車身被動安全性CAE仿真研究

王強

【摘 要】闡述了車身被動安全性CAE分析的重要意義和車身結構安全性的基本要求，總結了車身被動安全性CAE分析的流程。對車身被動安全性試驗進行了仿真，主要包括正面前碰、正面后碰和側面碰撞仿真，并分析了仿真結果。最后，在仿真基礎上，提出了車身被動安全性的設計要點。

【關鍵詞】汽車車身；安全性；仿真

中圖分類號： U461.91 文獻標識碼： A 文章編號： 2095-2457（2018）09-0055-002

DOI：10.19694/j.cnki.issn2095-2457.2018.09.025

隨著節能低碳理念的深入普及，輕量化車身（鋁合金車身、塑料車身等）的發展越來越快，輕量化車身比傳統鋼板車身能夠大幅度地減輕汽車質量，從而降低油耗、節約成本、保護環境。但是輕量化車身也面臨著結構強度不足、剛度低和低頻振動等問題，研究輕量化車身的被動安全性，降低碰撞后的損失、將乘員的傷害降到最小，是提升汽車被動安全性的主題。

汽車車身被動安全性的研究方法主要包括實車碰撞試驗和CAE仿真分析。實車碰撞試驗客觀、真實，可得到全車的損壞情況，但卻不易得到車體具體應力分布和材料內部的破壞情況，且試驗費用高昂，周期較長。為克服上述不足，并得到實車試驗不易得到的數據，對車身被動安全性進行CAE仿真分析已成為必不可少的研發環節。

1 車身結構安全性基本要求

為了乘員和行人的安全，車身結構必須滿足：

（1）碰撞過程中保持駕駛艙（安全艙）的完整性，保證生存空間；

（2）發動機艙（電動汽車電機艙）及行李艙等吸能結構以可控制的方式發生彈塑性變形，即：具有正確的力傳遞路徑，金屬吸能管不發生失穩，可進行疊縮變形吸能；

（3）為防止車內乘員與內飾件發生二次碰撞，外部結構應使變形能與沖擊動能相平衡，使乘員減速帶最小；

（4）保證車身剛度，防止因門框變形導致碰撞后車門無法打開，盡量防止因車窗變形使玻璃破碎傷害乘員。

2 車身被動安全性CAE分析流程

進行車身被動安全性CAE分析的一般流程為：

（1）建立車身有限元FEM模型；

（2）設置安全碰撞類型；

（3）導入碰撞壁壘和定義車輛碰撞初始速度；

（4）定義碰撞接觸面；

（5）定義輸出文件；

（6）仿真計算；

（7）計算結果分析。

3 車身被動安全性試驗的仿真

汽車被動安全試驗主要包括正面碰撞、正面后碰和側面碰撞[1]，具體如下。

3.1 汽車正面前碰

汽車正面前碰試驗的目的是檢測車身變形區域的吸能效果，并檢測車內約束系統的匹配情況。其通過正面40%重疊可變形壁障碰撞來完成，建好的碰撞模型如圖1所示。

碰撞初始速度為56km/h，經仿真計算，碰撞結果如圖2所示，最大變形發生在前保險杠，A柱、B柱和車門未發生明顯變形。如車內建有假人模型，則可對假人的頭部、胸部以及腿部受到的撞擊進行測量與評估，也可有效評估安全帶和安全氣囊的效果。

3.2 汽車正面后碰

汽車正面后碰通過后面70%重疊可變形壁障碰撞來完成，建好的碰撞模型如圖3所示。

碰撞時，壁障初始速度為80km/h，經仿真計算，碰撞結果如圖4所示，最大變形發生在后保險杠及車尾，C柱和車門未發生明顯變形。

3.3 汽車側面碰撞

側碰的仿真模型如圖5所示。

碰撞時，壁障初始速度50km/h，經仿真計算，碰撞結果如圖6所示，車身側面變形較大，已對乘員造成一定的傷害。

4 車身被動安全性設計要點

（1）出于安全考慮，車輛結構設計上，在碰撞過程中，中間乘員艙的變形要盡量小，以保證乘員有足夠的生存空間；車身前、后艙的變形要適當，既要能吸收碰撞過程中的動能、減少乘員受到的碰撞沖擊，也要盡量避免因變形過大而影響到中間乘員艙。

（2）利用金屬的塑性變形來設計吸能結構[2]，如軸向疊縮吸能、收縮變形吸能，金屬管側向壓潰變形吸能、金屬管彎曲吸能等。

（3）車身前后保險杠可以使用吸能特性好的材料，如蜂窩鋁，泡沫鋁，復合材料（纖維增強塑料、智能磁流變材料）等。

（4）車門內板夾層可適當增加肋板和加強筋，并使用高強度材料，以提高車身側面抗變形能力，保證乘員安全。

【參考文獻】

[1]胡志遠，曾必強等.基于LS-DYNA和HyperWorks的汽車安全仿真與分析[M].清華大學出版社，2011.

[2]孫凌玉.車身結構輕量化設計理論、方法和工程實例[M].國防工業出版社，2011.