不同材料本构模型车辆碰撞仿真对比分析

白云静

(广州汽车集团股份有限公司汽车工程研究院，广东 广州 511434)

0 前言

随着经济的不断发展和科技的不断进步，人们的生活水平不断提高[1]，汽车已经成为人们生活中的必需交通工具，我国汽车销量近年来也处于不断稳定增长的态势，这说明人们对于汽车的需求是很大的。在不断增加的汽车需求市场中，各大汽车品牌和厂家应当严格把控汽车质量[2]，汽车质量高低直接关乎驾驶人和乘坐人员的生命安危，因此在汽车质量尤其是汽车安全方面需要下功夫。不同车辆的安全性能都有着不太一样的差异，因此人们在选择购买汽车时也会考虑汽车的安全性因素，而车辆碰撞试验是最能直接反映车辆安全性能的测试，因此很多消费者很注重汽车碰撞试验的结果。

在新时期环境下，各种类型的车辆已经成为人们生活中不可缺少的出行工具，同时人们对车辆的安全性能要求也比较高，其和人们的安全性有着密切的关系[3]。当车辆发生安全事故的时候，车辆被动的安全性能和人员的伤亡情况有着密切关系[4]，而不同的材料对车辆被动的安全性能也有着直接的影响。为了对车辆被动的安全性能进行验证，并对不同材料下被动的安全性能效果进行分析，本文就开展了不同材料本构模型车辆碰撞仿真的对比试验。

1 建立仿真模型

通过Hypermesh软件来进行有限元的计算模型建立，在模型建立中主要选取的是整列的列车。为了对计算进行简化，对接触面所对应两节的Tc车通过壳单元实施离散处理，之外车体都通过刚性车壳实施模拟，并对它们进行不同密度赋予实施配重。对两节的Tc车其车体与防爬器有限元的模型使用螺栓进行连接，对车钩通过弹簧单元进行模拟，并对弹簧单元材料进行车钩力行程的曲线赋予；对转向架通过刚性体的单元进行模拟；对地面通过刚性墙进行模拟。在碰撞的工况设定中，两辆车辆都是六节的编组，其中一列在25km/h车速和另一列静止的车辆进行碰撞[1]。

2 材料的选择

对车辆车体使用的是铝合金的结构，基于对不同部件需要进行满足，对不同的部件所用不同类型的铝合金材料[5]。在本文城轨车辆的碰撞仿真过程中，所用材料主要是双线性、弹塑性的材料本构，简称作材料A，材料的参数包括材料密度、屈服的极限、弹性的模量、切线的模量和泊松比等。在本文中，增加使用另外一种应变率材料本构，简称作材料B，此本构模型材料于不同的变形速率条件下应力应变的试验数据实施拟合而得到[6]。

3 碰撞结果的分析

3.1 碰撞后车体变形的情况对比

将计算的时间设定为0.6s，通过对碰撞结果进行观察，能够看到运用材料B碰撞模型的车体在发生碰撞后，处在运动状态的列车其司机室的地板和静止列车相比，发生了一定抬升，且垂向的位移约有2.5cm，也就和防爬器的筋板厚度一样，但材料A模型是不存在此情形的[7]。

3.2 对碰撞过程的能量对比

通过对能量时间关系曲线进行对比，能够看出在发生碰撞中其总能量是保持不变的，它们的动能在慢慢减小，而内能与摩擦能是逐渐增加的。材料A列车进行撞击中，其沙漏能是21.25kJ，是0.44%的总能量，而材料B列车进行撞击中，其沙漏能是38.73kJ，是0.78%的总能量，它们两者都于5%范围中，因此满足精确度计算的要求，其计算的结果十分准确。

在对两种材料的本构碰撞中，它们的总能量值较为接近，而材料B车体的吸能值是比材料A车体的吸能要少的，但车钩的吸能则多了，则能量的吸收分配发生了改变。

3.3 对防爬器的压溃管吸能对比

通过对防爬器的压溃管吸能进行对比能够得知，材料A的本构下其压溃管的总吸能是219.63kJ，而材料B的本构下其压溃管的总吸能是338.22kJ，因此材料B的本构下其防爬器的压溃管具有吸能是比材料A的本构下其压溃管的吸能要大的。

3.4 对车钩力的变化对比

A和B材料的本构下，其车钩力变化并不是很大，且全自动的车钩力都是800kN，都达到车钩其最大的冲击负载要求，其车钩已经被压溃[8]。

4 结语

首先对汽车碰撞进行建模仿真的操作，通过计算机软件对碰撞试验的车辆和场景进行建模。然后对车辆的材料进行选择，试验的目的是测试不同材料的车辆碰撞效果，因此要选择不同的材料来完成试验。接着进行碰撞仿真试验，同时分析碰撞结果，主要分成4个方面：碰撞试验后车体的变形情况结果，碰撞时能量的对比，防爬器的压溃管吸能对比，车钩力变化对比。通过车辆碰撞仿真对比可以有效地预测不同材料下车辆的安全性能和碰撞结果，可以根据碰撞仿真实验的结果来进行车辆材料的选择和设计，为车辆的安全性实验提供良好的基础和铺垫。

在两列车通过25km/ h车速进行碰撞时，两种材料的本构下它们碰撞的能量是由车钩以及司机室的前端位置变形的吸能区进行吸收，而车钩过载的装置发生动作以及防爬器的啮合，来对爬车现象进行阻止[9]。通过防爬器以及司机室的前端地板发生借助塑性变形来对碰撞的能量进行吸收，车体的客室区并没有遭受损伤。在碰撞的工况下，生存的空间指标以及平均的减速度指标都满足碰撞的标准[10]。