材料特性对转向柱碰撞性能影响的仿真研究

宋晓华，李 伟

(重庆交通大学机电与汽车工程学院，重庆400074)

在汽车正面碰撞事故中，转向盘和转向柱是导致驾驶员受伤的主要部件之一［1］。当发生正面碰撞事故时，具有良好碰撞特性的汽车转向柱可以很好地减轻或防止驾驶员的伤害。因此作为影响汽车安全性能的重要因素，汽车转向柱受到了越来越广泛的重视。研究改善结构和材料性能来提高转向柱的安全性能，具有极大的实用价值［2］。许多学者对汽车转向柱的碰撞特性进行了大量的研究［1-6］，但是大多数研究都仅仅针对转向柱的结构改进设计，而对转向柱材料性能的研究较少。因此，很有必要对转向柱的材料性能对其碰撞特性的影响进行研究。

笔者以微型轿车的转向柱为研究对象，建立了转向柱碰撞有限元模型。采用显示动力学有限元方法，应用有限元分析软件LS-DYNA对不同材料特性的转向柱的碰撞性能进行了研究，并对转向柱的变形形态、运动位移、速度、吸能量等方面进行了对比，研究结果可为汽车转向柱的设计和碰撞性能的提高提供依据。

1 汽车转向柱的有限元模型

首先利用UG软件建立转向盘和转向柱的几何模型，然后通过IGS图像数据交换格式将CAD模型转入前处理有限元软件ANSAS中进行网格划分。为了保证有限元分析结果的精度，在有限元模型的建立过程中，有限元网格以四边形壳单元为主，三角形壳单元占单元总数的2.1%(满足通用的有限元网格划分要求)，并且严格保证所有单元的质量要求，包括长宽比、单元内角、雅可比、翘曲度、锥度、倾斜度。为了提高计算效率，转向盘和刚性墙采用10 mm的网格，由于转向柱为分析的主要部件，转向柱采用2 mm的网格。转向柱碰撞有限元模型如图1，共16 588个单元，16 520个节点。

图1 转向柱碰撞有限元模型Fig.1 Finite element model of steering mast

2 材料的选择

目前轿车车身最常采用的是低碳钢、铝合金和高强度钢［7］。经过多种材料的对比分析，选用低碳钢、2017-T 4铝合金和BH 260/370高强度钢3种材料进行研究。选用材料的性能参数如表1［7］。

表1 选用材料的性能参数Table 1 The material properties

3 边界条件的确定

根据方向盘的碰撞性能要求，定义模拟冲击块的刚性墙的质量为 36 kg，初始速度为 25 km/h［4］。约束转向柱底部端面节点的所有自由度(即x、y、z方向的所有平动和转动自由度)，另外，约束刚性墙y和z两个方向的所有自由度。

4 数值仿真及分析

低碳钢、高强度钢和合金钢的转向柱在碰撞过程中变形形态分别如图2～图4。从图中可以看出，低碳钢转向柱的屈曲形态较高强度钢和合金钢的好，高强度钢的屈曲形态次之，合金钢最差。在碰撞初始阶段(10 ms之前)低碳钢和高强度钢的屈曲性能好于合金钢。

图2 低碳钢转向柱碰撞过程的变形Fig.2 The collision deformation of steering mast with mild steel

图3 合金钢转向柱碰撞过程的变形Fig.3 The collision deformation of steering mast with alloy steel

图4 高强度钢转向柱碰撞过程的变形Fig.4 The collision deformation of steering mast with high strength steel

刚性墙的位移时间历程曲线如图5。从图5可以看出，在转向柱碰撞完成之后，位移量值是低碳钢的最大，合金钢的其次，高强度钢的最小。在碰撞过程中，低碳钢的变化速度更快，而合金钢和高强度钢的变化速度很接近。

图5 刚性墙的位移-时间历程曲线Fig.5 The displacement curve vary with time of rigid wall

图6显示了刚性墙的速度时间历程曲线。从图6可以看出，低碳钢的碰撞时间最长，合金钢次之，高强度钢的碰撞时间最短。

图6 刚性墙的速度-时间历程曲线Fig.6 The velocity curve vary with time of rigid wall

转向柱的吸能量的时间历程曲线如图7，低碳钢的总吸能量最大，合金钢稍大于高强度钢。在碰撞过程中，合金钢和高强度钢的吸能更快，而低碳钢的吸能时间较长。因此，合金钢与高强度钢在碰撞过程中很更好的减轻转向系统对驾驶员的伤害。另外，对于转向柱的重量，低碳钢与高强度钢都为0.404 kg，而合金钢只有0.144 kg，质量只有前两者的35.6%。综合起来考虑，转向柱采用合金钢材料时的碰撞最好，同时能达到轻量化的效果。

图7 转向柱的吸能量-时间历程曲线Fig.7 The energy absorption curve vary with time of vehicle steering mast

5 结语

通过建立转向柱碰撞有限元模型，运用显示动力学有限元方法，研究了低碳钢、2017-T4合金钢和BH260/370高强度钢转向柱的碰撞性能进行，得到以下结论:

1)不同材料性能的转向柱将对其碰撞性能产生不同程度的影响，选择合适材料的转向柱将会有助于其碰撞性能的提高。

2)采用合金钢的转向柱与采用低碳钢和高强度钢的转向柱的碰撞性能不仅得到了提高，而且质量更小，有助于汽车轻量化。

3)采用有限元方法对转向柱进行结构和碰撞性能进行优化是可行的。

［1］王登峰，曾迥立.汽车吸能转向柱机构与驾驶员碰撞的仿真与试验［J］.汽车工程，2003，25(1):20-24.Wang Dengfeng，Zeng Jiongli.Simulation and experiment of frontal crash between automotive energy-absorbing steering assembly and driver［J］.Automotive Engineering，2003，25(1):20-24.

［2］张晓云，金先龙，葛龙，等.面向国家标准的汽车转向机构安全性能仿真［J］.系统仿真学报，2003，15(2):228-234.Zhang Xiaoyun，Jin Xianlong，Ge Long，et al.National regulation oriented crashworthiness simulation of vehicle steering system［J］.Journal of System Simulation，2003，15(2):228-234.

［3］王宏雁，瞿喆文.吸能式转向系统在正面碰撞中运动响应模拟［J］.同济大学学报，2003，15(2):1454-1458.Wang Hongyan，Qu Zhewen.Simulation of energy-absorbing steering system in frontal impact［J］.Journal of Tongji University，2003，15(2):1454-1458.

［4］李志刚，张金换，马春生，等.汽车转向机构安全性能仿真分析及试验研究［J］.清华大学学报:自然科学版，2010，50(5):649-653.Li Zhigang，Zhang Jinhuan，Ma Chunsheng，et al.Safety simulation and tests of auto motive steering mechanism［J］.Journal of Tsinghua University，2010，50(5):648-653.

［5］徐引龙.吸能式转向系统对乘员保护的研究［D］.北京:清华大学，2002.

［6］张晓云，金先龙，李玉璇，等.人体模块撞击汽车转向机构数值模拟与试验分析［J］.机械科学与技术，2003，22(2):289-291.Zhan Xiaoyun，Jin Xianlong，Li Yuxuan，et al.Numerical simulation and experimental analysis of human model crashing to the steering system of a car［J］.Mechanical Science and Technology，2003，22(2):289-291.

［7］朱平，张宇，葛龙，等.基于正面碰撞性仿真的轿车车身材料轻量化研究［J］.机械工程学报，2005，41(9):207-211.Zhu Ping，Zhang Yu，Ge Long，et al.Research on lightweight of auto-body material based on crashworthiness simulation［J］.Chinese Journal of Mechanical Engineering，2005，41(9):207-211.