汽车前部部件的碰撞吸能能力分析

2014-06-22朱其文张子鹏魏晓辰

汽车工程师 2014年5期

朱其文张子鹏魏晓辰

（中国汽车技术研究中心）

汽车安全越来越受到重视，在汽车被动安全中，根据碰撞形式进行划分，可分为正面碰撞、侧面碰撞、偏置碰撞、后碰、柱状碰撞和翻滚安全等[1]。由于正面碰撞发生最为频繁，发生比例约占所有碰撞比例40%，故国内外对正面碰撞的研究较多[2]。当汽车发生正面碰撞时，位于汽车压溃区的汽车前部部件承担着主要吸能部件的责任，内部乘员的损伤情况与汽车前部部件的吸能特性有着十分紧密的联系。因此合理设计汽车前部部件及选择前部部件材料模式，对于乘员保护具有重大的意义。

1 汽车正面碰撞有限元建模

1.1 整车有限元模型

文章使用的Ford Taurus 整车正面碰撞模型是由美国国家道路交通安全管理局的EASI Engineering 开发，由美国乔治亚大学的国家碰撞分析中心（NCAC）所提供的，如图1 所示。整车沿车身纵向、横向及高度方向分别为X，Y，Z 方向，车体前端部分的单元网格分割较细致，而车体中间和后端结构因不会发生大变形，而以较粗的单元网格分割表示，共分为133 个组件，有26 793 个节点、348 个固体单元、27 873 个薄壳单元、140 个梁单元及31 个质量单元。全部的133 个组件当中，104 个组件是以壳单元建造模型的薄金属部分，18 个组件以梁单元来配置代表汽车的钢梁，水箱组件则以固体单元来进行构建，装置在车体上的8 个加速度传感器也是采用固体单元来进行建模。

一般汽车前部主要的吸能部件有前保险杠、保险杠支架组件、保险杠横梁、第一横梁、第二横梁、底盘前纵梁、前纵梁组件及前部主横梁等。为了提高汽车正撞的安全性能，必须提高汽车的耐撞性，即提高汽车前部部件的碰撞吸能能力。选择前部各部件中，吸能能力最强的部件进行改善，会对汽车整体吸能能力提升幅度最大。

1.2 FEMB前处理

文章选用FEMB 作为LS-DYNA 前处理软件，尽管FEMB 没有Hyper-mesh 及ANSA 那样强大的网格划分功能，但是FEMB 是LS-DYNA 内嵌的前处理软件，其关键字与LS-DYNA 直接接口，操作界面简便，具有强大的定义边界条件和给予材料属性的功能。在整车正面碰撞前处理当中需要特别注意以下5 点问题。

1.2.1 接触定义

在整车正面碰撞当中比较难选择接触类型，在LS-DYNA 当中有许多接触的类型，所以面临选择接触类型的问题。文章采用AUTOMATIC 类型，这是一类新的接触类型，因为在整车碰撞当中很难人工确定发生接触的壳单元的运动方向，而AUTOMATIC 类型可以自动判定。对整车与刚性墙之间的接触设定为AUTOMATIC_SURFACE_TO_SURFACE 接触类型，对整车自身全部部件设定为AUTOMATIC_SINGLE_SURFACE 接触类型。

1.2.2 定义BOX

2 个复杂的物体之间相接触，如果能够事先判断两者能够接触到的区域，就可以采用*DFINE_BOX 选项卡定义一个BOX，在BOX 外的认为不会出现接触，这样就会大大地降低计算所用的时间[3]。因为主要进行汽车正面碰撞，故汽车中后部不会与刚性墙发生接触，在这里对汽车的前部可能发生碰撞的部位定义了一个BOX，如图2 所示。

1.2.3 控制沙漏能

由于LS-DYNA 采用单点高斯积分的单元进行非线性动力分析，在节约计算时间的同时也造成了一种零能模式，即沙漏模式[4]。可以说沙漏能不是物理上的能量损失，而是由于数学模型计算上面造成网格变形错误产生的能量损失，由于沙漏而变形的单元模型，如图3 所示。LS-DYNA 当中也通过相应的选项卡片进行沙漏能的控制，一般定义沙漏能控制在10%以内，文章中通过*CONTROL_ENERGY 和*CONTROL_HOURGLASS 2 个选项卡设定来控制沙漏能。

1.2.4 几何翘曲问题

文章采用的整车模型中的壳单元都是采用的缺省的2 号Belytschko-Tsay 壳单元，通过设置*CONTROL_SHELL 选项卡当中的BWC=1，PROJ=1 施加翘曲刚度公式，通过设置*CONTROL_ACCURACY 中参数INN=2，保持节点编号不变，控制计算精度。

1.2.5 控制时间步长

文章通过质量缩放的方法来实现对时间步长的控制，设置关键字*CONTROL_TIMESTEP 当中的DT2MS=-1.112 0×10-6来使得质量缩放仅仅施加到步长小于DT2MS 的单元上，节省了大量的时间。设定关键字*CONTROL_TEMINATION 当中的ENDTM=0.12，确定了整个模型的运算时间为0.12 s，设定DATABASE_BINARY_D3PLOT当中的DT/CYCL=0.006，这样一共分20 步进行计算。设定好整车碰撞仿真模型后，整车正面碰撞仿真模型，如图4 所示。整个模型在电脑上进行计算，大约需要1 h 54 min。

2 汽车正面碰撞有限元分析

完成正面碰撞仿真试验之后，采用LS-PrePos 打开D3Plot 数据文件，得到整车碰撞形态随时间变化的有限元模型，如图5 所示。

从图5 中可以看出，在6 ms 时汽车前端保险杠部件开始与刚性墙发生接触，并开始碰撞变形；在18 ms 时汽车保险杠完全变形，汽车前部开始与刚性墙发生碰撞；在18～30 ms 汽车前部横梁及纵梁都开始发生碰撞变形，发动机罩板开始发生翘曲变形；在30～60 ms，汽车前部横梁、纵梁及发动机舱内的发动机及电池等部件开始发生严重变形，汽车开始大量吸能；在60～114 ms 汽车前部进一步发生变形，但是前部已经基本上压缩变形到最大，此时汽车中后部部件在惯性作用下继续向前运动并发生变形；在114～120 ms 汽车碰撞压缩变形结束，变形部件开始回弹，汽车逐渐脱离障壁，开始回弹。

在LS-PrePost 的GLSTAT 选项卡中查看整车碰撞的总能量、动能及内能变化，变化曲线，如图6 所示。

读取汽车能量变化数据，汽车的总能量为124 kJ，在t=72 ms 时汽车的总内能达到最大（113.35 kJ），同时动能达到最小（0.6 kJ）。从图6 中可以看出，汽车在6 ms左右时开始发生碰撞，内能开始增大，动能开始减小；到达20 ms 左右时，内能增加速度及动能减小速率开始增大，内能急剧增大，动能急剧减小；到达60 ms 左右内能增加速率及动能减小速率开始减小；到达80 ms左右内能及动能趋于稳定。图6 曲线分析与图5 中汽车碰撞状态图分析结果相吻合。

3 汽车吸能部件吸能分析

通过后处理软件LS-PrePost 中的*DATABASE_MATSUM选项卡，读出汽车前部主要组件的吸能曲线，如图7 所示。从图7 中可以看出，前部组件在t=60 ms 时基本上完成了吸能，这与图5，6 分析得出的结论相同。分析图7 曲线可知，汽车前纵梁组件吸能最多，其次是保险杠组件，且两者的吸能能力远大于其它组件，前纵梁主要是在20～60 ms 之间碰撞变形并且吸收大量的能量。

各组件的编号、能量吸收量及能量吸收量占整车能量吸收的百分比，如表1 所示。