基于试验数据的车身侧面碰撞子结构仿真分析

韦东来, 赵 素， 徐连仪

(上海电机学院 机械学院， 上海 201306)



基于试验数据的车身侧面碰撞子结构仿真分析

韦东来, 赵 素， 徐连仪

(上海电机学院 机械学院， 上海 201306)

目前侧面碰撞有限元仿真分析仍存在预测精度不高、计算时间比较长等问题。提出了一种新的给定结构运动(PSM)缩放方法，根据有限元分析结果与试验传感器数据的误差，在每个时间点上对结构仿真结果进行比例缩放，通过缩放车门内板和B柱等子结构上有限元节点的运动轨迹，修正成与试验一致的结果。实际应用表明，修正之后的PSM侧面碰撞模型在假人接触时刻、载荷分布和峰值等重要评价指标上都较未缩放时的数据得到了明显的改善，而且在很大程度上减少了计算时间。

侧面碰撞; 子结构; 给定结构运动缩放; 汽车车身； 仿真

目前有限元方法被广泛应用于整车碰撞的结构变形和约束系统仿真分析，很多仿真过程和预测结果跟试验数据对标都取得比较高的准确度，为车身结构参数设计和优化提供重要的数据支撑[1-3]。但是对侧面碰撞来讲，由于车身侧面结构的刚度和强度相对较弱，而且车门距离乘员之间的变形空间较小，故发生碰撞时侧面结构直接跟人体或侧气囊接触，变形量也大，因此，计算时间长，仿真准确度有待提高。

整车有限元模型包括障碍壁、车身结构、约束系统、乘员假人、底盘和发动机等，模型复杂而且节点单元数量巨大，模型调试困难，仿真过程非常耗时，因此整车有限元模型不适合做乘员约束系统分析和优化[4]。虽然多刚体动力学侧面碰撞模型仿真计算速度非常快，调试也相对简单，可以用于乘员约束系统分析和优化，但是多刚体动力学模型简化了结构局部细节及其具体变形，所以大都局限于约束系统概念分析阶段。

对乘员约束系统来讲，在侧面碰撞过程中，可能会跟安全气囊和乘员接触的结构件——车门、B柱、内饰、座椅等少量部件，这几个部件的模型可称为子结构。整车模型中大部分结构是不直接跟约束系统接触的，为此，一种基于子结构的给定结构运动(Prescribed Structural Motion， PSM)方法被有效地应用于乘员约束系统的分析和优化[5-8]。

采用PSM方法构建的侧面模型只包括车门、B柱、内饰、座椅、地板、约束系统以及假人模型，可极大地减少仿真时间，至少比整车仿真快6倍以上，并且保持整车模型的计算精度。在PSM模型中，车门和B柱是作为边界条件输入，它们的节点时间-位移信息是由整车有限元仿真模型计算结果导入。相对于包括约束系统的整车有限元仿真，PSM模型比较小，计算时间明显缩短，所以，PSM模型可以应用于约束系统的灵敏度分析、参数设计优化和结构改进等方面[9-11]。

在PSM模型中，与假人损伤值最直接相关的是内饰或内板与假人接触时的侵入量、侵入速度，并且取决于车门内板的时间-位移关系，故准确的车门位移，即边界条件，在侧面模型中是一个最重要的参数。只有车身结构跟假人接触力传递路径的起点正确，后续的变形预测才可能准确[12-15]。

由于侧面碰撞结构变形的复杂性，以及有限元模型本身网格、材料、连接、焊点、接触和边界条件等诸多因素造成建模误差的影响，车身结构仿真结果跟实车试验相比可能会相差甚远，如果以误差比较大的结构仿真结果(例如车门与B柱的侵入速度和侵入量)作为PSM模型的输入信息，则会影响PSM和约束系统的计算精度。

因此，本文提出一种新的PSM缩放方法，利用整车碰撞试验数据，在每一个时间点上对结构仿真结果进行缩放，即对试验传感器位置相应节点进行时间历程缩放，再通过合理的插值算法将整个有限元模型的节点进行时间历程缩放，最终获得跟试验测量数据一致的车身结构变形历程，从而保证PSM模型运动边界条件的可靠性。

1 新的PSM缩放原理

某车型车门缩放前后变形情况如图1所示，其具体关键尺寸主要是门内板下部的髋部推动块和上部的扶手凸缘的面积大小、位置，主要参数是这两个部位的刚度曲线。整个车门的有限元模型来自于整车碰撞模型，不需要作简化与假设。

图1 车门PSM缩放变形情况

为了方便起见，将位于碰撞试验的车门上传感器位置的有限元模型节点称为试验点。基于试验数据的PSM缩放方法分为两个主要过程: ① 针对试验点的缩放;② 针对其余节点的缩放。

针对试验点的缩放方法是将加速度信号积分成位移曲线，在PSM中的每个时间点上与PSM的位移进行比较，然后依此计算出一组缩放因子。针对某一节点的缩放原理如图2所示。缩放因子S根据下式计算得到:

图2 某1节点的位移缩放

(1)

式中，Dt为试验位移；Do为原始位移。

通过计算试验点上的一组时间历程缩放因子(即缩放因子S是时间的函数)，将其乘以PSM原始位移，可以获得与试验结果几乎一致的位移量。但是，毕竟还有更多的有限元单元节点位于传感器位置之外，故新的侧面碰撞模型PSM缩放方法，将有效的试验点结果通过线性插值算法计算其他有限元节点上的缩放系数，既能保证侧面结构变形跟试验数据一致，又可以保持结构本身变形的协调性。试验点缩放变形情况如图3所示。

图3 试验点缩放示意图

非试验点是指位于传感器位置之外的有限元模型PSM节点。在确定了试验点的缩放因子后，将该缩放因子通过插值算法，分布到所有PSM节点上，使得整个车门的PSM都被缩放，以便达到所有PSM节点缩放的要求。虽然车门外板在侧面碰撞过程中往往会发生很大的变形，但是经过内板、垫块等中间隔层的缓冲，门内饰板的变形不会很大。本文采用带交叉项的线性插值算法求解碰撞区域的缩放因子，符合实际变形情况。这里进行插值分布的是缩放因子，而不是位移，所以既能够保留原有整车模型的变形细节，又能保证试验点的位移与试验位移的一致性。

为了更准确地还原车门的实际变形，可以在门内板上加装更多的加速度传感器。通过合理的传感器布置，使试验点尽可能地靠近对假人伤害起主要作用的车门变形位置，以得到最有效的试验数据。假若添加了若干个有效的传感器，并计算出试验点的缩放因子，则可以通过二维的线性插值对缩放因子进行插值和分布。例如，任意一个节点的缩放因子根据它所处的位置，由相邻的4个试验点缩放因子插值而得。试验点的插值函数为

(2)

式中，S为缩放因子；x、y为各节点的坐标；A、B、C、D为插值系数，4个插值系数可由相邻的4个试验点缩放因子来表示，即由式(2)求出。插值系数求得后，任意一个节点的缩放因子可由下式确定(见图4)：

Si=A+Bxi+Cyi+Dxiyi

(3)

图4 位于试验点之间的缩放因子

在完成对所有PSM节点的缩放因子计算之后，将所有节点位移历程乘以对应的缩放因子，即完成了基于试验数据的PSM模型缩放，并为后续建模提供更准确的边界条件。根据上述原理和方法，PSM缩放的计算流程图可用图5表示，实现该功能的计算机程序应用软件环境为Windows XP和Windows 7系统。

图5 PSM缩放流程图

2 实际应用

某车型侧面MDB碰撞的MADYMO PSM模型包括车门内外板、防撞梁、门锁、门内缓冲块、B柱内外板、内饰、假人、安全带、座椅、地板等，其中车门外板和B柱外板是PSM，即在整车有限元仿真结果基础上进行PSM缩放后得到相应的运动轨迹。

模型中所有结构件的单元和材料属性都与整车模型一致。因为车门内板、B柱内板以及内饰表面可能会跟假人直接接触，尤其是内饰件刚度比较小，在碰撞接触过程中会产生不可预知的变形，所以这几个部件没有用PSM，而是让它们在碰撞接触情况下自由变形，更接近实际情况，同时也是当需要对内饰形状和刚度进行优化时的必然要求。子结构的主要参数如表1所示。

表1 子结构主要参数Tab.1 Main parameters of the substructure

图6给出了碰撞过程中假人骨盆加速度、腰椎加速度和背板力随时间变化的曲线，包括试验结果、没有缩放的整车有限元仿真结果以及根据试验加速度传感器信号对车门外板和B柱外板有限元模型节点进行PSM插值缩放结果。曲线对比可以发现，通过缩放后得到的假人相应部位的加速度和力曲线的时间和峰值更接近于试验数值，这是因为通过缩放，车门和B柱的运动相对没有缩放的运动更接近于试验实际情况。

图6 缩放前后部分假人伤害对比

3 结 语

本方法采用整车碰撞试验中的加速传感器信号数据，使用程序来快速地完成缩放因子的计算、插值以及对结构仿真模型导出的PSM数据进行时

间历程的缩放。实际应用仿真表明，缩放后的PSM模型使仿真与试验对标建立在一个更可信的边界条件上，极大地加快了侧面碰撞模型开发速度，并为车门内饰板、安全气囊、座椅等约束系统零部件的开发提供了可靠的侧面碰撞仿真模型。

基于试验数据的PSM缩放方法中所采用的传感器布置方案和对应的缩放因子插值算法对仿真精度起着至关重要的作用，但是缩放和插值方法不是唯一的，可根据实际情况进行改进。因此，在将来的研究中，开发出更优良的整体方案是该方法的重点。

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Simulation of Side Impact on Substructure ofVehicle Body Based on Test Data

WEI Donglai, ZHAO Su, XU Lianyi

(School of Mechanical Engineering， Shanghai Dianji University， Shanghai 201306， China)

Simulation of side impact on a vehicle is time consuming, and the prediction accuracy is unsatisfactory. In this paper, a prescribed structural motion(PSM) scaling method based on the impact test sensor data is developed to scale substructure simulation results at each time point. The method scales the inner door panel and the B-pillar finite element nodal trajectories in consistent with the test results. As compared with non-scaled data, the practical applications show that the modified PSM side impact model significantly improves important evaluation indexes such as dummy contact time, load distribution and peak values. In addition, simulation time is greatly reduced.

side impact; substructure; prescribed structural motion(PSM) scaling; vehicle body; simulation

2016 -08 -13

上海电机学院重点培育项目资助(12C111)

韦东来(1974-)，男，讲师，博士，主要研究方向为材料加工和汽车碰撞过程的数值仿真，E-mail: weidl@sdju.edu.cn

2095 - 0020(2016)05 -0249 - 05

TP 391.9; U467.14

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