微型車門檻梁側(cè)碰安全性仿真研究

涂超群

(廣州南洋理工職業(yè)學(xué)院，廣東廣州 510925 )

0 引言

隨著汽車碰撞法規(guī)的日趨嚴(yán)格，汽車的碰撞安全性能要求越來越高[1]。微型汽車因其軸距短，其側(cè)面碰撞緩沖區(qū)域比較小，是整個車身中強(qiáng)度和剛度較為薄弱的部位。因而微型汽車在側(cè)面碰撞中變形較為嚴(yán)重,對乘員的安全會造成較大威脅。門檻梁作為承受沖擊力的主要吸能部件，因此必須對微型汽車的側(cè)碰安全性進(jìn)行改善。在汽車車身結(jié)構(gòu)件中填充新型吸能材料來替代傳統(tǒng)的單一材料來提高汽車的安全性能已經(jīng)成為一種新的趨勢。泡沫鋁是一種新型的輕質(zhì)多功能材料，閉孔泡沫鋁具有輕質(zhì)、吸能、減震、高比剛度和比強(qiáng)度等特點(diǎn)[2]。因此，將閉孔泡沫鋁填充到微型汽車門檻梁中，能顯著提高汽車的側(cè)碰安全性。

國內(nèi)外的研究學(xué)者對泡沫鋁填充結(jié)構(gòu)進(jìn)行了大量研究，徐平、楊昆等人[3-4]將泡沫鋁填充到車門防撞梁、汽車前縱梁上，數(shù)值模擬汽車在正面碰撞時的耐撞性。趙光磊[5]將泡沫鋁夾層板應(yīng)用到改善汽車側(cè)碰安全性上，重點(diǎn)對B柱進(jìn)行了優(yōu)化設(shè)計(jì)；呂俊成等[6]將泡沫鋁材料用到微型車前縱梁上，分析了正面碰撞過程中汽車前縱梁的吸能和耐撞性；韓國世韓(Saehan)集團(tuán)提出將泡沫鋁填充到門檻梁中，用于吸收側(cè)碰時車輛側(cè)面門檻的沖擊能量[7]。針對微型汽車的碰撞安全性，王力[8]對某微型汽車正面碰撞分析并對設(shè)計(jì)不合理的結(jié)構(gòu)提出了改進(jìn)。

汽車碰撞安全法規(guī)中關(guān)于汽車側(cè)面碰撞的有我國的GB 20071—2006《汽車側(cè)面碰撞的乘員保護(hù)》和國外的ECE R95《汽車側(cè)面碰撞法規(guī)》[9]，法規(guī)規(guī)定汽車側(cè)面碰撞評價指標(biāo)[10]為待評價的汽車與實(shí)驗(yàn)臺車以50 km/h的速度相撞后汽車的變形量。碰撞過程中實(shí)驗(yàn)車輛靜止，移動變形壁障的速度為50 km/h，并且速度在碰撞前0.5 m內(nèi)保持穩(wěn)定。該實(shí)驗(yàn)臺車由碰撞塊和移動車組成，總質(zhì)量為950 kg左右，實(shí)驗(yàn)中測量側(cè)面最大侵入量和侵入速度-時間曲線，來估計(jì)汽車的碰撞安全性。

汽車被動安全性是指汽車在發(fā)生碰撞時車輛本身減輕碰撞過程中人員受傷指數(shù)，車門防撞梁、車門和A、B柱是側(cè)面碰撞過程中的主要承力部件，其在碰撞發(fā)生時通過吸能來抵抗變形，從而起到減少乘員的傷亡和有效地保護(hù)汽車其他關(guān)鍵部件的作用[11]。常見的防撞梁為高強(qiáng)度鋼板結(jié)構(gòu)，吸能性有一定的限制，為進(jìn)一步提高其吸能特性，將閉孔泡沫鋁填充到防撞梁中，可進(jìn)一步提高其側(cè)碰安全性[4]。

本文作者研究采用Hyperworks和LS/DYNA有限元分析軟件，對有無填充閉孔泡沫鋁的門檻梁的微型汽車側(cè)面碰撞過程分別進(jìn)行數(shù)值仿真研究，通過對比前后仿真結(jié)果來研究閉孔泡沫鋁的吸能性和微型車的側(cè)碰安全性，從而為以后的閉孔泡沫鋁在汽車上的應(yīng)用提供一些參考依據(jù)。

1 微型汽車側(cè)面碰撞建模仿真

汽車碰撞是一個動態(tài)的大變形、大位移的過程，其碰撞過程時間較短，大概為幾十毫秒，并且伴隨著零部件間的接觸和沖擊，系統(tǒng)表現(xiàn)出多重非線性特征[11]。

1.1 微型車整車有限元模型建立

微型汽車整車有限元模型的建模過程參照歐洲ECE R95的實(shí)驗(yàn)方法，嚴(yán)格按照整車裝配工藝流程進(jìn)行裝配，并通過在連接邊界上添加相應(yīng)的連接單元(如焊點(diǎn)、鉸接、短梁等)或約束來實(shí)現(xiàn)模擬連接，利用Hypermesh軟件進(jìn)行網(wǎng)格劃分。該微型車有限元模型單元總數(shù)為1 042 637個，其中三角形比例小于5%，節(jié)點(diǎn)數(shù)為978 631個，部件個數(shù)為117個，焊點(diǎn)采用BEAM單元模擬，網(wǎng)格尺寸控制在5～10 mm以內(nèi)，如圖1所示。

圖1 微型車整車有限元模型

通過將該微型車整車有限元模型的車身結(jié)構(gòu)模態(tài)與實(shí)車試驗(yàn)?zāi)B(tài)進(jìn)行對比分析，其模態(tài)仿真結(jié)果與實(shí)驗(yàn)結(jié)果的最大誤差控制在5%之內(nèi)，因而該整車有限元模型是可靠的。

1.2 閉孔泡沫鋁填充的門檻梁和立柱模型建立

針對該微型車有限元模型，分析其門檻梁的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)，并對其變形較大區(qū)域進(jìn)行閉孔泡沫鋁填充，填充的閉孔泡沫鋁芯體采用實(shí)體單元進(jìn)行建模，在有限元模型中定義了殼單元與實(shí)體單元之間的接觸，劃分網(wǎng)格后的有限元模型如圖2所示。

圖2 填充泡沫鋁的門檻梁結(jié)構(gòu)

1.3 側(cè)碰仿真參數(shù)設(shè)置

微型汽車門檻梁外壁為Q235低碳鋼，閉孔泡沫鋁選自某國產(chǎn)廠家生產(chǎn)的以ZL103鋁合金為基體，其相對密度為0.43 g/cm3，平均孔徑為3～4 mm，其材料性能參數(shù)如表1所示。

表1 材料性能參數(shù)

閉孔泡沫鋁靜態(tài)壓縮實(shí)驗(yàn)采用SANS電子萬能試驗(yàn)機(jī)，實(shí)驗(yàn)方法參照日本工業(yè)標(biāo)準(zhǔn)JIS H 7902：2008《泡沫金屬壓縮實(shí)驗(yàn)方法》，并記錄試驗(yàn)過程中壓力與壓縮位移。試樣通過線切割加工成圓柱形，保證在橫向和縱向至少有10個孔穴，避免尺寸效應(yīng)，實(shí)驗(yàn)重復(fù)3次，從而避免實(shí)驗(yàn)的偶然誤差，然后通過將壓力與壓縮位移曲線轉(zhuǎn)變成所需的工程應(yīng)力-應(yīng)變曲線，如圖3所示。

圖3 閉孔泡沫鋁準(zhǔn)靜態(tài)下壓縮應(yīng)力-應(yīng)變曲線

完成對閉孔泡沫鋁材料進(jìn)行準(zhǔn)靜態(tài)壓縮實(shí)驗(yàn)后，通過有限元來模擬該實(shí)驗(yàn)過程，從而驗(yàn)證材料模型的有效性。按照相同尺寸的泡沫鋁材料建立有限元建模，模型采用8節(jié)點(diǎn)Solid 164六面體單元，采用各向同性的63號可壓扁泡沫材料的本構(gòu)模型進(jìn)行數(shù)值模擬分析，其材料曲線由實(shí)驗(yàn)結(jié)果獲得，密度為0.43 g/cm3，彈性模量為300 MPa。泡沫鋁材料仿真結(jié)果與實(shí)驗(yàn)結(jié)果如圖4所示，仿真與實(shí)驗(yàn)的應(yīng)力-應(yīng)變曲線具有較好的重合度。

圖4 閉孔泡沫鋁仿真與實(shí)驗(yàn)曲線

對整車有限元模型進(jìn)行單元類型的定義和相應(yīng)的材料屬性的賦予，其中門檻梁定義材料屬性為雙向彈塑性材料MAT24，填充的泡沫鋁芯體定義為可壓扁泡沫材料MAT63，其應(yīng)變率效應(yīng)選用Cowper-Symonds模型作為碰撞沖擊模擬的修正模型，并且文獻(xiàn)[14]表明，閉孔泡沫鋁在較低應(yīng)變率下(10-3～10-1s-1)下不具有應(yīng)變率敏感性。對移動壁障臺車與整車有限元模型側(cè)面之間設(shè)置面-面接觸，其中接觸的主動面為臺車的前部面，附屬面為門檻梁、A柱的外表面和車門外表面。

依據(jù)汽車側(cè)面碰撞相關(guān)法規(guī)[10]設(shè)置碰撞初速度為50 km/h，碰撞時間為1.2 s，設(shè)置質(zhì)量縮放系數(shù)、時間步長、重力加速度，并對能量、沙漏能進(jìn)行控制。針對整車側(cè)碰變形特點(diǎn)，在整車側(cè)面門檻梁設(shè)置測量節(jié)點(diǎn)，對其速度、加速度進(jìn)行測量記錄，從而對閉孔泡沫鋁填充門檻梁芯體的能量吸收情況進(jìn)行計(jì)算。在實(shí)驗(yàn)條件相同的情況下，分別對填充閉孔泡沫鋁的門檻梁與未填充的微型汽車有限元模型進(jìn)行仿真。

圖5為汽車側(cè)面碰撞整體結(jié)構(gòu)圖。

圖5 汽車側(cè)面碰撞整體結(jié)構(gòu)圖

2 模擬結(jié)果分析

2.1 能量分析

分析碰撞分析過程中的能量變化，以評價仿真結(jié)果的正確性，對該系統(tǒng)主要考慮系統(tǒng)和動能、內(nèi)能、沙漏能和總能量的變化情況，如圖6所示。

圖6 系統(tǒng)碰撞能量曲線

微型汽車有限元模型在碰撞仿真過程中，系統(tǒng)總能量基本上是守恒的，碰撞開始時，動能處于最大，其值為系統(tǒng)的總能量，隨著碰撞過程的進(jìn)行，動能逐漸轉(zhuǎn)化為內(nèi)能，從圖6分析可得出，系統(tǒng)的沙漏能一直很小，并低于系統(tǒng)總能量的5%，表明該模型的仿真結(jié)果是有效的，計(jì)算精度可以保證。

2.2 變形分析

碰撞結(jié)束后，查看整車的變形情況，碰撞結(jié)束后整車的變形結(jié)果如圖7所示。

由圖7可知，微型車側(cè)碰過程中，車門、門檻梁以及立柱發(fā)生了較大的變形，對沖擊過程中能量的吸收具有較大貢獻(xiàn)，但是門檻梁作為鋼板沖壓件，吸收能量多，是主要的吸能部件，比較是否填充泡沫鋁的門檻梁結(jié)構(gòu)的變形情況，如圖8所示。

圖8 有無填充泡沫鋁的門檻梁變形結(jié)果

從圖8可以看出，兩種結(jié)構(gòu)的門檻梁變形過程基本相同，都發(fā)生了一定量的變形，但是相比于沒有填充泡沫鋁的門檻梁來說，填充泡沫鋁門檻梁的變形相對較小，這說明在碰撞過程中，泡沫鋁吸收了較多能量，抵抗門檻梁變形效果顯著。

2.3 侵入量分析

選取門檻梁最外側(cè)點(diǎn)和內(nèi)板上最內(nèi)側(cè)點(diǎn)作為分析點(diǎn)，來分析門檻梁對駕駛室的侵入量，其侵入情況如圖9所示。

圖9 測量點(diǎn)間的相對距離(侵入量)

由曲線圖9所知，在碰撞初始到0.02 s變形階段，填充結(jié)構(gòu)的變形量和無填充基本一致，0.02 s之后，無填充的門檻梁變形較大，侵入量為125 mm，而填充泡沫鋁的門檻梁侵入量較小，大致為63 mm，對比無填充提高了49.6%。侵入量大幅度減小，對汽車駕駛室的保護(hù)作用更加明顯，碰撞安全性顯著提高。

2.4 侵入速度分析

速度測量點(diǎn)設(shè)置在汽車駕駛員座椅位置，對有無填充泡沫鋁的門檻梁結(jié)構(gòu)進(jìn)行對比分析。測量點(diǎn)處的侵入速度變化如圖10所示。

圖10 侵入速度曲線

由圖10可知，有無填充泡沫鋁結(jié)構(gòu)的門檻梁的速度變化曲線基本一致，但是相對于填充泡沫鋁的門檻梁來說，其速度變化較緩慢，并且吸能過程比較平穩(wěn)，其速度峰值為9.285 m/s,而沒有填充泡沫鋁的門檻梁吸能過程不太平緩，其速度峰值為10.025 m/s。相比較其峰值速度減小了7.38%。對速度曲線求導(dǎo)可得到其加速度曲線，如圖11所示。

圖11 測量點(diǎn)的加速度曲線

3 結(jié)論

文中針對微型汽車的側(cè)碰安全性問題，將閉孔泡沫鋁材料應(yīng)用到微型汽車的門檻梁上，并進(jìn)行了側(cè)面碰撞數(shù)值模擬仿真研究分析。

(1)采用Hyperworks和LS-DYNA仿真技術(shù)對微型汽車整車有限元模型進(jìn)行了初速度為50 km/h的移動壁障物側(cè)面碰撞的數(shù)值仿真模擬。

(2)針對側(cè)碰中主要吸能部件門檻梁碰撞分析，通過將閉孔泡沫鋁的填充到門檻梁中進(jìn)行仿真分析，結(jié)果該結(jié)構(gòu)能大幅度改善汽車的側(cè)碰安全性，門檻梁的變形較大幅度減小，門檻梁的侵入量從120 mm減小到60 mm，減小幅度為49.6%；侵入最高速度由10.025 m/s降低到9.285 m/s，減小了7.38%，同時速度變化相對平穩(wěn)很多。

(3)由以上的分析表明：將泡沫鋁填充至門檻梁中，能夠使汽車在側(cè)碰中變形較少，侵入量大幅度降低，有效保持乘員艙的完整性，并且碰撞過程中，微型汽車碰撞速度減小，碰撞加速度變化更加平穩(wěn)，這將有效減輕乘員的損傷，從而有效增強(qiáng)了微型汽車的側(cè)碰安全性。