過改進(jìn)和優(yōu)化短邊和小孔、重新布置共享邊和固定點(diǎn)，得到符合要求和質(zhì)量更好的網(wǎng)格。

所建立的整車模型中，網(wǎng)格密度相對(duì)大些的是變形較嚴(yán)重的部分。所以車身的前部分，如前縱梁，其網(wǎng)格密度要大些。設(shè)置為5mm，并且三角形的單元數(shù)應(yīng)控制在整車單元數(shù)的10%以內(nèi)。前縱梁有限元模型如圖22所示。

2.3 設(shè)置邊界條件

2.3.1 設(shè)定碰撞初速度

設(shè)置碰撞速度為56km/h。在HyperMesh中設(shè)置整車的初速度利用Load Collectors按鈕，其工作界面如圖23所示。

在card image中選擇initialVel，輸入初速度名稱，單擊右側(cè)的create/edit按鈕，創(chuàng)建并打開初速度關(guān)鍵字菜單，如圖24所示。

2.3.2 設(shè)置重力加速度

通過HyperMesh中的Tools菜單，選擇creat cards選項(xiàng)，選取*DEFINE_CURVE打開Curve editor定義曲線的界面，如圖25所示。在此界面中，單擊New建立新的重力加速度曲線，分別在X和Y的下方填寫X軸和Y軸的坐標(biāo)值，從而完成加速度曲線的定義。

2.3.3 設(shè)置時(shí)長(zhǎng)

碰撞模擬的時(shí)間長(zhǎng)度通過Hyper Mesh中的Tools菜單，選擇creat cards選項(xiàng)，選取關(guān)鍵字為*CONTROL_TERMINATION，打開關(guān)鍵字菜單，如圖26所示。在該次碰撞仿真中，設(shè)置仿真時(shí)長(zhǎng)為150ms。

3 前縱梁變形分析

遞交LSDYNA 軟件進(jìn)行計(jì)算得到仿真結(jié)果。利用HyperView查看分析結(jié)果得到前縱梁在0～150 ms之內(nèi)的變形過程如圖31所示。

由圖31（a）碰撞初始時(shí)刻、（b）t=10s 時(shí)變形圖、（c）t=20s時(shí)變形圖、（d）t=30s時(shí)變形圖、（e）t=40s時(shí)變形圖可知：前縱梁的變形并不理想、吸收能量的效果比較差。前縱梁沿軸線產(chǎn)生了一定的扭曲。t=10s 時(shí)前縱梁只產(chǎn)生了微笑的變形，然后在t=20ms前就開始塌陷，應(yīng)力集中于縱梁前部。待20s后前縱梁就發(fā)生了十分明顯的彎曲變形。從圖中可看出前縱梁的尾部呈下彎趨勢(shì)，且比較嚴(yán)重。這樣的彎曲變形導(dǎo)致了前縱梁接受力的能力變差，并不能充分地去吸收碰撞的力。由于前縱梁的失效使得它不能吸收的力傳遞到乘員艙，使乘員艙變形加大，沒有保證乘員艙的完整性，造成的后果就是對(duì)乘員造成了極大的傷害，乘員被困，甚至威脅到乘員的生命安全。

如圖32所示，前縱梁尾端節(jié)點(diǎn)最大位移約為450mm左右，這樣的位移結(jié)果可以看出前縱梁的彎曲變形是比較大的。

4 總結(jié)

通過對(duì)前縱梁變形和入侵量的分析可知，汽車在碰撞剛性故障壁時(shí)，首先受到碰撞的是保險(xiǎn)杠，但保險(xiǎn)杠的抵抗能力有限，很快就會(huì)崩潰，所以接下來的前縱梁就會(huì)繼續(xù)接受碰撞的力，所以前縱梁能否接受這樣的撞擊力，不產(chǎn)生彎曲這樣的失效變形就變得尤為重要。使用有限元仿真方法對(duì)汽車前縱梁進(jìn)行了正面碰撞模擬仿真計(jì)算，對(duì)計(jì)算結(jié)果中的前縱梁變形圖、前縱梁入侵量曲線進(jìn)行分析，進(jìn)而對(duì)前縱梁的安全性與重要性做出了評(píng)價(jià)與分析。

參考文獻(xiàn)：

[1]王東海，郭超.依維柯車身正面碰撞仿真研究[J].信息化調(diào)查，2013.3.24.

[2]田國(guó)富，楊成國(guó).汽車前縱梁正面碰撞仿真分析研究[J].機(jī)械工程師，2017.11.10.

[3]黃崢.某轎車側(cè)面碰撞安全性能優(yōu)化改進(jìn)研究[D].安徽農(nóng)業(yè)大學(xué)，2012.

作者簡(jiǎn)介：王麗萍（1987），女，黑龍江齊齊哈爾人，碩士，研究方向?yàn)檩d運(yùn)工具運(yùn)用工程。