车身被动安全性CAE仿真研究

王强

【摘 要】阐述了车身被动安全性CAE分析的重要意义和车身结构安全性的基本要求，总结了车身被动安全性CAE分析的流程。对车身被动安全性试验进行了仿真，主要包括正面前碰、正面后碰和侧面碰撞仿真，并分析了仿真结果。最后，在仿真基础上，提出了车身被动安全性的设计要点。

【关键词】汽车车身；安全性；仿真

中图分类号： U461.91 文献标识码： A 文章编号： 2095-2457（2018）09-0055-002

DOI：10.19694/j.cnki.issn2095-2457.2018.09.025

随着节能低碳理念的深入普及，轻量化车身（铝合金车身、塑料车身等）的发展越来越快，轻量化车身比传统钢板车身能够大幅度地减轻汽车质量，从而降低油耗、节约成本、保护环境。但是轻量化车身也面临着结构强度不足、刚度低和低频振动等问题，研究轻量化车身的被动安全性，降低碰撞后的损失、将乘员的伤害降到最小，是提升汽车被动安全性的主题。

汽车车身被动安全性的研究方法主要包括实车碰撞试验和CAE仿真分析。实车碰撞试验客观、真实，可得到全车的损坏情况，但却不易得到车体具体应力分布和材料内部的破坏情况，且试验费用高昂，周期较长。为克服上述不足，并得到实车试验不易得到的数据，对车身被动安全性进行CAE仿真分析已成为必不可少的研發环节。

1 车身结构安全性基本要求

为了乘员和行人的安全，车身结构必须满足：

（1）碰撞过程中保持驾驶舱（安全舱）的完整性，保证生存空间；

（2）发动机舱（电动汽车电机舱）及行李舱等吸能结构以可控制的方式发生弹塑性变形，即：具有正确的力传递路径，金属吸能管不发生失稳，可进行叠缩变形吸能；

（3）为防止车内乘员与内饰件发生二次碰撞，外部结构应使变形能与冲击动能相平衡，使乘员减速带最小；

（4）保证车身刚度，防止因门框变形导致碰撞后车门无法打开，尽量防止因车窗变形使玻璃破碎伤害乘员。

2 车身被动安全性CAE分析流程

进行车身被动安全性CAE分析的一般流程为：

（1）建立车身有限元FEM模型；

（2）设置安全碰撞类型；

（3）导入碰撞壁垒和定义车辆碰撞初始速度；

（4）定义碰撞接触面；

（5）定义输出文件；

（6）仿真计算；

（7）计算结果分析。

3 车身被动安全性试验的仿真

汽车被动安全试验主要包括正面碰撞、正面后碰和侧面碰撞[1]，具体如下。

3.1 汽车正面前碰

汽车正面前碰试验的目的是检测车身变形区域的吸能效果，并检测车内约束系统的匹配情况。其通过正面40%重叠可变形壁障碰撞来完成，建好的碰撞模型如图1所示。

碰撞初始速度为56km/h，经仿真计算，碰撞结果如图2所示，最大变形发生在前保险杠，A柱、B柱和车门未发生明显变形。如车内建有假人模型，则可对假人的头部、胸部以及腿部受到的撞击进行测量与评估，也可有效评估安全带和安全气囊的效果。

3.2 汽车正面后碰

汽车正面后碰通过后面70%重叠可变形壁障碰撞来完成，建好的碰撞模型如图3所示。

碰撞时，壁障初始速度为80km/h，经仿真计算，碰撞结果如图4所示，最大变形发生在后保险杠及车尾，C柱和车门未发生明显变形。

3.3 汽车侧面碰撞

侧碰的仿真模型如图5所示。

碰撞时，壁障初始速度50km/h，经仿真计算，碰撞结果如图6所示，车身侧面变形较大，已对乘员造成一定的伤害。

4 车身被动安全性设计要点

（1）出于安全考虑，车辆结构设计上，在碰撞过程中，中间乘员舱的变形要尽量小，以保证乘员有足够的生存空间；车身前、后舱的变形要适当，既要能吸收碰撞过程中的动能、减少乘员受到的碰撞冲击，也要尽量避免因变形过大而影响到中间乘员舱。

（2）利用金属的塑性变形来设计吸能结构[2]，如轴向叠缩吸能、收缩变形吸能，金属管侧向压溃变形吸能、金属管弯曲吸能等。

（3）车身前后保险杠可以使用吸能特性好的材料，如蜂窝铝，泡沫铝，复合材料（纤维增强塑料、智能磁流变材料）等。

（4）车门内板夹层可适当增加肋板和加强筋，并使用高强度材料，以提高车身侧面抗变形能力，保证乘员安全。

【参考文献】

[1]胡志远，曾必强等.基于LS-DYNA和HyperWorks的汽车安全仿真与分析[M].清华大学出版社，2011.

[2]孙凌玉.车身结构轻量化设计理论、方法和工程实例[M].国防工业出版社，2011.