變結(jié)構(gòu)汽車A柱鈑金件碰撞仿真分析

吳家福，盧 平，王合關(guān)，王世文

（貴陽(yáng)學(xué)院 機(jī)械工程學(xué)院，貴州 貴陽(yáng) 550005）

汽車A柱是左右前方連接車頂和前艙的連接柱的俗稱，是汽車發(fā)生碰撞事故時(shí)的關(guān)鍵安全部件，在汽車碰撞實(shí)驗(yàn)中A柱的變形破壞程度是一項(xiàng)重要評(píng)價(jià)指標(biāo)。為保障駕乘人員的安全，研究通過(guò)結(jié)構(gòu)改進(jìn)以提高汽車A柱的強(qiáng)度具有重要的現(xiàn)實(shí)意義。

早期一般用實(shí)車進(jìn)行汽車安全實(shí)驗(yàn)，隨著模擬技術(shù)的發(fā)展，現(xiàn)在一般采用實(shí)車碰撞實(shí)驗(yàn)和數(shù)值模擬仿真相結(jié)合的方式開展實(shí)驗(yàn)。夏伯雄等提出了獲得基于全面實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)分析的質(zhì)量彈簧模型的參數(shù)的方法。李巖等開展了基于汽車低速碰撞的前保險(xiǎn)杠系統(tǒng)安全性能研究。劉利等提出一種帶有蜂窩結(jié)構(gòu)的保險(xiǎn)杠橫梁，抗撞性能得到提高的同時(shí)減輕了重量。萬(wàn)鑫銘等進(jìn)行了基于仿真與試驗(yàn)的鋁合金汽車碰撞橫梁設(shè)計(jì)與成型研究，獲得了優(yōu)化后橫梁截面和成型方法。而一些學(xué)者結(jié)合算法開展碰撞實(shí)驗(yàn)，林翔等采用BP（Back Propagation）神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)機(jī)器學(xué)習(xí)算法建立全速度域下汽車碰撞代理模型，通過(guò)有限實(shí)驗(yàn)得到全速度下的碰撞力-位移曲線。REDHE等采用D-最優(yōu)試驗(yàn)設(shè)計(jì)方法選取樣本點(diǎn)，并在 LS-DYNA 中對(duì)方形管和汽車前縱梁與剛性墻的碰撞過(guò)程仿真。FORSBERG等研究了傳統(tǒng)響應(yīng)面法和 kriging法的車身的防撞性和輕量化問題。姜強(qiáng)等研究了汽車正面碰撞駕駛員安全氣囊仿真與優(yōu)化。

以上文獻(xiàn)從多角度研究汽車碰撞安全問題，但有關(guān)汽車A柱結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的有限元研究鮮有人問津。現(xiàn)代汽車的A柱截面結(jié)構(gòu)的選擇需要考慮安全、經(jīng)濟(jì)、外觀、風(fēng)阻、安裝等因素，諸多因素中無(wú)疑以安全為最重要，通過(guò)模擬仿真結(jié)果對(duì)比選擇最優(yōu)結(jié)構(gòu)，是本文研究的主要工作內(nèi)容。

1 碰撞過(guò)程數(shù)值模擬實(shí)驗(yàn)

1.1 汽車A柱變結(jié)構(gòu)及實(shí)驗(yàn)方案設(shè)計(jì)

由模擬仿真的需要，對(duì)汽車A柱進(jìn)行簡(jiǎn)化，如圖1所示，板厚為1 mm，軸向長(zhǎng)度統(tǒng)一取300 mm，中間無(wú)筋板為傳統(tǒng)結(jié)構(gòu)（簡(jiǎn)稱結(jié)構(gòu)1，圖1(a)），其他三種分別為加橫向筋板結(jié)構(gòu)（簡(jiǎn)稱結(jié)構(gòu)2，圖1(b)）、縱向筋板結(jié)構(gòu)（簡(jiǎn)稱結(jié)構(gòu)3，圖1(c)）和交叉縱橫向筋板結(jié)構(gòu)（簡(jiǎn)稱結(jié)構(gòu)4，圖1(d)）。

模擬汽車A柱受兩種撞擊方式，一種A柱直接垂直撞擊到物體上（簡(jiǎn)稱垂直碰撞），另一種是汽車撞擊物體后力量從汽車前方沿軸向傳導(dǎo)到A柱（簡(jiǎn)稱軸向碰撞），實(shí)驗(yàn)方案如表1所示。

1.2 有限元模型的建立

Johnson-Cook模型是廣泛應(yīng)用于工程實(shí)踐的高溫大變形、高應(yīng)變速率動(dòng)態(tài)本構(gòu)經(jīng)驗(yàn)?zāi)Ｐ停?jīng)過(guò)修正的方程為

式中，為初始屈服應(yīng)力；為硬化常數(shù)；為應(yīng)變率常數(shù)；為硬化指數(shù)；為熱軟化指數(shù)。

通過(guò)高溫拉伸實(shí)驗(yàn)獲得材料應(yīng)力應(yīng)變曲線，經(jīng)計(jì)算后得到仿真實(shí)驗(yàn)用的Johnson-Cook參數(shù)：為244 MPa，為400 MPa，為0.039，為0.36，為0.7，該材料密度為7.85 g/cm，泊松比為0.3，彈性模量為210 GPa。采用動(dòng)態(tài)顯示分析步，time period為0.01 s，鈑金件為3D可變形shell，撞擊物為3D可變形solid，經(jīng)剛體約束后賦予參考點(diǎn)重量，分別定義四種速度場(chǎng)。

建立如圖2所示的模型，圖2中上方四圖模擬汽車A受垂直碰撞，下方四圖則模擬汽車A柱受軸向碰撞。垂直碰撞時(shí)固定約束鈑金件兩端，約束撞擊物5個(gè)自由度，保留撞擊方向移動(dòng)自由度。軸向碰撞時(shí)鈑金件一端固定，另一端自由，約束撞擊物5個(gè)自由度，保留撞擊方向移動(dòng)自由度，并碰撞鈑金件自由的一端。

2 結(jié)果與分析

2.1 碰撞位移

模擬仿真中，在剛體的相同質(zhì)量和速度下，碰撞后關(guān)鍵點(diǎn)的位移能直觀表現(xiàn)變形情況。垂直碰撞方式中，以接觸中點(diǎn)移動(dòng)距離來(lái)評(píng)價(jià)變形程度，在軸向碰撞中，以剛體參考點(diǎn)位移評(píng)價(jià)變形程度，剛體碰撞后鈑金件關(guān)鍵點(diǎn)位移如圖3所示。

由圖3(a)(c)(e)(g)可以發(fā)現(xiàn)，在垂直碰撞過(guò)程中，所有位移隨時(shí)間的曲線具有相似性，碰撞以近似線性變化到達(dá)最大位置后，碰撞物彈回，而鈑金件也隨之發(fā)生一定回彈。在不同速度下，結(jié)構(gòu)1到結(jié)構(gòu)4上點(diǎn)位移均逐漸呈減小，表明結(jié)構(gòu)1到結(jié)構(gòu)4的抗垂直碰撞能力逐漸增加；而隨著碰撞速度增加，四種結(jié)構(gòu)的點(diǎn)位移均相應(yīng)增大，表明在碰撞物質(zhì)量一定的前提下，速度的增大，給碰撞帶來(lái)更大能量，碰撞破壞性更大。從圖3(b)(d)(f)(h)可以看出，在軸向碰撞過(guò)程中，四種結(jié)構(gòu)的位移時(shí)間曲線差別較大，結(jié)構(gòu)3與結(jié)構(gòu)4點(diǎn)位移最小，剛體碰撞后回彈量較大，表明結(jié)構(gòu)3和結(jié)構(gòu)4的軸向強(qiáng)度較大，其中結(jié)構(gòu)4的軸向強(qiáng)度最大。碰撞速度為30 km/h時(shí)，動(dòng)能沒有使鈑金件發(fā)生嚴(yán)重破壞變形，剛體位移從結(jié)構(gòu)1到結(jié)構(gòu)4逐漸減小；碰撞速度為40 km/h時(shí)，結(jié)構(gòu)2在第二個(gè)筋板處發(fā)生折彎，軸向抵抗力減小，剛體位移沒有阻礙，導(dǎo)致該結(jié)構(gòu)位移隨時(shí)間增大，結(jié)構(gòu)2位移最大，且剛體無(wú)反彈過(guò)程；碰撞速度為50 km/h時(shí)，結(jié)構(gòu)2仍是在第二個(gè)筋板處發(fā)生更嚴(yán)重彎折，結(jié)構(gòu)2位移時(shí)間曲線近似線性；當(dāng)碰撞速度增加至60 km/h時(shí)，結(jié)構(gòu)1也開始發(fā)生嚴(yán)重變形，與結(jié)構(gòu)2一起位移時(shí)間曲線遠(yuǎn)高于結(jié)構(gòu)3和結(jié)構(gòu)4，并且沒有回彈過(guò)程。綜合軸向碰撞位移時(shí)間曲線可以發(fā)現(xiàn)，從軸向變形來(lái)說(shuō)，結(jié)構(gòu)4最優(yōu)，結(jié)構(gòu)3次之，結(jié)構(gòu)2最弱。

2.2 碰撞力的影響

從結(jié)果文件中提取接觸力，接觸力的大小反映了剛體與鈑金件之間的作用情況，接觸力越大，剛體對(duì)變形體的做功越大。圖4為垂直碰撞和軸向碰撞接觸力。

圖4(a)(c)(e)(g)中，四種結(jié)構(gòu)垂直碰撞接觸力曲線基本相似，在四種碰撞速度下，結(jié)構(gòu)4與結(jié)構(gòu)3較結(jié)構(gòu)2和結(jié)構(gòu)1更早產(chǎn)生接觸力，所有接觸力到達(dá)高點(diǎn)后，結(jié)構(gòu)4與結(jié)構(gòu)3的接觸力也下降較快，所有接觸力在0.006 ms左右歸零，此時(shí)正是剛體開始完全離開變形鈑金件，從接觸力曲線看，結(jié)構(gòu)4到結(jié)構(gòu)1的抗垂直碰撞能力下降。從圖4(b)(d)(f)(h)可以看出，在各種碰撞速度下，軸向碰撞接觸力曲線相似，隨著速度的變大，接觸力持續(xù)時(shí)間延長(zhǎng)，即接觸作用時(shí)間延長(zhǎng)，在碰撞初期，接觸力突然增大，隨后迅速降低到一定值，然后較緩慢降低到零。碰撞速度30 km/h時(shí)，所有結(jié)構(gòu)均未發(fā)生嚴(yán)重變形；碰撞速度40 km/h時(shí)，結(jié)構(gòu)4持續(xù)時(shí)間最短，通過(guò)觀察仿真過(guò)程可發(fā)現(xiàn)，在該速度下，剛體碰撞到結(jié)構(gòu)4后，結(jié)構(gòu)4沒有發(fā)生變形，剛體直接反彈，而結(jié)構(gòu)2發(fā)生了變形，導(dǎo)致接觸時(shí)間變形長(zhǎng)；碰撞速度為50 km/h和60 km/h時(shí)，所有結(jié)構(gòu)均發(fā)生了變形，其中結(jié)構(gòu)2發(fā)生了折彎后變形，接觸力下降程度較其他結(jié)構(gòu)更快。在所有碰撞速度工況下，結(jié)構(gòu)4的接觸力曲線均發(fā)生較強(qiáng)烈的波動(dòng)，表明該結(jié)構(gòu)下接觸情況更為復(fù)雜，其變形與回彈交替嚴(yán)重。

2.3 能量變化

碰撞過(guò)程中的能量變化反映了由剛體的快速移動(dòng)產(chǎn)生的外能轉(zhuǎn)為內(nèi)能及沙漏能等能量的過(guò)程，碰撞能量轉(zhuǎn)化如圖5所示。在圖5(a)(c)(e)(g)的垂直碰撞過(guò)程中，四種結(jié)構(gòu)的動(dòng)能轉(zhuǎn)化為內(nèi)能過(guò)程一致，在不同碰撞速度下均是先從結(jié)構(gòu)4再到結(jié)構(gòu)3和結(jié)構(gòu)2，最后才是結(jié)構(gòu)1轉(zhuǎn)化。在軸向碰撞中，圖5(b)(d)中動(dòng)內(nèi)能轉(zhuǎn)化曲線與垂直碰撞基本相同，但從圖5(f)(h)發(fā)現(xiàn)，結(jié)構(gòu)2和結(jié)構(gòu)1動(dòng)內(nèi)能轉(zhuǎn)化過(guò)程中損失了能量，而且損失能量轉(zhuǎn)多，該能量可能損失在結(jié)構(gòu)2折彎后剛體與變形體發(fā)生的摩擦中。從圖5能量轉(zhuǎn)換曲線可以發(fā)現(xiàn)，對(duì)于垂直碰撞強(qiáng)度，從高到低分別是結(jié)構(gòu)4、結(jié)構(gòu)3、結(jié)構(gòu)2、結(jié)構(gòu)1；對(duì)于軸向碰撞，速度在30 km/h和40 km/h時(shí)，軸向碰撞強(qiáng)度從高到低分別是結(jié)構(gòu)4、結(jié)構(gòu)3、結(jié)構(gòu)2、結(jié)構(gòu)1，而速度為50 km/h和60 km/h時(shí)，由于結(jié)構(gòu)2和結(jié)構(gòu)1動(dòng)內(nèi)能轉(zhuǎn)化率低，能量有損耗情況。

2.4 碰撞結(jié)果變形結(jié)果

通過(guò)對(duì)前面碰撞位移、接觸力、碰撞能量轉(zhuǎn)化分析，較詳細(xì)地闡述了各種速度下各結(jié)構(gòu)的變形情況，為更直觀感受變形，將最大變形情況截圖，結(jié)果如圖6所示。

從圖6可直觀看出，在各碰撞速度下的垂直碰撞，變形從大到小分別是結(jié)構(gòu)1、結(jié)構(gòu)2、結(jié)構(gòu)3、結(jié)構(gòu)4。對(duì)于軸向碰撞，變形程度最大的是結(jié)構(gòu)2，其次是結(jié)構(gòu)1，再次是結(jié)構(gòu)3，最小的是結(jié)構(gòu)4。因此，從變形大小角度而言，具有橫縱加強(qiáng)筋板的結(jié)構(gòu)4是最優(yōu)，但考慮加工性和經(jīng)濟(jì)性，只有縱向加強(qiáng)筋板的結(jié)構(gòu)3也是一種性價(jià)比很高的結(jié)構(gòu)。

3 結(jié)論

汽車A柱結(jié)構(gòu)的選擇需要綜合考慮安全性和加工經(jīng)濟(jì)性，從以上分析可以得出如下結(jié)論：

（1）垂直碰撞中，變形抗力從大到小為結(jié)構(gòu)4、結(jié)構(gòu)3、結(jié)構(gòu)2、結(jié)構(gòu)1；

（2）軸向碰撞中，變形抗力從大到小為結(jié)構(gòu)4、結(jié)構(gòu)3、結(jié)構(gòu)1、結(jié)構(gòu)2；

（3）考慮變形，優(yōu)選結(jié)構(gòu)4，綜合考慮經(jīng)濟(jì)性和安全性，則優(yōu)選結(jié)構(gòu)3。