汽車車身碰撞性能的有限元仿真與改進(jìn)

1、第39卷第9期2005年9月上海交通大學(xué)學(xué)報(bào)JOU RNAL O F SHAN GHA I J I AO TON G UN I V ER S IT YV o l .39N o.9Sep.2005收稿日期:2004205223基金項(xiàng)目:國家自然科學(xué)基金資助項(xiàng)目(6017402;教育部博士點(diǎn)基金資助項(xiàng)目(20010248008作者簡介:亓文果(19772,男,山東省萊蕪市人,博士生,主要從事汽車碰撞安全性仿真與碰撞事故的再現(xiàn)研究.金先龍(聯(lián)系人,男,教授,博士生導(dǎo)師,電話(T el .:021*;E 2m ail :jxlong sjtu .edu .cn .文章編號(hào):100622467(2005

2、0921452205汽車車身碰撞性能的有限元仿真與改進(jìn)亓文果,金先龍,張曉云,孫奕(上海交通大學(xué)機(jī)械與動(dòng)力工程學(xué)院,上海200030摘要:在碰撞仿真理論的指導(dǎo)下,以某型號(hào)小客車為研究對(duì)象,建立了整車正面碰撞有限元模型,并按照國家汽車安全法規(guī)C M VDR 294的要求進(jìn)行了整車正面碰撞試驗(yàn)的數(shù)值仿真,結(jié)果顯示,與試驗(yàn)結(jié)果取得了較好的一致.根據(jù)仿真計(jì)算結(jié)果,對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)罩及其鉸鏈進(jìn)行結(jié)構(gòu)和材料兩方面的改進(jìn)設(shè)計(jì),改善了發(fā)動(dòng)機(jī)罩的變形吸能模式.在此基礎(chǔ)上,為了更全面評(píng)價(jià)整車結(jié)構(gòu)的耐撞性能,建立了整車偏置碰撞有限元模型,進(jìn)行了偏置碰撞的數(shù)值模擬分析,計(jì)算了車身變形及其吸能特性.根據(jù)仿真計(jì)算結(jié)果,對(duì)前縱梁和

3、前輪罩進(jìn)行結(jié)構(gòu)改進(jìn)設(shè)計(jì),提高了其吸能能力.關(guān)鍵詞:車輛;車身;偏置碰撞;耐撞性;有限元方法;仿真中圖分類號(hào):U 467.13文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼:AThe S i m ula tion a nd I m p rovem e nt of Autom o tive B ody C ra s hP e rfo r m a nce w ith F inite Elem e nt M e thodQ I W en 2g uo ,J IN X ian 2long ,ZH A N G X iao 2y un ,SUN Y i(Schoo l of M echan ical Eng .,Shanghai J iao t

4、ong U n iv .,Shanghai 200030,Ch ina Abs tra c t :B ased on the basic p rinci p le of veh icle crash analysis u sing the non linear fin ite elem en t m ethod ,a comm ercial veh icle fin ite elem en t m odel w as bu ilt .A fron tal crash si m u lati on acco rded w ith the nati onal au tom ob ile safet

5、y regu lati on s ,nam ely C M VDR 294,w as carried ou t .T he si m u lati on resu lt and the test re 2su lt have a good coherence .B ased on the si m u lati on resu lt ,several i m p rovem en ts of energy hood and h inge w ere m ade on the structu re and m aterial of the fo rm er design ,the disto r

6、ti on m ode of energy hood w as i m p roved .B ased on these researches ,to evaluate the crashw o rth iness of the comm ercial veh icle to a greater ex ten t ,40%fron tal offset crash si m u lati on w as ach ieved u sing the non linear fin ite elem en t m ethod .Som e design i m p rovem en ts of fro

7、n tal longitudinal beam and enfo rced bone w ere ach ieved acco rd 2ing to the si m u lati on resu lt ,w h ich i m p roves the energy ab so rb ing ab ility .Ke y w o rds :veh icle ;au to 2body ;offset crash ;crashw o rth iness ;fin ite elem en t m ethod ;si m u lati on汽車交通事故給社會(huì)和人民的生活帶來了巨大的災(zāi)難,已經(jīng)成為很嚴(yán)重

8、的社會(huì)問題.在汽車交通事故中,出現(xiàn)幾率最高的是汽車碰撞,其中正面碰撞最普遍,大約占汽車碰撞的40%1.根據(jù)對(duì)交通事故統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)的分析,實(shí)際上正面全寬碰撞只能代表大約1 4的正面碰撞事故.大多數(shù)的汽車正面碰撞事故都是偏置的2(接觸面積在30%70%,因此,歐洲汽車安全法規(guī)(ECE 中正面碰撞的接觸面積為40%3.我國的汽車工業(yè)還比較落后,汽車安全法規(guī)也不完善,但是這不能成為降低車輛安全標(biāo)準(zhǔn)的理由.借鑒汽車工業(yè)先進(jìn)國家的安全法規(guī),研究國產(chǎn)汽車耐撞性能對(duì)盡快提高國產(chǎn)汽車的安全性能具有重要的現(xiàn)實(shí)意義.早期汽車耐撞性研究主要是進(jìn)行各種條件下的碰撞試驗(yàn),需要花費(fèi)大量的金錢和時(shí)間.而采用有限元方法進(jìn)行汽車碰撞

9、研究,在設(shè)計(jì)階段就可以提高汽車的碰撞安全性.有利于降低汽車的研發(fā)成本和縮短設(shè)計(jì)周期.所以,20世紀(jì)80年代以后,汽車耐撞性的數(shù)值分析得到了迅速的發(fā)展.現(xiàn)在,國外采用有限元方法對(duì)汽車碰撞安全性進(jìn)行了大量的研究,取得了顯著的成效4.國內(nèi)在這方面的工作基本上都是對(duì)壁正面全寬碰撞的58,整車偏置碰撞耐撞性的有限元仿真研究較少.本文以某型號(hào)小客車為研究對(duì)象,建立了整車有限元模型,并進(jìn)行了正面碰撞和40%偏置碰撞的數(shù)值仿真.根據(jù)仿真計(jì)算結(jié)果,對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)罩及鉸鏈、前縱梁和前輪罩進(jìn)行結(jié)構(gòu)和材料兩方面的改進(jìn)設(shè)計(jì),提高其吸能能力,有效增強(qiáng)了車身的安全性能,對(duì)車身結(jié)構(gòu)耐撞性的優(yōu)化設(shè)計(jì)具有重要意義.1汽車碰撞仿真的有限

10、元方法汽車碰撞是汽車結(jié)構(gòu)在極短的時(shí)間內(nèi)(通常在100m s以內(nèi),在劇烈碰撞動(dòng)態(tài)載荷作用下發(fā)生的復(fù)雜非線性動(dòng)態(tài)響應(yīng)過程.汽車耐撞性分析涉及一個(gè)含有未知邊界條件的偏微分方程求解問題,即典型的動(dòng)態(tài)接觸問題9,其數(shù)值模擬計(jì)算采用顯式非線性有限元方法,它將連續(xù)的求解區(qū)域離散為一組有限個(gè)且按一定方式相互聯(lián)結(jié)在一起的單元組合體,實(shí)際結(jié)構(gòu)中的各個(gè)部件通過節(jié)點(diǎn)聯(lián)系在一起,可以用于車輛和人體的詳細(xì)建模,能夠得到各個(gè)部件的變形情況、速度和加速度分布、應(yīng)力和應(yīng)變分布.在實(shí)際應(yīng)用中,對(duì)整個(gè)車身進(jìn)行有限單元?jiǎng)澐趾?假設(shè)當(dāng)前時(shí)步為第n步,則有如下運(yùn)動(dòng)方程:M a n+Cv n+Kd n=F ext n(1式中:M為結(jié)構(gòu)的質(zhì)

11、量矩陣;C為結(jié)構(gòu)的阻尼矩陣; K為結(jié)構(gòu)的剛度矩陣;F ext為外界作用力矢量;a n為時(shí)步n時(shí)的加速度;v n為時(shí)步n時(shí)的速度;d n為時(shí)步n時(shí)的位移.對(duì)式(1,在時(shí)域內(nèi)采用中心差分法得: v n+1 2=v n-1 2+0.5(t n+1 2+t n-1 2a n(2d n+1=d n+v n+1 2t n+1 2(3式中,假定加速度在整個(gè)時(shí)步內(nèi)恒定,t為時(shí)間步長.如果已經(jīng)求得時(shí)步n時(shí)的節(jié)點(diǎn)位置和加速度以及時(shí)步(n-1 2時(shí)的節(jié)點(diǎn)速度,則時(shí)步(n+1時(shí)的位移d n+1可以由式(2和(3解出.因此,在整個(gè)時(shí)域范圍內(nèi),可由上述遞推公式求得各個(gè)離散時(shí)間點(diǎn)處的位移、速度和加速度.采用集總的方法可以將

12、M 對(duì)角化,式(1成了一組互不相關(guān)的方程,免去了建立和求解聯(lián)立方程組的繁雜過程,使計(jì)算變得簡單.2整車有限元模型的建立本文選擇了一部7座商用小客車作為研究對(duì)象,其CAD模型由U G和CA T I A軟件完成,有限元網(wǎng)格劃分由H YPERM ESH軟件完成.作為正面碰撞分析主要考察的是車身結(jié)構(gòu)的耐撞性,所以網(wǎng)格劃分時(shí)主要考慮車身零部件,包括白車身、車門總成、車輪、發(fā)動(dòng)機(jī)等.最后的整車模型共由近130個(gè)零部件組成,包含了約14萬個(gè)單元,如圖1所示 .圖1整車有限元模型F ig.1F in ite elem en t model of a comm ercial veh icle在正面碰撞過程中,A

13、柱前部的車身結(jié)構(gòu)是變形吸能的主要部位,其變形模式極為復(fù)雜.而C柱之后在碰撞過程中幾乎不發(fā)生變形.為了保證計(jì)算精度,要合理布置網(wǎng)格密度.在劃分網(wǎng)格時(shí),車身前部單元?jiǎng)澐州^密,C柱之后較稀疏.整個(gè)車身的單元分布如表1所示.表1整車模型的有限元網(wǎng)格分布Tab.1The f i n ite ele m en t d istr ibution of veh icle m odelA柱前部A柱2C柱C柱后部總數(shù)單元717455687512431141051節(jié)點(diǎn)667945966712473138934在碰撞仿真的大變形過程中,單元類型和大小對(duì)計(jì)算精度有很大的影響.由于車身結(jié)構(gòu)主要是薄壁金屬件,故單元類型以四

14、邊形殼單元為主,對(duì)四邊形單元形狀如長寬比、翹曲度、最大角和最小角等都做出了嚴(yán)格的規(guī)定.由于三角形單元比四邊形單元的剛度大,會(huì)影響計(jì)算精度,故要嚴(yán)格控制三角形單元的個(gè)數(shù).因?yàn)轱@式算法是條件穩(wěn)定的,所以時(shí)間步必須要滿足Cou ran t準(zhǔn)則.時(shí)間步的大小直接影響著整個(gè)計(jì)算時(shí)間.根據(jù)業(yè)界的通用準(zhǔn)則,在最小特征長度為5mm左右時(shí),既可以保證計(jì)算精度,又可以提高計(jì)算效率.車身各部分的聯(lián)接方式主要是點(diǎn)焊聯(lián)接.建模3541第9期亓文果,等:汽車車身碰撞性能的有限元仿真與改進(jìn)時(shí),在需要聯(lián)接的兩個(gè)節(jié)點(diǎn)之間加入無質(zhì)量的剛性梁,要求這兩個(gè)節(jié)點(diǎn)不能重合,并且對(duì)它們不施加其他任何約束.車門和車體的聯(lián)接主要通過鉸鏈和門鎖

15、固定.在建模中,與發(fā)動(dòng)機(jī)罩鉸鏈相類似,通過約束對(duì)應(yīng)節(jié)點(diǎn)的位移自由度建立球鉸模型來模擬該聯(lián)接.車身的材料主要為板厚0.82.0mm的低碳鋼,在碰撞中應(yīng)變率效應(yīng)較為顯著,建模時(shí)以Cow2 p er2Sym onds應(yīng)變率模型考慮其影響.而對(duì)于剛性墻和發(fā)動(dòng)機(jī),則采用剛性材料處理.3整車全寬碰撞的有限元仿真與結(jié)構(gòu)改進(jìn)采用上文所述的整車模型,文獻(xiàn)10中建立的轉(zhuǎn)向系統(tǒng)有限元模型,以及乘員約束系統(tǒng)有限元模型(包括50百分位的H yb rid III型假人有限元模型、安全帶有限元模型、安全氣囊有限元模型,組合集成為整車2乘員2約束系統(tǒng)模型.采用該有限元模型,根據(jù)我國汽車安全法規(guī)C M VDR294規(guī)定,以48

16、.3km h的速度對(duì)正面撞擊剛性墻進(jìn)行了數(shù)值仿真,仿真計(jì)算了100m s的碰撞過程,計(jì)算軟件是國內(nèi)外廣泛使用的L S2D YNA.整車結(jié)構(gòu)變形的仿真結(jié)果如圖2(a所示.由圖2(a可見,變形主要集中在車身前部(A柱之前,車輛后部基本沒有變形.該車已在清華大學(xué)碰撞實(shí)驗(yàn)室按照C M VDR294的規(guī)定進(jìn)行了整車碰撞試驗(yàn).圖2(b是整車碰撞試驗(yàn)的變形結(jié)果.仿真計(jì)算和試驗(yàn)測(cè)得的車身底板加速度曲線如圖3所示.由圖可見,仿真計(jì)算和試驗(yàn)結(jié)果取得了較好的一致,說明該有限元模型是可靠的 .圖2整車碰撞仿真和試驗(yàn)結(jié)果F ig.2Fu ll passenger car fron t crash si m u lati

17、 on and test resu lt圖3計(jì)算和試驗(yàn)得到的車身底板加速度曲線F ig.3T he accelerati on cu rve of sub floo r bysi m u lati on and test通過碰撞試驗(yàn)和有限元仿真發(fā)現(xiàn),原有結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)在安全性方面存在不足:一是發(fā)動(dòng)機(jī)罩鉸鏈強(qiáng)度偏弱,在碰撞事故中極易斷裂(見圖2;二是發(fā)動(dòng)機(jī)罩內(nèi)板剛度偏大,導(dǎo)致碰撞中發(fā)動(dòng)機(jī)罩變形模式不理想.為此,對(duì)原有設(shè)計(jì)做了如下改進(jìn):(1發(fā)動(dòng)機(jī)罩鉸鏈采用高強(qiáng)度鋼板以提高其強(qiáng)度.(2減小發(fā)動(dòng)機(jī)罩外板棱邊厚度和在發(fā)動(dòng)機(jī)罩內(nèi)板上開孔,以此來降低發(fā)動(dòng)機(jī)罩的剛度.通過上述對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)罩及其鉸鏈的多方案改進(jìn),保證發(fā)動(dòng)

18、機(jī)罩鉸鏈在整車碰撞過程中不再發(fā)生斷裂,同時(shí)也改善了發(fā)動(dòng)機(jī)罩的變形吸能模式,進(jìn)而有效增強(qiáng)了車身的安全性能.原有設(shè)計(jì)和改進(jìn)設(shè)計(jì)的整車碰撞仿真變形如圖4所示 .圖4改進(jìn)設(shè)計(jì)前后的整車變形仿真對(duì)比F ig.4Comparison of the o riginal and i m p roved designveh icle defo rm ati on4整車偏置碰撞的有限元仿真與結(jié)構(gòu)改進(jìn)整車全寬碰撞主要考核乘員約束系統(tǒng)的安全性,而偏置碰撞主要考核車身的安全性,因此有必要進(jìn)行該車的偏置碰撞仿真.參考?xì)W洲的正面碰撞試4541上海交通大學(xué)學(xué)報(bào)第39卷驗(yàn)法規(guī),建立整車偏置碰撞有限元模型.可變形壁障一般為可壓縮

19、的蜂窩鋁塊,建模中采用六面體實(shí)體單元,材料模型為honeycom b 材料.可變形壁障放置在駕駛員一側(cè),與汽車前端的接觸面積只占車身寬度的40%.整車以56km h 的速度正面碰撞可變形壁障,計(jì)算了100m s 的碰撞過程.由圖5可見:變形仍然集中在車身前部(A 柱之前,車輛后部基本沒有變形.主要吸能零部件是保險(xiǎn)杠、翼子板、發(fā)動(dòng)機(jī)罩和前縱梁.同時(shí)由于沖擊載荷不對(duì)稱,碰撞側(cè)的變形程度比正面全寬碰撞的變形嚴(yán)重得多 .圖540%偏置碰撞整車變形仿真(t =90m s F ig .5V eh icle defo rm ati on in 40%offsetcrash (t =90m s 雖然正面碰撞和

20、偏置碰撞的主要吸能零部件是相同的,但是偏置碰撞汽車前端的吸能數(shù)量遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于正面碰撞的吸能值.結(jié)果導(dǎo)致更多的碰撞能量傳到了汽車中后部,將可能導(dǎo)致車頂、車地板和車門等零部件發(fā)生較大的變形,嚴(yán)重威脅乘員的安全.在偏置碰撞中,對(duì)車身耐撞性的要求集中體現(xiàn)在要保持乘員室的完整性以確保乘員的有限生存空間.為此,對(duì)車身的碰撞性能提出以下2個(gè)要求:(1汽車的前部結(jié)構(gòu)盡可能多地吸收碰撞能量;(2控制受壓各部件的變形形式,以防止車輪、發(fā)動(dòng)機(jī)和變速箱等剛性部件侵入駕駛室.通過仿真計(jì)算發(fā)現(xiàn),前圍板的侵入量偏大,影響到駕駛員的人身安全.主要原因是偏置碰撞下S 型結(jié)構(gòu)的前縱梁很難發(fā)生壓潰變形,而極易發(fā)生折彎變形,導(dǎo)致吸收的能

21、量有限,相當(dāng)多能量直接被前圍板吸收,結(jié)果導(dǎo)致了前圍板侵入量偏大.通過有限元方法,進(jìn)行多種方案仿真計(jì)算,對(duì)最初設(shè)計(jì)作了如下改進(jìn):(1從零部件所用材料上加以改進(jìn),具體方案為:對(duì)前圍板采用高強(qiáng)度鋼板以提高其強(qiáng)度,所用材料在高速?zèng)_擊情況下動(dòng)態(tài)力學(xué)性能參數(shù)由材料供應(yīng)商提供.(2從結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)上加以改進(jìn),具體方案為:增加前縱梁兩個(gè)彎頭處的壁厚以控制其變形模式以達(dá)到增強(qiáng)其吸能能力的目的;在前輪罩處增加一加強(qiáng)筋,其主要目的也是增強(qiáng)其變形時(shí)的吸能能力.由圖6可見:前縱梁的改進(jìn)設(shè)計(jì)以及在前輪罩處增加加強(qiáng)筋對(duì)于提高吸能能力是很有成效的,結(jié)構(gòu)的改進(jìn)使前縱梁吸能總量比原有設(shè)計(jì)提高近25%,而且變形吸能時(shí)間也從45m s 延

22、長到65m s .圖6改進(jìn)設(shè)計(jì)與原有設(shè)計(jì)方案的能量吸收對(duì)比F ig .6Comparison of energy ab so rbed betw een theo riginal and i m p roved design以上兩種改進(jìn)方案的仿真計(jì)算結(jié)果表明,方案可以保證碰撞發(fā)生時(shí)前圍板的變形量變小,但是對(duì)減少其侵入量效果不明顯.應(yīng)用方案可以保證前縱梁在碰撞時(shí)發(fā)生壓潰變形,延長其變形時(shí)間,明顯提高前縱梁的吸能能力,使得前圍板的侵入量減少了近1 2,達(dá)到了預(yù)期的效果.5結(jié)語針對(duì)某型號(hào)小客車建立了其有限元模型,依據(jù)國家汽車安全法規(guī)進(jìn)行了正面碰撞仿真研究.仿真和試驗(yàn)結(jié)果取得了較好的一致,說明本文建立

23、的有限元模型是可靠的.在此基礎(chǔ)上,建立了整車偏置碰撞有限元模型.通過仿真結(jié)果發(fā)現(xiàn),偏置碰撞由于碰撞沖擊載荷的不對(duì)稱性,導(dǎo)致前圍板的侵入量過大,危及乘員的人身安全.為此,對(duì)前縱梁和前輪罩進(jìn)行了結(jié)構(gòu)的改進(jìn)設(shè)計(jì).仿真計(jì)算表明,改進(jìn)后的設(shè)計(jì)明顯提高了其吸能能力,有效減小了前圍板的侵入量.利用計(jì)算機(jī)仿真在設(shè)計(jì)階段就可以提高汽車的碰撞安全性,有利于降低汽車的研發(fā)成本和縮短設(shè)計(jì)周期.因此,利用仿真技術(shù)對(duì)于汽車設(shè)計(jì)和開發(fā)具有重要的理論意義和實(shí)用價(jià)值.5541第9期亓文果,等:汽車車身碰撞性能的有限元仿真與改進(jìn)參考文獻(xiàn):1王蠧,李宏光,趙航.現(xiàn)代汽車安全M.北京:人民交通出版社,1998.2Saha N K,C

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