依维柯车身正面碰撞仿真研究

xiaozhiqiang

　　摘要：本文以依维柯得意A40为研究对象，运用有限元理论和方法建立“车身-刚性墙”正面碰撞仿真模型，通过图纸查阅、理论推算和CAD建模相结合的方法获取了整车仿真模型的基本参数。进行了车身骨架与刚性墙正面碰撞的仿真及基于薄壁梁碰撞仿真的前纵梁优化设计研究。研究了不同截面形状、不同厚度、有无诱导以及不同诱导形状薄壁梁碰撞特性，结合该车与刚性墙正面碰撞仿真的结果，对该车的前纵梁进行了优化设计。将改进后的车身模型的仿真结果与改进前进行对比，结果表明达到了提高吸能特性和碰撞安全性的目的。
　　关键词：正面碰撞; 仿真; 碰撞分析; 优化设计; 安全性
　　1 引言
　　随着我国经济的不断发展，汽车作为一种便捷的现代化交通工具，在给人们的生活带来便利与好处的同时，也引发了大量的交通事故，给人类的生命和财产带来极大的威胁和伤害。据统计，目前全世界每年死于车祸的人数达100万人，伤残的人数达数千万，而国内每年车祸致死的人数超过6万，致伤人数数百万。每年的汽车交通事故造成了大量的人员伤亡，带来了一系列的经济和社会问题，严重影响了人们的生产和生活，引起了人们的高度重视。至2009年底，我国汽车保有量已达6300万辆，今年将增长至8500万辆，成为全球第二，汽车保有量占世界的3%，但交通事故死亡人数却占世界的16%，中国在迅速跻身世界汽车大国的同时也成为世界上交通最为危险的国家之一。如何提高汽车碰撞安全性能，达到事故无法避免时“车毁人不亡，车损人不伤”，在汽车碰撞事故中最大限度的保护乘员是当前国内外各大汽车公司在汽车设计阶段最关心的安全技术问题[1]。
　　本文对依维柯得意车型的车身骨架与刚性墙正面碰撞仿真数据表明，基于有限元方法的计算机碰撞模拟仿真分析方法，能够快速、准确地了解汽车在碰撞过程中的变形特点，已经为汽车工业的安全性分析和结构的改进提供了参考和借鉴。
　　2 依维柯车身骨架有限元模型建立
　　汽车碰撞过程一般是一个复杂的瞬间物理过程，它包括成百上千个零部件的复杂变形和相互作用，具有很强的非线性特性，其中包括以大变形和大应变为特征的几何非线性，以弹塑性变形体为特征的材料非线性，以不同零部件表面接触摩擦作用为特征的边界非线性[2]。正是因为这些非线性综合作用才使汽车碰撞过程的设计和分析变得非常棘手，所以早期的汽车安全性设计主要凭工程师的直觉，经验和试验方法来完成。近几十年来，随着计算机技术的发展，计算机仿真碰撞技术迅速发展，在安全性车身的开发、乘员保护措施的优化、人体生物力学、碰撞用假人的开发等领域中发挥了重大作用。这其中有限元法运用离散概念，把连续体分割成有限多个有限大小的多边形或多面体，各单元之间沿单元的边缘本来是整体相连的，通常认为它们彼此之间只在节点处相连，取节点处的位移作为基本未知量。这样就把原来是无限多个自由度的体系简化成为有限多个自由度的体系，一个连续体通过有限元离散后变成一个离散体，它是一个和真实结构近似的力学模型，而整个数值计算就在这个离散化的模型上进行。在每一个单元内运用变分法，从而使原问题的微分方程组转化成为代数联立方程组，使得问题归结为解线性方程组，由此得到数值解答。
　　

　　图1 有限元模型建立流程
　　本文采用Pro/e2.0软件建立了车身和车骨架的有限元数模，车身和车骨架是由多种形状的冲压件组成及其它构件组成，零件的网格模型具体建立流程如图1所示，在网格模型的基础上，通过定义各初值生成有限元模型，进而在碰撞仿真前处理软件Altair/HyperCrash中得到了基于有限元建立的车身模型，如图2所示。
　　

　　图2 基于有限元建立的车身模型
　　3 碰撞仿真研究
　　根据我国颁布的汽车被动安全技术法规关于正面碰撞乘员保护的设计规则CMVDR294，并参考美国联邦机动车安全法规FMVSS208，车身骨架以48.3km/h(13.4mm/ms)的初速度正面撞击刚性墙。在计算完成后对该车身骨架碰撞耐撞性能进行分析。
　　

　　

　　

　　图3 车身变形分析变形应力云图
　　由图3可以看出，碰撞发生时车身前部受到猛烈的撞击，在极短的时间内动量迅速变化，瞬间产生数值极高的冲击力，车身前部的主要变形区包括保险杠、引擎盖、前侧围、前底架以及车门受此冲击力作用，产生的应力远超过材料的屈服应力而发生较大的塑性变形或断裂，其变形形式主要为折叠式压溃，起到了吸收冲击能量的作用。冲击力在碰撞过程中从前部传到后部有一个时间上的延迟，数值上也会发生显著衰减，因此车身的中后部承受的应力较小，没有明显的变形发生。80ms后车头的变形速度开始变缓，变形量锐减，车头的主要变形集中在前80ms；车身中后部因为惯性的作用也开始变形，但直到碰撞结束，这两部分变形都不是很大。另外，在80ms后，车身开始逐渐上翘，但是整个上翘的幅度不大。这主要是由于刚性墙与骨架前端相互间作用力的中心与整车的惯性中心在车的铅垂方向有一个距离差，导致整车在碰撞过程中的惯性力产生一个绕前端碰撞作用力中心转动的力矩，正是在该力矩的作用下，骨架尾部产生了小幅度上翘现象。车头部分变形严重，前纵梁的折叠式正面压溃，以塑性变形的形式吸收来自车身冲击的能量，如图4所示前纵梁、前侧围、引擎盖和车门等发生了大的塑性变形，尤其纵梁根部发生较大变形，在图中大部分显示为淡蓝色和绿色，其应力值大部分在175.1MPa～241.9MPa之间；与刚性墙接触的前纵梁根部为橙色和红色，最大超过296Mpa超过材料的屈服极限，发生塑性变形，吸收了大量的冲击能量。在图3中车身中部主要显示为蓝色和淡蓝色，只有车顶部分有一小块显示为绿色，应力值在90.4MPa～241.9MPa之间，以弹性变形为主。在车顶的惯性作用下，与车顶焊接的支架产生了较小的塑性变形。车身尾部的应力分布云图显示为蓝色和和浅蓝色，应力值在26.6MPa～90.4MPa之间，低于材料的弹性极限，属于弹性应力范围，因而没有超过弹性极限而发生塑性变形。
　　

　　图5为该车满载工况下在0~120ms时间段各能量的变化曲线。总能量即初动能为365920J保持不变；动能在8.82ms时刻起开始急剧下降，在这一时刻前纵梁开始与刚性墙接触，随即发生塑性变形吸收能量，这时内能也开始急剧增加；动能和内能曲线有4个明显的对应拐点，对照前纵梁的变形可知，当能量曲线变化到拐点位置时，前纵梁变形形成一个皱褶；从69ms开始动能和内能的变化曲线开始趋向缓和，111ms动能达到最低点，随后由于有弹性变形的存在，车身开始反弹，又增加了小许动能。
　　汽车碰撞的试验表明，在汽车正面碰撞过程中主要的吸能部件是前纵梁[4]。前纵梁通常是直梁件，它可以是不同的截面形状，工程中常用的吸能元件多为截面是矩形和圆形的薄壁管件。这些截面制作简单、工艺要求不高且具有较好的吸能性而得到广泛应用[5]。薄壁管件的截面形状不同会导致它们的轴向吸能特性的不同，因此需要对工程中常用的吸能元件分别进行耐碰撞性研究，得出耐碰撞性能最佳的截面形状。本文选取质量相同，截面形状不同而周长相同的薄壁直梁进行研究，其中所用材料、材料厚度及网格单元均相同。材料与底架一致为16Mn，材料厚度为1.5mm，网格单元取5mm，截面的周长为251.2mm，长度为300mm。
　　

　　图6 不同截面的薄壁梁能量变化曲线比较图
　　从图6可以看出圆形截面和正六边形截面的薄壁梁在50ms左右时动能完全转化为内能，整个碰撞过程结束，碰撞时间最短。长方形截面的薄壁梁的吸能过程最长，在80ms的计算过程结束时，仍未完全吸收碰撞的动能。
　　

　　图7 不同厚度的长方形截面薄壁梁吸能比较图
　　而在结构设计中，薄壁管件的吸能特性与其厚度有密不可分的关系，为了能够说明它们之间的这种关系，以长方形薄壁梁作为研究对象，分别设置1.2mm、1.5mm、1.8mm和2.0mm的壁厚与刚性墙冲压30ms，其结果如图7所示，从图7可以看出，随着厚度的增加，长方形截面的薄壁梁吸收的能量呈指数增长，在确定汽车前纵梁的壁厚时应该非常谨慎，壁厚太小容易变形，但可能不具备足够的吸能能力；而壁厚过大又不易变形吸能，乘员所受的冲击较大，都不利于汽车的耐碰撞性。
　　

　　图8 不同形状的诱导槽
　　

　　图9 各种诱导槽能量变化对比图
　　薄壁梁在没有诱导槽的情况下通常是从碰撞端开始塑性变形，而各种诱导槽（如图8）碰撞的性能各异，由图9可知，矩形和圆形诱导槽的薄壁梁内能变化曲线比较平滑，边缘弱化的薄壁梁内能变化曲线有小幅振动，但它们的吸能特性大致相同，且碰撞都在55ms左右结束。无论是诱导槽还是边缘弱化都能提高薄壁梁的耐碰撞性能，其中圆形诱导槽的效果最好，边缘弱化的效果略差。但是边缘弱化的工艺性较诱导槽要好，只需在前纵梁上铣出“缺口”即可。考虑到汽车生产企业的经济效益，对现有产品的结构变动应该是越小越好，且尽量不影响现有产品生产线的同时还要求改进的周期短，因此拟采用边缘弱化的方式改进前纵梁。
　　4 优化改进
　　横梁的加强板虽然能够增强前纵梁的刚度，使之变形能够吸收更多的能量，但由于刚度的增加阻碍了变形，使碰撞前端产生较大弯曲，减少了对动能的吸收。所以要将横梁的加强板去掉，因此横梁与前纵梁采用焊接的方式连接；为了引导前纵梁与刚性墙碰撞时产生理想的皱褶，根据前文的研究结论在它的边缘上开3.5×10的“弱化口”，它们的轴向间距为70.2mm；由于被弱化，所以还需为前纵梁增加0.5mm的壁厚来抵消部分弱化，增大能量的吸收看，如果单纯的增加板料厚度会在一定程度上改进车体的耐撞性能，但是这样必然会提高整车的质心加速度，加大对人体的影响，改进后的前纵梁如图10所示。改进前由于横梁侧面的加强板作用，导致前纵梁进入“非对称叠缩型”破环模式，失去了原有的能量吸收能力；改进后的前纵梁在与刚性墙碰撞时的破坏模式是“过渡型”的，这种模式有利于对动能的吸收。
　　

　　图10 前纵梁改进前后应力变形对比图
　　

　　(a) 改进后车身碰撞结束时的变形应力云图
　　

　　(b) 改进后内能变化对比图  
　　图11 改进后车身碰撞结束时特性图
　　从仿真历程来看，改进后的车身骨架与刚性墙的碰撞在101.7ms时刻完成，较改进前的碰撞时间略有缩短。改进后车身的变形情况与原车身基本相似，但是最大应力有所减少。从图11(b)车身骨架改进前与改进后内能变化的曲线可看出，两曲线的变化趋势基本一致，在0~9.3ms时间段保险杆和前围与刚性墙接触，因此两曲线重合；9.3ms时刻起前纵梁开始与刚性墙碰撞，由于改进前横梁有加强板，增加了前纵梁前端的刚度，所以在这个阶段吸收的能量要比改进后的多；也正是因为加强板作用，导致前纵梁进入“非对称叠缩型”破环模式，影响了能量吸收的能力，而改进后的前纵梁结构具有较好的诱导变形的作用，能量吸收的能力较强，所以从28ms时刻起改进后的结构吸收的能量较改进前的要多。车身骨架模型的初动能为365920J，改进后的车身骨架吸收的能量为340376J，占总能量的93.02%，较改进前的92.04%提高了1.01%。车体结构吸收的能量越多，相应乘员受到的冲击能量就越少，受到的伤害也就越小。因此虽然只提高了1个百分点，但是对于保护车内乘员的生命安全还是很有意义的。
　　5 结论
　　本文通过对依维柯车身正面碰撞的仿真研究，改善了该车的耐碰撞性，为企业在设计同类车型时提高仿真数据和指导性的建议，使产品的安全性水平得到了提高。有效地提高发生碰撞事故时对驾驶者和乘员的保护能力，减少人员的伤亡和财产的损失。
　　6 参考文献
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　　王煊，李宏光，赵航等．现代汽车安全[M]．北京：人民交通出版社，1998．
　　[2]
　　中国汽车工程学会著．汽车安全技术[M]．北京：人民交通出版社，2004．6．
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　　胡经国．平头轻型货车碰撞安全性分析与优化方案［D］．淄博：山东理工大学．2007 ．
　　[4]
　　钱立军，杨士清．具有诱导结构的汽车薄壁杆件的耐碰撞性研究[J]．汽车技术，2001．6：9～11
　　[5]
　　江志勇．基于轿车薄壁构件碰撞的变形及吸能特性的仿真与分析[D]．武汉：武汉理工大学．2009．5．(end)