不同材料本構模型車輛碰撞仿真對比分析

白云靜

(廣州汽車集團股份有限公司汽車工程研究院，廣東 廣州 511434)

0 前言

隨著經濟的不斷發展和科技的不斷進步，人們的生活水平不斷提高[1]，汽車已經成為人們生活中的必需交通工具，我國汽車銷量近年來也處于不斷穩定增長的態勢，這說明人們對于汽車的需求是很大的。在不斷增加的汽車需求市場中，各大汽車品牌和廠家應當嚴格把控汽車質量[2]，汽車質量高低直接關乎駕駛人和乘坐人員的生命安危，因此在汽車質量尤其是汽車安全方面需要下功夫。不同車輛的安全性能都有著不太一樣的差異，因此人們在選擇購買汽車時也會考慮汽車的安全性因素，而車輛碰撞試驗是最能直接反映車輛安全性能的測試，因此很多消費者很注重汽車碰撞試驗的結果。

在新時期環境下，各種類型的車輛已經成為人們生活中不可缺少的出行工具，同時人們對車輛的安全性能要求也比較高，其和人們的安全性有著密切的關系[3]。當車輛發生安全事故的時候，車輛被動的安全性能和人員的傷亡情況有著密切關系[4]，而不同的材料對車輛被動的安全性能也有著直接的影響。為了對車輛被動的安全性能進行驗證，并對不同材料下被動的安全性能效果進行分析，本文就開展了不同材料本構模型車輛碰撞仿真的對比試驗。

1 建立仿真模型

通過Hypermesh軟件來進行有限元的計算模型建立，在模型建立中主要選取的是整列的列車。為了對計算進行簡化，對接觸面所對應兩節的Tc車通過殼單元實施離散處理，之外車體都通過剛性車殼實施模擬，并對它們進行不同密度賦予實施配重。對兩節的Tc車其車體與防爬器有限元的模型使用螺栓進行連接，對車鉤通過彈簧單元進行模擬，并對彈簧單元材料進行車鉤力行程的曲線賦予；對轉向架通過剛性體的單元進行模擬；對地面通過剛性墻進行模擬。在碰撞的工況設定中，兩輛車輛都是六節的編組，其中一列在25km/h車速和另一列靜止的車輛進行碰撞[1]。

2 材料的選擇

對車輛車體使用的是鋁合金的結構，基于對不同部件需要進行滿足，對不同的部件所用不同類型的鋁合金材料[5]。在本文城軌車輛的碰撞仿真過程中，所用材料主要是雙線性、彈塑性的材料本構，簡稱作材料A，材料的參數包括材料密度、屈服的極限、彈性的模量、切線的模量和泊松比等。在本文中，增加使用另外一種應變率材料本構，簡稱作材料B，此本構模型材料于不同的變形速率條件下應力應變的試驗數據實施擬合而得到[6]。

3 碰撞結果的分析

3.1 碰撞后車體變形的情況對比

將計算的時間設定為0.6s，通過對碰撞結果進行觀察，能夠看到運用材料B碰撞模型的車體在發生碰撞后，處在運動狀態的列車其司機室的地板和靜止列車相比，發生了一定抬升，且垂向的位移約有2.5cm，也就和防爬器的筋板厚度一樣，但材料A模型是不存在此情形的[7]。

3.2 對碰撞過程的能量對比

通過對能量時間關系曲線進行對比，能夠看出在發生碰撞中其總能量是保持不變的，它們的動能在慢慢減小，而內能與摩擦能是逐漸增加的。材料A列車進行撞擊中，其沙漏能是21.25kJ，是0.44%的總能量，而材料B列車進行撞擊中，其沙漏能是38.73kJ，是0.78%的總能量，它們兩者都于5%范圍中，因此滿足精確度計算的要求，其計算的結果十分準確。

在對兩種材料的本構碰撞中，它們的總能量值較為接近，而材料B車體的吸能值是比材料A車體的吸能要少的，但車鉤的吸能則多了，則能量的吸收分配發生了改變。

3.3 對防爬器的壓潰管吸能對比

通過對防爬器的壓潰管吸能進行對比能夠得知，材料A的本構下其壓潰管的總吸能是219.63kJ，而材料B的本構下其壓潰管的總吸能是338.22kJ，因此材料B的本構下其防爬器的壓潰管具有吸能是比材料A的本構下其壓潰管的吸能要大的。

3.4 對車鉤力的變化對比

A和B材料的本構下，其車鉤力變化并不是很大，且全自動的車鉤力都是800kN，都達到車鉤其最大的沖擊負載要求，其車鉤已經被壓潰[8]。

4 結語

首先對汽車碰撞進行建模仿真的操作，通過計算機軟件對碰撞試驗的車輛和場景進行建模。然后對車輛的材料進行選擇，試驗的目的是測試不同材料的車輛碰撞效果，因此要選擇不同的材料來完成試驗。接著進行碰撞仿真試驗，同時分析碰撞結果，主要分成4個方面：碰撞試驗后車體的變形情況結果，碰撞時能量的對比，防爬器的壓潰管吸能對比，車鉤力變化對比。通過車輛碰撞仿真對比可以有效地預測不同材料下車輛的安全性能和碰撞結果，可以根據碰撞仿真實驗的結果來進行車輛材料的選擇和設計，為車輛的安全性實驗提供良好的基礎和鋪墊。

在兩列車通過25km/ h車速進行碰撞時，兩種材料的本構下它們碰撞的能量是由車鉤以及司機室的前端位置變形的吸能區進行吸收，而車鉤過載的裝置發生動作以及防爬器的嚙合，來對爬車現象進行阻止[9]。通過防爬器以及司機室的前端地板發生借助塑性變形來對碰撞的能量進行吸收，車體的客室區并沒有遭受損傷。在碰撞的工況下，生存的空間指標以及平均的減速度指標都滿足碰撞的標準[10]。