某乘用車正面碰撞仿真分析

摘要：為準確評價整車正面碰撞過程中的碰撞安全性能，采用CATIA軟件建立整車幾何模型，導入HyperMesh軟件搭建整車有限元模型，結合LS-DYNA軟件模擬汽車正面碰撞，并采用HyperMesh軟件分析模型可靠性及碰撞過程中整車變形、B柱加速度、各部件變形等。仿真結果表明：整車碰撞期間，增加質量與總質量的比為2.16%，沙漏能與總能量的比為1.02%，整車模型可靠性滿足要求；左右兩側B柱最大加速度分別約為42.5g（g為自由落體加速度）、45.4g，滿足中國新車評價規程中兩側B柱最大加速度不得超過72g的要求；該車前防撞梁最大變形為178.1 mm，前吸能盒最大變形為315.9 mm，前縱梁最大變形為618.9 mm，該車前部吸能部件具有良好的吸能效果；前圍板最大變形為137.8 mm，滿足碰撞試驗前圍板最大變形不超過150 mm的限值要求，可以保護駕駛員及乘客的安全。

關鍵詞：有限元模型；正面碰撞；B柱加速度

中圖分類號：U461.91文獻標志碼：A文章編號：1673-6397（2024）03-0104-05

引用格式：趙宇，鐘兵，吳芷紅.某乘用車正面碰撞仿真分析［J］.內燃機與動力裝置，2024，41（3）：104-108.

ZHAO Yu， ZHONG Bing， WU Zhihong.Simulation analysis of frontal collision for a passenger car［J］.Internal Combustion Engine amp; Powerplant， 2024，41（3）：104-108.

收稿日期：2024-04-10

基金項目：教育部產學合作協同育人項目（202002147007）

第一作者簡介：趙宇（1998—），男，河南商丘人，碩士研究生，主要研究方向為汽車有限元分析，E-mail：2779870321@qq.com。

*通信作者簡介：鐘兵（1967—），男，四川威遠人，教授，主要研究方向為汽車性能仿真分析，E-mail：Zhongbing67@163.com。

DOI：10.19471/j.cnki.1673-6397.2024.03.017

0" 引言

隨著汽車保有量的增加，行車安全越來越受關注，汽車所有碰撞類事故中，發生概率最高的是正面碰撞，占事故總數的一半以上，成為人們交通出行的安全隱患，研究汽車正面碰撞可有效提高整車安全性能，降低交通事故發生率［1-3］。隨著計算機技術的應用發展，研究人員利用計算機模擬技術對整車碰撞試驗進行了深入研究。田鎮明［4］以某車的防撞梁總成為研究對象，搭建不同碰撞工況下的有限元模型并研究了防撞梁總成結構對車身耐撞性的影響，發現防撞橫梁和吸能盒的厚度、結構影響車身耐撞性。常偉波等［5］提出了基于正面碰撞的轎車車身正向概念設計流程，為車身達到各項預期性能提供研究基礎。劉金釗［6］對某電動乘用車碰撞結果進行了分析，提出了基于乘員安全性的車身輕量化設計方法，實現了車身零件厚度的最優布置。

本文中以某乘用車為研究對象，搭建整車有限元模型，并完成對該車輛正面碰撞過程中整車安全性能的分析，為后續正面碰撞試驗提供數據參考和理論依據。

1" 整車有限元模型建立及可靠性分析

1.1" 網格劃分

采用CATIA軟件建立整車幾何模型，導入HyperMesh軟件搭建整車有限元模型，其中車門、板殼、梁、輪胎等結構以殼網格進行劃分，發動機、變速器等結構以體網格進行劃分。通常整車網格劃分越詳細，模擬結果越精確，但模型過于細化導致計算量過大、單元時間步長過小，影響計算效率［7-9］。為保證計算精度，僅對車身前部關鍵吸能部件進行詳細的網格處理，網格尺寸為6 mm×6 mm；車身中部變形不大的部件，適當放大網格尺寸，網格尺寸為8 mm×8 mm；車身后部幾乎不涉及變形的部件，采用較為稀疏的網格進行劃分，網格尺寸為10 mm×10 mm。

檢查劃分后的整車網格模型，檢查標準為：目標尺寸為10 mm，細長比為5，偏斜角為40°，翹曲角為15°，雅克比為0.6，最小長度為5 mm，最大長度為15 mm，四邊形最大內角為140°，四邊形最小內角為40°，三角形最大內角為120°，三角形最小內角為30°，最小高度為4 mm。劃分后的整車網格模型如圖1所示，圖中y方向垂直于xz平面。

1.2" 材料設置

整車零部件大多采用沖壓成型進行加工，本文中模型材料主要為DC05、D03、B180H1E+Z、B210P1等彈、塑性材料，其中車門所采用的材料為B180H1E+Z，材料密度為7.85 g/cm3，彈性模量為205 MPa，泊松比為0.3，屈服應力為224 kPa。

1.3 "連接設置

建立有限元模型時，各部件之間主要采用螺栓、焊點、粘膠等方式連接，不同連接方式如圖2所示。本文中采用RBE2單元模擬孔與孔之間的螺栓連接，使用SPOT單元模擬各部件之間焊點連接，采用實體單元和RBE3單元模擬粘膠連接。

1.4" 接觸設置

整車碰撞時，各部件之間互相擠壓，需在各部件之間設置正確的接觸，否則各部件之間出現相互穿透現象，影響計算結果［10-11］。利用HyperMesh軟件中的interfaces命令進行接觸設置，整車自接觸類型為Sing Surface，焊點、粘膠與車身的接觸類型為Nodes To Surface。

1.5" 控制參數

按照文獻［12］要求，測試整車以50 km/h的速度撞擊剛性壁障。大量模擬數據及試驗數據表明，整車碰撞結束時間約為100 ms［13］。本文中將碰撞結束時間設置為100 ms，采用HyperMesh軟件設置重力加速度，取9.81 m/s2，方向設置為z。

1.6" 可靠性分析

正面碰撞過程非常復雜，為保證計算正常進行，汽車碰撞期間某些部件的質量自動增加，增加質量與總質量的百分比k應小于5%，否則模型不可靠［14］；在碰撞仿真計算中通常使用縮減積分的計算方法，這種計算方法會產生沙漏現象，即物體發生變形，但卻不消耗能量，是一種非物理的零能變形模式。通常沙漏能應小于總能量的5%，否則模型不可靠［15］。采用LS-DYNA軟件模擬該車輛正面碰撞試驗，結合HyperMesh軟件分析整車碰撞模型增加質量與總質量的百分比k如圖3所示，整車碰撞過程中能量曲線如圖4所示。

由圖3可知：k約為2.16%，低于5%，滿足模型仿真要求。由圖4可知：整車碰撞過程中，總能量包括沙漏能、內能、動能、滑移能；整車在碰撞過程中的能量曲線都比較平滑，總能量曲線基本為直線，符合能量守恒定律；動能和內能曲線基本呈鏡像關系，表明碰撞過程中動能和內能符合能量轉化規律；碰撞過程中沙漏能一直較小，在64 ms左右最大，為1 766.68 J，沙漏能與總能量的百分比約為1.02%，小于5%，滿足仿真模型可靠性要求，計算結果可信。

2" 整車正面碰撞結果分析

2.1" 整車變形分析

采用HyperMesh軟件，仿真模擬整車碰撞不同時刻的變形圖如圖5所示，圖中y方向垂直于xz平面。

由圖5可知：整車遭受正面碰撞后，前防撞梁、吸能盒在前25 ms完全變形，發動機艙蓋輕微翹起，汽車前部發生了輕微變形；隨著碰撞逐步深入，經過50 ms前縱梁部分完全變形，發動艙蓋完全翹起，前翼子板發生變形，但此時輪胎尚未與剛性墻發生接觸；經過75 ms輪胎與剛性墻接觸，明顯發生變形，前翼子板變形增大，汽車尾部有部分抬起；經過100 ms整車在剛性墻反作用力的作用下后退，前機艙各部件及輪胎與剛性墻開始脫離，碰撞結束。

2.2" 加速度分析

采用HyperMesh軟件分析左、右兩側B柱加速度曲線，為避免車身部件受到撞擊變形影響加速度讀取精度，將測量點設置在B柱底端與門檻梁交界處，左、右兩側B柱加速度曲線如圖6所示。

由圖6可知：汽車碰撞期間，左側B柱最大加速度約為42.5g（g為自由落體加速度），右側B柱最大加速度約為45.4g，左、右兩側最大加速度相近，均滿足文獻［12］中不超過72g的標準要求，表明該車型受到撞擊時可較好的保護駕駛員的頭部。

2.3" 各部件變形分析

前防撞梁、吸能盒和前縱梁是整車碰撞中吸收動能和緩解碰撞沖擊力的主要裝置，分析前防撞梁、吸能盒和前縱梁的吸能效果對汽車安全性能至關重要。

車輛發生正面撞碰時，前防撞梁與剛性墻最先接觸，將碰撞時產生的能量傳遞給前吸能盒以及前縱梁等車身部件，起到吸收并耗散碰撞能量的作用；吸能盒在正面碰撞過程中的作用是將防撞梁吸收的碰撞能量進行匯總、吸納，并以自毀的方式吸收撞擊能量，減輕碰撞產生的沖擊力［16］；當整車遭受比較嚴重的正面碰撞時，前縱梁通過自身的變形吸收碰撞能量，起主要吸能作用［17］。前圍板是隔絕發動機艙與駕駛室的重要裝置，是汽車碰撞時保護車上駕駛員和乘客的最后一道防線。當整車發生比較嚴重的碰撞時，前圍板承受來自發動機艙的沖擊，發生變形；如果前圍板變形過大，會對前排人員腳部和腿部造成傷害；在碰撞試驗中，前圍板的侵入量一般要求不大于150 mm［18］。采用HyperMesh軟件分析整車各部件變形，結果如圖7所示，圖7a）中x垂直于yz平面，圖7b）中z垂直于xy平面。

由圖7a）可知：前防撞梁相對于車身的最大變形為178.1 mm，說明汽車遭受撞擊時，前防撞梁起到了降低車速和吸收能量的作用。由圖7b）可知：吸能盒相對于車身的最大變形為315.9 mm，說明在汽車碰撞時，前吸能盒起到了一定的緩沖作用。由圖7c）可知：前縱梁相對于車身的最大變形為618.9 mm，說明前縱梁明顯減緩了碰撞沖擊的速度并吸收了大部分碰撞所產生的能量。由圖7d）可知：以后縱梁下部建立局部坐標系，副駕駛側的上半部變形最大，為137.8 mm，滿足碰撞試驗前圍板最大變形不超過150 mm的要求，可以更好地保護駕駛員和乘客的安全。

3" 結論

1）采用HyperMesh輸出整車有限元模型，計算分析整車在碰撞中的質量、能量變化，驗證整車碰撞模型的可靠性。

2）左右兩側B柱最大加速度分別約為42.5g、45.4g，符合中國新車評價規程中兩側最大加速度不超過72g的標準，說明整車性能良好。

3）汽車的前防撞梁、吸能盒以及前縱梁在碰撞中有良好的吸能效果，前圍板最大變形出現在副駕駛側上半部分，為137.8 mm，符合碰撞試驗最大變形不超過150 mm的要求。

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Simulation analysis of frontal collision for a passenger car

ZHAO Yu， ZHONG Bing*， WU Zhihong

School of Automotive Engineering， Shandong Jiaotong University， Jinan 250357，China

Abstract：To accurately assess the safety performance of a vehicle during a frontal collision， a geometric model of the entire vehicle is established using CATIA software. The finite element model of the entire vehicle is built using HyperMesh software， and the frontal collision is simulated using LS-DYNA software. HyperMesh software is then used to analyze the reliability of the model as well as the deformation of the entire vehicle， B-pillar acceleration， and the deformation of various components during the collision. The simulation results indicate that during the collision， the ratio of added mass to total mass is 2.16%， and the ratio of hourglass energy to total energy is 1.02%， meeting the reliability requirements of the vehicle model.The maximum accelerations of the left and right B-pillars are 42.4g and 45.4g， respectively， satisfying the China New Car Assessment Program′s requirement that the maximum acceleration of the B-pillars on both sides should not exceed 72g. The maximum deformation of the front bumper beam is 178.1 mm， the maximum deformation of the front energy absorber box is 315.9 mm， and the maximum deformation of the front longitudinal beam is 618.9 mm， which indicates that the front energy-absorbing components of the vehicle have good energy-absorbing effects. The maximum deformation of the front bulkhead is 137.8 mm， meeting the collision test limit of a maximum deformation of no more than 150 mm， which better protects the safety of the driver and passengers.

Keywords：finite element model; frontal collision; B-pillar acceleration

（責任編輯：胡曉燕）