基于RADIOSS 的車身正面碰撞仿真分析*

寧士翔，胡靜波，慶光蔚，王小燕，王 爽

(南京市特種設(shè)備安全監(jiān)督檢驗(yàn)研究院 大數(shù)據(jù)中心，江蘇 南京210019)

0 引言

據(jù)相關(guān)資料統(tǒng)計(jì)，2009～2018 年，我國(guó)汽車保有量和交通運(yùn)輸基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)處于快速發(fā)展的重要時(shí)期。 然而道路交通事故的發(fā)生量在我國(guó)近十年內(nèi)，整體呈現(xiàn)先降后升趨勢(shì)。 2015 年我國(guó)道路交通事故發(fā)生量處歷史低點(diǎn)，而后再次出現(xiàn)反彈，2018年事故發(fā)生數(shù)甚至超過十年前的統(tǒng)計(jì)水平，死亡人數(shù)居高不下，直接財(cái)產(chǎn)損失進(jìn)一步增高[1]。 目前，國(guó)內(nèi)外關(guān)于汽車被動(dòng)安全性研究，主要是通過實(shí)車試驗(yàn)和計(jì)算機(jī)模擬仿真兩種方法來(lái)進(jìn)行的。由于實(shí)車試驗(yàn)需要大量的成本投入，以及“實(shí)車試驗(yàn)-改進(jìn)結(jié)構(gòu)-再次實(shí)車試驗(yàn)”需要較長(zhǎng)的周期，因此計(jì)算機(jī)仿真模擬被廣泛地運(yùn)用于汽車被動(dòng)安全性領(lǐng)域[2]。

根據(jù)GB 11551-2014《汽車正面碰撞的乘員保護(hù)》法規(guī)要求，本文以某型客車車身為研究對(duì)象，建立了車身正面碰撞有限元模型。利用RADIOSS 軟件對(duì)該型客車車身正面碰撞進(jìn)行仿真計(jì)算[3]。 通過分析碰撞過程中的變形、能量、速度以及加速度變化，完成對(duì)該型客車車身在正面碰撞過程中的安全性評(píng)價(jià)[4]。

1 建立車身有限元模型

1.1 網(wǎng)格劃分

在HyperMesh 軟件中導(dǎo)入PRO-E 建好的幾何模型，通過拓?fù)湫迯?fù)、抽取中面以及簡(jiǎn)化模型等操作，完成對(duì)車身數(shù)模的幾何清理。 由于客車車身在正面碰撞過程中，變形較小的是中尾部，而變形較大的往往是車頭部分，因此采取“后疏前密”的原則劃分網(wǎng)格。車尾、車身中部、車頭部分的網(wǎng)格單元大小平均分別為20 mm、15 mm、10 mm。客車車身有限元模型如圖1 所示，共有426 299 個(gè)單元，453 391個(gè)節(jié)點(diǎn)。

圖1 車身有限元模型

1.2 材料屬性設(shè)置

碰撞過程中的塑性變形是車身碰撞吸能的主要形式，合理的材料參數(shù)設(shè)置對(duì)碰撞仿真精度有著重要的影響[5]。 在有限元模型中，車身蒙皮的材料是08AL 鋼，車身骨架是16Mn 鋼。 材料模型選用的是RADIOSS 中各向同性的彈塑性材料PLAS_JOHNS。表1 是車身材料的密度、泊松比、彈性模量以及屈服極限等參數(shù)。

表1 材料參數(shù)

1.3 點(diǎn)焊裝配

通常情況下，車身各鈑金件的連接方式主要有焊接、螺栓連接以及鉚接。 其中車身裝配的常用連接方式是點(diǎn)焊。 在碰撞有限元仿真中，模擬焊點(diǎn)模型主要有梁?jiǎn)卧Ⅲw單元以及彈簧單元幾種形式[6]。本文選取彈簧單元焊點(diǎn)模型來(lái)裝配客車車身各部件，其主要通過彈簧單元連接各部件的殼單元，然后通過定義彈簧單元的材料屬性來(lái)模擬焊點(diǎn)的應(yīng)力應(yīng)變特性。 圖2 是車身裝配的焊點(diǎn)模型，共包含了6 728 個(gè)焊點(diǎn)。

圖2 車身焊點(diǎn)模型

1.4 接觸設(shè)置

在汽車碰撞仿真計(jì)算中，常用的接觸類型有節(jié)點(diǎn)與面的接觸、面與面的接觸、單面的自接觸。此次碰撞仿真分析中，接觸類型選用的是RADIOSS 中的/INTER/TYPE7[7]，它可以模擬自接觸以及主從點(diǎn)面接觸，其中靜摩擦系數(shù)設(shè)置為0.25。

2 仿真結(jié)果分析

按照法規(guī)GB 11551-2014《汽車正面碰撞的乘員保護(hù)》的要求，在RADIOSS 軟件環(huán)境下，設(shè)置碰撞初始速度為48.3 km/h，仿真時(shí)間為130 ms。

2.1 變形分析

圖3 是在不同時(shí)刻下(0 ms、40 ms、80 ms、120 ms)車身的變形圖。從圖中可發(fā)現(xiàn)，車頭前部變形較大，其中引擎蓋、前圍、保險(xiǎn)杠的吸能效果較好。 此外，在40 ms～80 ms 時(shí)間段，車身前部變形趨勢(shì)明顯，在之后的時(shí)間段，車身結(jié)構(gòu)變形不大。

圖4(a)是車門相對(duì)變形量曲線，圖中最大變形量為4 mm，碰撞結(jié)束后車門可以在不借助其他工具的情況下打開。 圖4(b)是駕駛室的相對(duì)變形量曲線，由圖可知最大變形量為46.4 mm，遠(yuǎn)小于法規(guī)規(guī)定的127 mm[8]，并且該變形量對(duì)駕駛室乘員的安全生存空間影響不大。

2.2 能量分析

汽車發(fā)生碰撞時(shí)，大部分動(dòng)能都轉(zhuǎn)化為系統(tǒng)內(nèi)能，另外一部分則轉(zhuǎn)化為沙漏能和接觸能，還有極少部分以發(fā)光、發(fā)熱等形式耗散掉。 圖5 是能量變化曲線，從圖中發(fā)現(xiàn)，系統(tǒng)總能量(初始動(dòng)能)為360 kJ，碰撞結(jié)束后，系統(tǒng)內(nèi)能為340 kJ，占總能量的94.4%。另外沙漏能為11 kJ，占總能量的3%，小于5%的控制目標(biāo)[9]，這也表明了計(jì)算結(jié)果的合理性。

圖3 不同時(shí)刻變形圖

2.3 速度及加速度分析

圖6是保險(xiǎn)杠上點(diǎn)(節(jié)點(diǎn)417403)和駕駛室地板上點(diǎn)(節(jié)點(diǎn)355864)的速度變化曲線。 從圖中發(fā)現(xiàn)，保險(xiǎn)杠的速度下降很快，在3 ms 時(shí)速度就降為0，接著又增大到4.1 m/ms，隨后又減小接近為0。 駕駛室地板上的速度則一直在減小，在109 ms 時(shí)，速度降為0，之后開始回彈。 通過這里分析得出，車身前部保險(xiǎn)杠等部件的變形吸能，使得車頭往后部件速度的衰減程度明顯小于前面。

圖4 變形量曲線

圖5 能量變化曲線

圖6 速度變化曲線

圖7 加速度變化曲線

在評(píng)價(jià)車身結(jié)構(gòu)安全性時(shí)，加速度分析是一項(xiàng)重要指標(biāo)，過大的加速度峰值會(huì)導(dǎo)致乘員受到二次碰撞[10]。 圖7 是駕駛室座椅下方地板上某點(diǎn)的加速度曲線，由圖可知當(dāng)車身與剛性墻接觸后，加速度曲線發(fā)生急劇變化，在70 ms 時(shí)，曲線出現(xiàn)最大峰值，最大值為110.6g(g 為重力加速度)；80 ms 之后，車身前部結(jié)構(gòu)變形基本結(jié)束，加速度變化曲線逐漸趨于平緩。

3 碰撞試驗(yàn)

圖8 是該型客車實(shí)車碰撞試驗(yàn)圖。 從圖中發(fā)現(xiàn)，引擎蓋經(jīng)過碰撞后向上折疊隆起，塑性變形發(fā)生在客車前圍部位，擋風(fēng)玻璃沒有破碎，車門沒有明顯的擠壓變形，駕駛室乘員空間完好，假人姿勢(shì)也保持較好。

圖8 實(shí)車碰撞試驗(yàn)

將試驗(yàn)結(jié)果與仿真結(jié)果對(duì)比發(fā)現(xiàn)，在碰撞仿真過程中，車頭結(jié)構(gòu)的變形部件、變形位置、變形趨勢(shì)與試驗(yàn)結(jié)果相吻合，這也較好地驗(yàn)證了車身模型的準(zhǔn)確性。 此外，碰撞仿真過程中駕駛室、車門的變形對(duì)駕駛員乘員的安全生存空間影響不大，與實(shí)車碰撞試驗(yàn)結(jié)果相一致，也進(jìn)一步驗(yàn)證了碰撞仿真結(jié)果的可靠性。

4 結(jié)論

本文利用PRO-E、HyperMesh 軟件，建立了車身正面碰撞有限元模型，并通過調(diào)用先進(jìn)的RADIOSS求解器對(duì)客車車身進(jìn)行正面碰撞仿真計(jì)算。 仿真計(jì)算結(jié)果表明：車身前部的引擎蓋、前圍、保險(xiǎn)杠變形量較大，起到了良好的吸能作用；車門與駕駛室變形較小，保障了乘員的安全生存空間。 車身變形仿真結(jié)果與碰撞試驗(yàn)結(jié)果基本一致，所建立的車身模型得到了有效驗(yàn)證。

仿真結(jié)果與碰撞試驗(yàn)結(jié)果對(duì)比的一致性可以說明，基于RADIOSS 的計(jì)算機(jī)仿真方法可以有效地指導(dǎo)客車車身的碰撞試驗(yàn)，同時(shí)可以在實(shí)車碰撞試驗(yàn)中大量地縮減試驗(yàn)成本，具有較大的工程借鑒意義。 本文的仿真與試驗(yàn)為進(jìn)一步優(yōu)化車身結(jié)構(gòu)提供了參考價(jià)值。