連續(xù)加載變形CAE技術在商用車后下防護中的應用

張新華 ， 徐 莉 ， 徐鳴濤 ， 李文鳳

（江鈴汽車股份有限公司，江西 南昌 330100）

各種重/輕型商用卡車占領了中端物流的主導地位，為了盡可能降低復雜環(huán)境下發(fā)生交通事故的概率，后防護裝置可以很好避免乘用車追尾商用車造成的重大損失。據調查[1]，追尾事故在交通事故中發(fā)生的頻率僅次于正面碰撞與側面碰撞，在追尾事故中傷亡率較高的為乘用車與商用車之間的追尾碰撞。研究小組結合實際交通事故追尾碰撞情況和國家法規(guī)標準GB 11567－2017《汽車及掛車側面和后下部防護要求》[2]，對某商用車后下防護裝置在碰撞過程中的侵入量進行分析和研究。值得注意的是，GB 11567－2017附錄B3.3.1明確強調，試驗順次進行三點加載、兩點加載；在試驗過程中，使用同一試驗樣品。本文提出的連續(xù)加載變形CAE技術，就是在后下防護安全性CAE分析中，將變形后的P1模型作為P2模型的基礎，依此類推，最后獲得3個加載點的位移分析數據。這種處理方式更加接近法規(guī)中規(guī)定的要求。

1 連續(xù)加載變形方法

本文所述的連續(xù)加載變形方法，首先要基于商用車后下防護的基礎設計。獲得商用車后下防護的基礎CAD設計數據及其對應的BOM信息后，有兩項工作需要在CAE分析之前完成：1）對CAD數據進行網格構建；2）根據BOM信息完成后防護所有子零件的材料力學性能測試。網格構建和材料卡標定的關鍵事項將在本文第4部分詳細描述。

圖1所示為連續(xù)加載變形方法流程圖，由圖可以看出，P1變形后模型作為P2加載CAE分析模型的基礎是本文關鍵所在，此時，P2模型在加載之前，后防護本體及其支架自身已經產生殘余應力和應變，也就是說，連續(xù)加載變形方法與法規(guī)規(guī)定的使用同一試驗樣品無限接近。連續(xù)加載變形方法對于P2點更加惡劣，CAE計算出來的結果也將更接近真實物理試驗。

圖1 連續(xù)加載變形方法流程圖

在P1點加載CAE分析結果滿足法規(guī)要求后，才能進行P2點的有限元模型設置和CAE分析，如果P1點加載失效，則需要重新回到設計方案，對其進行方案修改和優(yōu)化，優(yōu)化后的方案網格重構后，繼續(xù)對P1加載CAE分析。

P2模型接到P1變形后的輸入，保留P1變形的殘余應力應變，在CAE前處理軟件中參照法規(guī)進行邊界約束和加載，經過LS-DYNA求解后獲得P2加載位移，P2加載位移滿足法規(guī)要求后，依此類推繼續(xù)P3加載CAE分析，過程中有任何一個加載點的位移不滿足法規(guī)要求，都要重新回到后防護設計方案，直至所有加載點的位移滿足法規(guī)要求。此時，后防護的方案方可被認為是符合設計要求的。

2 確認加載點和加載力

根據GB 11567－2017要求，如果后下部防護裝置以車輛縱向中心平面為軸對稱，則兩點加載和三點加載的兩端加載點可以只測試左右兩側中的一個點，此時兩點加載、三點加載的加載點應位于同一側[2]。本文所研究的商用車后下防護裝置符合上述法規(guī)要求，在靜態(tài)加載試驗時只對同一側的3個點進行靜態(tài)加載試驗。

2.1 加載位置

靜態(tài)加載試驗分為兩點加載和三點加載。兩點加載時，兩個作用點之間的距離在700 mm ~1 000 mm之間，兩個作用點相對于后下部防護裝置縱向中心線或車輛縱向中心線對稱，加載點位置如圖2中P2 點所示。三點加載時，左右兩邊外側兩個作用點，分別距離車輛后軸車輪最外端300 mm±25 mm；第三個作用點位于上述兩點連線之間、并且處于車輛中心垂直平面上。加載點位置如圖2 中P1點、P3 點所示。根據法規(guī)要求，加載點的位置由制造商在最初設計時給定，本文所研究的商用車，其后下防護離地高度為450 mm，在整車坐標系下，后下防護的X向坐標為4 550，其后軸輪胎最外端橫向水平距離為1 958 mm。因此，可給定左側點P1、P2、P3 的位置坐標分別為（4 550，-704，450）、（4 550，-500，450）、（4 550，0，450） 。

圖2 P1/P2/P3加載位置示意圖

2.2 加載載荷

按照法規(guī)要求，兩點加載時，P2加載相當于車輛最大設計總重力的50%的水平載荷，但不超過100 kN。三點加載時，P1/P3加載相當于車輛最大設計總重力25%的水平載荷，但不超過50 kN[2]。由此可知，加載載荷與車輛的設計總質量關系密切。

在確認加載載荷之前，有必要整理一張如表1所述的商用車車輛信息配置表。經過理論計算，可得到如表2所述的加載位置和加載力。

表1 某商用車車輛信息配置表

表2 加載位置和加載載荷矩陣表

如表2所述，安全系數指的是在CAE仿真技術中的計算余量，一般定義在1.05~1.0之間，定義了安全系數，CAE分析結果合格的情況下，實物試驗時出現(xiàn)失誤的可能性會非常小。表2還給出了最大允許變形量，這是連續(xù)加載變形CAE技術分析結果的一個評判標準，按照規(guī)定的載荷加載，后防護本體的位移量不超過311.4 mm，方可認為CAE分析結果是合格的。

3 CAE模型簡要說明

目前，建立商用車后防護這種零部件級的有限元模型及其分析技術已經非常成熟[3-4]。本文所述的后防護結構CAD數據由設計部門提供，后防護結構CAD數據示意圖如圖3所示。

圖3 后防護結構CAD數據示意圖

在網格構建之前，需要根據材料信息來確定網格類型。這是因為如果是一般鋼材，按照一定精細化要求，使用Shell類型網格對數據進行劃分，計算后的應力應變圖基本能真實反映后防護的變形情況，鋼材在試驗加載受力后的應力集中位置相對明確，只要在CAE分析中的定義準確，計算后的結果與試驗吻合度可高達95%以上。如果是復合材料[5]，情況相對復雜，復合材料由于材料本構模型自身的各向異性，試驗加載受力后的失效位置和形態(tài)并不完全一致。因此，需要在CAE中使用Solid類型來劃分網格單元，并根據其內部纖維的各向異性排布定義不同的Solid材料和屬性，這樣計算出來的失效位置和形態(tài)才具有代表性。

本文所述的法規(guī)工況屬于準靜態(tài)范疇，雖然沒有汽車碰撞高速動態(tài)情況復雜，但在CAE分析之前，后防護材料卡的標定仍然至關重要。這是因為在CAE中最后判定零部件是否失效無非是最大應力值、最大應變值和延伸率這三個指標，而這三個指標的來源就是材料本構。材料的LS-DYNA卡片標定可以通過單向拉伸試驗、剪切試驗和十字拉伸試驗等方式獲得原始材料力學性能曲線，經過一系列轉換和處理之后，可以生成LS-DYNA計算所需要的后防護材料key文件。

4 CAE分析及優(yōu)化設計

4.1 基礎設計方案仿真分析

根據本文第3部分所述的加載位置和加載載荷，在CAE分析前處理軟件中，對構建好了網格的模型進行處理，設置加載邊界、約束條件、初始狀態(tài)等參數。提交給LS-DYNA軟件進行計算，圖4~圖6是P1、P2、P3這三個點的計算結果。

圖4 P1點應力云圖（左）、應變云圖（中）、位移云圖（右）

圖6 P3點應力云圖（左）、應變云圖（中）、位移云圖（右）

其中，P2點由于防護支架破壞失效，只能讀取應力云圖，其應變云圖和位移云圖已經失去意義。根據上述云圖可知，后防護結構基礎設計方案在P2點加載時失效，不符合設計要求。總體結果如表3所述。

表3 后防護基礎設計方案CAE分析結果

4.2 優(yōu)化方案仿真分析

針對上述不合格的設計方案，結合圖5所示的應力云圖，不難發(fā)現(xiàn)，后防護支架在受力方向上呈單一片狀結構，加載方向稍微變化，支架就容易發(fā)生扭轉，而單一片狀結構其抗彎扭能力是非常弱的。參考一些其他的公開設計方案[6-7]，本文提出加強后防護支架剛度及其與后防護本體的連接強度優(yōu)化方案。出于數據保密的要求，本文不對優(yōu)化后的方案數據做展示。優(yōu)化后P2點的計算結果如圖7和表4所示。

圖5 P2點應力云圖

圖7 優(yōu)化后P2點應力云圖（左）、應變云圖（中）、位移云圖（右）

表4 后防護優(yōu)化設計方案CAE分析結果

5 結論

1）采用連續(xù)加載變形方法進行商用車后下防護CAE分析，與實際物理試驗的情況最為接近，可以真實地反映后下防護加載后的變形和失效情況。

2）采用連續(xù)加載變形方法，最關鍵的是將P1點變形后的模型作為P2點的基礎，此時，P2模型已經包含了殘余應力應變值。

3）采用連續(xù)加載變形方法，直到全部P1、P2、P3點都滿足要求，方可確認后下防護的設計方案是可靠的。

4）經過優(yōu)化設計方案后，P2點加載可以滿足法規(guī)要求，同時對于P1、P3點，其最大應力、最大應變和位移量有細微變化，這些變化量均在合理的數值誤差范圍之內。