基于低速碰撞的車門輕量化設計

龔嘉成，凌路易，劉乾

（200082 上海市 上海理工大學）

0 引言

公安部交通管理局對碰撞事故的統計顯示，汽車正面碰撞事故約占66.9%，側面碰撞事故約占28%，追尾碰撞和滾翻的比例稍低[1]，而側面碰撞事故是造成死亡率最高的碰撞形式。在我國，許多城市存在交通繁忙堵車等情況，而大多數的汽車碰撞事故是發生于低速狀態下的。圖1 是不同碰撞形式下的人員死亡率。

圖1 不同碰撞形式下的人員死亡率Fig.1 Human mortality rates under different collision patterns

從圖1 可以看出，在所有碰撞形式中，當發生側面碰撞時，人員的死亡率最高，由此可以看出側碰安全的重要性。汽車的輕量化，就是在保證汽車的強度和安全性能的前提下，盡可能地降低汽車的整備質量。本文是基于保證汽車側碰安全性能的研究，通過更換材料等方式來完成車門部分的輕量化[4-10]。

Wang S 等提出了一種基于數字生產線環境的輕型汽車車門設計方法，包括材料和制造工藝的選擇，進行了多目標分析，最終確定最佳車門面板厚度和最佳車門組件，同時對傳統鋼材沖壓工藝也進行了改進；Wiesbaden S F 研究了蒂森克虜伯的Litecor 車門外面板，該車門的鋼聚合物復合材料由2 塊非常薄的鋼蓋板和1 個塑料芯組成，通過成形仿真考慮Litecor 的特性并開發出相應的工藝用途；哈弗H2 款系列汽車車門（見圖2）由于采用了鋁合金材料而變得更加“輕巧”。徐作文[2]等研究碳纖維的復合材料，并運用于汽車車前門，隨后對車門的靜態剛度、模態以及碰撞后處理進行有效分析，得出了碳纖維復合材料可運用于車門輕量化的結論。

1 碰撞模型建立

本文對車門側面碰撞所采取的法規是E-NCAP（歐盟新車認證程序/中心），這是汽車界最具權威的安全認證機構，創始于1997 年，由歐洲7 個政府組織組成。2009 年10 月，E-NCAP在其新的星級評定程序中，將側面90°垂直柱碰列為正式試驗評價項目[11-14]。我國C-NCAP 于2019 年剛剛頒布了汽車側面柱碰撞的乘員保護法規，這是一個推薦性國家標準，通過國標網查詢可得剛性圓柱體是一個垂直的、不能變形的剛性金屬結構，柱體的直徑選取在254±6 mm，剛性圓柱體的質量為298 kg，且圓柱最下端需在車門最底端位置朝上127 mm。車門的碰撞速度應選取29±0.5 km/h，但由于本文研究是基于低速碰撞的情況，所以選取4 mm/ms 的初速度用車門去擠壓撞擊剛性柱，直徑選取254 mm[15]。

這次研究所選用的模型是某企業的小轎車車門模型，該車門是一個復雜的系統零件，主要組成是內面板、外面板、車門防撞梁、加強板、鉸鏈安裝板、窗框、窗框組件、固定板和限位器安裝板等。圖3 是完成有限元前處理后的模型。

在網格劃分中，主要的網格類型有殼單元和梁單元等。對車門來說，大多零件都是厚度較小的柔性零件，所以在這選取殼單元來劃分網格。一般先會采取automesh 指令對模型進行初步網格劃分，劃分出來的網格在一些細節中都是粗糙的，會影響分析結果，需要對網格進行優化。首先要設置網格屬性，網格尺寸設置為10，最小為2，最大為20，翹曲角最大為15°，單元扭轉角小于40°。網格主要有四邊形和三角形單元，主要運用的是四邊形單元，但在一些過渡曲面或復雜結構轉折時可以用三角單元來劃分，為了精度要求，單元總數中，三角單元的比例要求在5%以下[3]，圖4 和圖5 是automesh 指令里面對某處網格進行優化的前后對比。從圖中可以看出，優化后的網格多了四邊形單元，這可以提高后續的計算分析的精確度。

圖5 優化后的網格Fig.5 Optimized grid

車門的材料大多選取的是非線性的材料，材料都有明顯的各向異性，參數獲取也較為復雜。為了碰撞仿真結果的精確，材料的應變率應考慮在內。在LS-DYNA 軟件中，材料卡片選用的是MAT_PIECEWISE_LINEAR_ PLASTICITY 分段線性材料，材料的密度、彈性模量、泊松比和屈服強度等進行定義。表1 是提供的車門主要組件的名稱和材料

表1 車門主要組件的名稱和材料Tab.1 Names and materials of main door components

參照E-NCAP 柱碰試驗的模型，選定直徑為254 mm 的剛性圓柱，材料選取MAT20 號剛體材料，網格按3D 單元自動劃分，尺寸為10 mm×10 mm，單元數為60 000 個，節點數是63 916 個，質量為298.397 kg。MDB（移動變形壁障）模型與車門的距離具體如下：車門外板與剛性圓柱之間的最短距離為10.845 mm；剛性圓柱最低端高于車門最低點127 mm；剛性柱軸心距車門門鎖端邊框481 mm，即在車門正中間位置；剛性柱高750 mm。車門整體設置為一個block，對block 施加4 mm/ms 的初速度（沿y 軸負向）去碰撞剛性圓柱。圖6 為MDB模型的俯視圖和主視圖。

圖6 MDB 模型Fig.6 MDB model

2 仿真結果分析

MDB 模型搭建完成后，通過k 文件的形式將需要計算的模型導出，在LS-DYNA 中導入需要計算的k 文件進行求解，且該模型導入后，仿真結果通過D3PLOT 形式輸出，并在HyperView中查看。從時間歷程來看，車門內外面板都是有非常明顯的侵入。圖7 是碰撞中間過程的時序圖，間隔為20 ms，從中可以更加具體看出碰撞中間過程的位移變化情況。

圖7 碰撞中間過程時序圖Fig.7 Sequence diagram of collision intermediate process

圖8 是能量曲線的變化圖。車門的動能由短暫不動，到增速下降，再到最后趨于平穩。選定坐標（3.95，6.25），該點之前，車門的動能和內能都沒有變化，此時說明車門還未撞擊到剛性圓柱，還處于4 mm/ms 的平移階段，動能為8 124 kg·mm2/ms2，內能為6 kg·mm2/ms2，總能量保持恒定為8 130 kg·mm2/ms2；3.95 ms 后，車門開始和剛性圓柱產生接觸撞擊，此時車門的動能開始下降而內能在上升，速度均是由緩及快，再由快及緩；當時間到達78.6 ms 后，內能達到7 000 kg·mm2/ms2，且內能動能趨于平穩，此時說明碰撞接觸已經結束。在78.6 ms 時，車門的動能為12 kg·mm2/ms2，內能為8 118 kg·mm2/ms2。圖中碰撞的沙漏能占總能量之比小于5%的標準，說明沙漏能也是可靠的，從而得出本次碰撞仿真的結論是可靠的。

圖8 車門碰撞能量曲線變化圖Fig.8 Change of energy curve of door collision

3 輕量化設計

輕量化設計所選擇的輕質材料為AA6061-T4號鋁合金，該鋁合金的主要組成是鎂與硅，具有較高的硬度、良好的抗腐蝕性、高韌性以及加工后不易變形等特點。該類合金廣泛應用于工業結構件上，如船舶、鐵道車輛、卡車等。其密度為ρ=2.7×103 kg/m3，彈性模量E=70 GPa，泊松比v=0.28，屈服應力σ=110 MPa，該鋁合金材料在Materials 模塊中來模擬其應力-等效塑性應變，曲線如圖9 所示。

圖9 鋁合金6061 應力-等效塑性應變曲線Fig.9 Aluminum alloy 6061 stressequivalent plastic strain curve

車門輕量化碰撞后處理中，主要采取對比內板侵入量和內板侵入速度以及碰撞力來進行方案優劣比較。因為車門內板是一個較大的板厚零件，所以侵入量各個地方都不同，因此在碰撞模型搭建時，事先在車門內板id 號為19131 的單元處設置了一個傳感器來輸出碰撞結果，并選取傳感器對應的三個節點中位移量最大的節點作為比較對象。在此方案中選取id 號為86168 的節點作為侵入量和侵入速度的輸出對象來衡量汽車碰撞后的性能。表2 為各車門輕量化方案對比。

表2 各車門輕量化方案對比Tab.2 Comparison of lightweight schemes for each door

綜上所述，選取輕量化方案2 為最后的輕量化結果，內板侵入量比原始模型小0.7 mm 左右，最大入侵速度比原方案增加了0.26 mm/ms 左右，而最大碰撞力比原方案小了60 kN 左右，該方案符合輕量化設計的目標。

4 結論

研究了低速碰撞下的車門輕量化設計，車門輕量化是汽車行業大勢所趨的一項新技術，可大大降低原材料消耗，對環境保護、資源利用等都十分有利。本文首先介紹了汽車低速碰撞法規以及汽車側面碰撞乘員保護法規等，首先了解該領域的國際標準和法規等信息；隨后，將有限元模型轉換到LS-DYNA 模塊下進行碰撞模型的轉換和搭建，選取剛性圓柱體作為碰撞物，使車門以4 mm/ms 的初速度去碰撞擠壓剛性圓柱體，并查看車門變形位移程度來驗證該模型是否正確可靠；最后，進行車門輕量化設計，選取AA6061號鋁合金材料來代替原先的鋼材料應用于車門的內板和外板上，選取了4 組輕量化預選方案進行對比實驗，最后得出輕量化方案2（內板為1.4 mm、外板為1.3 mm）為最終的輕量化方案，該方案車門質量減輕了3.985 kg，輕量化率為26%，若應用于整車，可以使一輛車的總體質量下降15 kg 左右，達到輕量化的效果。