基于數值模擬的汽車100%剛性墻碰撞分析

陸云江

摘 要：汽車被動安全具有重要的研究意義。為了研究某一車型在100%全正面碰撞下的安全性能，首先基于數值模擬的方法，利用前處理軟件HyperMesh對車型進行簡化，建立了車輛對應的碰撞有限元模型。接著基于非線性動力學理論，通過采用軟件LS-DYNA對車輛在100%全正面碰撞下的沖擊過程進行了模擬，根據仿真結果分析了碰撞過程的能量變化、車輛變形情況、速度加速度變化和結構件的強度等。結果表明：碰撞過程中汽車前端的吸能結構有效地提高了車輛的安全性;汽車座椅的連接始終可靠，而發動機會脫離車身;前圍板會造成乘員的腿部損傷，需要進行優化。相比于整車試驗，仿真技術可以節省大量的時間和研發費用，縮短整車的研發周期。

關鍵詞：汽車碰撞;安全性能;數值模擬;有限元模型

0 引言

提升汽車碰撞安全性能一直以來都是汽車制造業的重要目標[1]，目前，針對汽車碰撞安全性的研究方法有整車碰撞實驗和整車仿真。整車碰撞實驗是采用真實樣車進行碰撞相關實驗[2]，優點是數據真實可靠，滿足國家強制性法規要求;缺點是試驗需要準備的真實樣車制造周期長、成本較高，并且對于碰撞實驗的場地和設備要求很高，現主要應用于已經研發完成的車型的安全測試。整車安全仿真是利用計算機對車輛的碰撞過程進行數值模擬分析，從而對車身結構強度和安全性進行判斷[3]。雖然仿真技術在結果上與實驗方法相比存在著一定的差距，但是仿真過程時間更短，成本更低，能夠十分有效地將新車研發周期縮短，尤其適合在研發階段驗證車輛的安全性以及得出優化方向;并且隨著計算機水平的不斷發展和碰撞仿真模擬理論的進一步完善[4]，使得碰撞仿真分析在整車研發流程中發揮著越來越大的作用。

在整車安全仿真方面，Abdel-Nasser[5]針對車輛與路燈的正面碰撞進行了研究，通過軟件Abaqus對碰撞過程的加速度、速度、沖擊力以及變形情況分析，發現新型材料的杠可以有效降低碰撞過程車身的加速度，同時吸收更大的沖擊力，給與車內乘員更高的安全保護性。Grunert[6]針對汽車模擬過程求解時間成本高的缺陷，采用了模型縮減法，將線性行為和非線性力學行為自動分離。并將其引用于福特金牛座的整車仿真，結果與工程經驗相比，可以在不失正確性的基礎之上縮小有限元模擬的求解時間。武和全等人[7]參照我國的汽車安全法規標準建立了客車的前碰有限元模型，在車身前端設計了新型吸能結構，并將有限元方法和實驗設計法、響應面法相結合對該吸能機構進行了優化設計，結果表明該吸能機構能夠在碰撞過程中更好地吸收沖擊能量。

本文主要針對車輛的被動安全采用數值仿真技術進行研究，有助于認識碰撞過程的運動趨勢，從而開發出更加安全的車身以及座椅系統，并有助于發動機下沉技術的研究。

1汽車實體及有限元模型建立

1.1汽車實體模型

研究開展所依據的某型號汽車的實體及三維模型如圖1所示。前端由左右兩邊的縱梁、圍板、擋泥板和前側板等一系列的剛度較高的框架構成;車身中部為側板、地板、頂蓋構成的盒型框架;車身后端包括后縱梁、后保險杠和行李艙等。

1.2網格模型

將建立的整車三維模型導入軟件HyperMesh，根據不同的零部件特點進行特征簡化以及網格劃分，分別得到保險杠和吸能盒的網格模型（圖2）、車身主車架的網格模型（圖3）、車門系統的網格模型（圖4）、主駕駛座椅的網格總成（圖5）。

1.3材料模型

在LS-DYNA程序中[9]，發動機蓋外板使用的材料是24號分段線性塑性材料模型。車身前部的保險杠殼體材料為與金屬材料相同的彈塑性材料本構。 前后風窗和側窗玻璃為夾層2D平面單元，材料模型選用LS-DYNA中的123號修改的分段線性彈塑性模型。上述材料主要參數如表1所示。駕駛座椅是軟質聚酸酯泡沫，在仿真中選用57號低密度泡沫模型（*MAT_LOW_DENSITY_FOAM，材料密度1.0*10-10 kg/mm3，楊氏模量4.16Mpa，粘性系數0.2）。汽車輪胎使用材料為*AIRBAG_SIMPLE_AIRBAG_MODEL，可以模擬空氣的熱動力學行為，主要特性參數有：定容比熱容7.17*108J/（kg·K），定壓比熱容1.004*109 J/（kg·K），初始氣體溫度300K，初始氣壓0.1Mpa，氣體密度1.2*10-12 kg/mm3。

2 碰撞仿真參數

2.1接觸參數及傳感器設置

汽車的碰撞過程中是大沖擊、大變形問題，在碰撞過程中，某些零部件的變形情況不可預知，因此選用自動單面接觸（*CONTACT_AUTOMATIC_SINGLE_SURFACE），該接觸算法能夠在模擬過程中的每一個時間步自動搜索接觸。

在實際的碰撞測試中，除了監控車輛重力中心的速度變化，還需要得到車身各個基準點的加速度變化，因此在模型中設定了4個加速度傳感器，分別為后排左側座椅、后排右側座椅、發動機上參考點以及發動機下參考點。

2.2邊界條件及其他參數

圖6為建立的100%正面碰撞模型。在該模型中，邊界條件為剛性墻不變形，且其在6個自由度方向上被完全約束，汽車以一定的初速度沖擊在剛性墻上。成員設置用集中質量點來替代主副駕的成員，質量設定為75 kg。根據C-NCAP法規強制要求[13]，對于100%正面碰撞，測試速度最小為50 km/h，因此碰撞速度設置為在X軸正方向對汽車施加一恒定的初始速度，大小為56.2km/h。實際碰撞過程車輛的沖擊持續時間大約在0.1 s之內，因此求解時間設置為200ms。

3? 正面碰撞結果與分析

3.1車身變形結果分析

圖7為整車在0 ms、20 ms、50 ms、100 ms、150ms和200 ms時刻的整體變形圖。從圖中可以看出，給車身賦予了64 km/h的初速度后，汽車以高速撞擊剛性墻，并產生很大的沖擊力，與剛性墻壁的接觸過程中，車身底盤前端的排氣裝置由于遭受沖擊發生了很大的變形，該零部件的應變明顯大于其材料的斷面收縮率，在真實的碰撞過程中很有可能折斷;在碰撞結束后發動機艙已經完全潰縮，這一過程完全吸收了汽車的沖擊能量，因此對于乘客所在的駕駛艙而言，由于車輛吸能裝置的潰縮吸能作用，駕駛艙主體在沖擊過程中基本保持完整，駕駛艙的空間并未被大幅度壓縮，從而保證了乘客的安全。

圖8為剛性墻面的沖擊力隨時間的變化曲線圖，車輛前部分與剛性墻的接觸產生接觸力，該接觸力的大小與車輛的初始速度、整車質量和接觸參數有關。可以看到，起始階段，車輛以64 km/h的速度撞擊剛性墻，接觸力迅速上升;此后在0.03 ms到0.06 ms之間，沖擊力在一個高水平值上來回波動，此時汽車對剛性墻的沖擊力最大，達到了600 kN。隨著車身的潰縮吸能作用，車輛的速度下降，導致沖擊力迅速下降，并在0.1 ms左右降到0，即此時車輛已經脫離了剛性墻面并向后回彈。

3.2碰撞過程能量變化分析

全正面碰撞過程是一個短時間內的能量守恒以及動量的交換過程，賦予初速度的汽車具有的動能在與剛性墻接觸后，車身速度迅速下降，其動能絕大部分轉換為車輛零部件的內能（即變形能），小部分動能以熱能、沙漏能和其他方式的能量耗散。在撞擊開始后，車身的變形從小到大，直到車身開始回彈時變形達到最大，此后汽車與剛性墻脫離相互運動。在這一整個過程，由于阻尼能和沙漏能很小，可以認為總能量近似恒定。如圖9所示為動能、內能和總能隨時間的變化曲線。在10 ms左右，車身與剛性墻開始接觸，動能開始轉換為內能，這一過程一直持續到60 ms左右。在這一過程中，系統動能呈現非線性下降，由初始的160 kJ降到8 kJ左右。與之對應地是在碰撞過程中由于汽車零部件的變形吸能，系統的內能迅速從0上升到140 kJ。

如圖10所示為車輛保險杠及其吸能裝置的位移云圖，可以看到，在碰撞過程中車身左右兩邊的吸能盒發生了很大的變形，使其盡可能地吸收碰撞產生的能量。在50 ms保險杠被壓縮成近似一塊平板，吸能盒在沖擊力之下縮成了一團;之后吸能裝置隨著車身一起回彈。

圖11為左右兩邊的吸能裝置和保險杠在這一撞擊過程吸收的能量，由于汽車是一個極其復雜的產品，并不是嚴格意義上的左右對稱，因此左右兩邊的吸能盒的內能增加有一定的區別，保持在15 kJ上下;整個吸能裝置總共吸收了38 kJ的能量，占系統總增長內能的27.1%，這一數據證明了該車輛的吸能裝置充分發揮了作用，吸收了很大一部分沖擊帶來的能量。

3.3碰撞過程速度、加速度變化分析

如圖12為車輛后排座椅H點、車輛重心在碰撞過程中的加速度變化。從曲線中可以看出，車輛重心和座椅的H點的加速度變化基本保持一致，主要分為三個階段：在初期，車身加速度迅速上升，在吸能盒的作用下，維持在20 g左右（g=9.8 m/s^2）;隨著吸能裝置的潰縮，加速度繼續上升，吸能盒后方零部件繼續發生壓潰變形，進入穩定的吸能階段;由于沖擊力的減弱，車輛加速度開始下降，隨著車輛的回彈在一個低水平狀態來回波動。這一變化趨勢說明在碰撞過程中，汽車座椅始終與車身連接在一起，在高速沖擊下，座椅與白車身的連接始終可靠。

圖13所示為車身發動機上下基點的加速度隨時間變化曲線，由于發動機并不是剛性連接在車身上，周邊具有較大的空間，因此減速過程中的加速度峰值達到了120 g。這說明了在碰撞過程中，發動機的運動狀態并不與白車身保持一致，發動機在一定的沖擊力下會脫離車身以便減少車身的質量從而有效減小車身在碰撞過程中的加速度峰值。

3.4碰撞過程結構分析

圖14為前圍板在撞擊過程中的有效塑性應變，對于汽車用高強度鋼，斷面延伸率一般為15%～24%之間，有效塑性應變超出這個范圍后即認為材料產生撕裂破壞。可以看出，在35 ms時，由于車頭零部件的侵入，副駕位置的前圍板開始出現較大的塑性變形，在真實的碰撞試驗中，該區域很有可能產生撕裂。隨著碰撞的持續，車輛地板進一步隆起，并在地板中部折彎。前圍板與地板的剛度對于乘員保護有著重要意義，剛度越大，在撞擊過程中可以確保乘員的生存空間最大化。如圖15為前圍板與后保險杠的相對距離及在撞擊過程中的變化曲線，初始距離約為3238 mm，隨著車身與剛性墻壁接觸，車輛開始被壓潰，前圍板與后保險杠的距離開始下降，在65 ms時刻達到最小值，為3120 mm左右。說明前排乘員的腿部空間的侵入量為118 mm左右，這有可能會對乘員的腿部造成損傷，在設計優化環節，應盡量保證該侵入量盡可能的小。

4? 結論

本文利用Hypermesh軟件建立了整車模型，同時基于LS-DYNA非線性顯式有限元求解器，以歐盟的NCAP法規作為標準對某型號汽車以64.2 km/h的速度撞擊剛性墻的碰撞過程進行了模擬分析。并使用后處理軟件分析了碰撞過程的車身變形結果、能量變化、不同位置的速度、加速度變化情況。通過結果分析可知：碰撞過程中，汽車前端的吸能結構很好地發揮了作用，吸收了碰撞過程大約27%的能量，保證了乘員艙的框架完整，有效地提高了車輛的安全性;汽車座椅始終與車身連接在一起，在高速沖擊下，座椅與白車身的連接始終可靠，而發動機在一定的沖擊力下會脫離車身;前圍板的侵入量最大達到了118 mm，表明全碰撞過程會造成乘員的腿部損傷，后續的研究需要針對該問題進行優化。