基于数值模拟的汽车100%刚性墙碰撞分析

陆云江

摘 要：汽车被动安全具有重要的研究意义。为了研究某一车型在100%全正面碰撞下的安全性能，首先基于数值模拟的方法，利用前处理软件HyperMesh对车型进行简化，建立了车辆对应的碰撞有限元模型。接着基于非线性动力学理论，通过采用软件LS-DYNA对车辆在100%全正面碰撞下的冲击过程进行了模拟，根据仿真结果分析了碰撞过程的能量变化、车辆变形情况、速度加速度变化和结构件的强度等。结果表明：碰撞过程中汽车前端的吸能结构有效地提高了车辆的安全性;汽车座椅的连接始终可靠，而发动机会脱离车身;前围板会造成乘员的腿部损伤，需要进行优化。相比于整车试验，仿真技术可以节省大量的时间和研发费用，缩短整车的研发周期。

关键词：汽车碰撞;安全性能;数值模拟;有限元模型

0 引言

提升汽车碰撞安全性能一直以来都是汽车制造业的重要目标[1]，目前，针对汽车碰撞安全性的研究方法有整车碰撞实验和整车仿真。整车碰撞实验是采用真实样车进行碰撞相关实验[2]，优点是数据真实可靠，满足国家强制性法规要求;缺点是试验需要准备的真实样车制造周期长、成本较高，并且对于碰撞实验的场地和设备要求很高，现主要应用于已经研发完成的车型的安全测试。整车安全仿真是利用计算机对车辆的碰撞过程进行数值模拟分析，从而对车身结构强度和安全性进行判断[3]。虽然仿真技术在结果上与实验方法相比存在着一定的差距，但是仿真过程时间更短，成本更低，能够十分有效地将新车研发周期缩短，尤其适合在研发阶段验证车辆的安全性以及得出优化方向;并且随着计算机水平的不断发展和碰撞仿真模拟理论的进一步完善[4]，使得碰撞仿真分析在整车研发流程中发挥着越来越大的作用。

在整车安全仿真方面，Abdel-Nasser[5]针对车辆与路灯的正面碰撞进行了研究，通过软件Abaqus对碰撞过程的加速度、速度、冲击力以及变形情况分析，发现新型材料的杠可以有效降低碰撞过程车身的加速度，同时吸收更大的冲击力，给与车内乘员更高的安全保护性。Grunert[6]针对汽车模拟过程求解时间成本高的缺陷，采用了模型缩减法，将线性行为和非线性力学行为自动分离。并将其引用于福特金牛座的整车仿真，结果与工程经验相比，可以在不失正确性的基础之上缩小有限元模拟的求解时间。武和全等人[7]参照我国的汽车安全法规标准建立了客车的前碰有限元模型，在车身前端设计了新型吸能结构，并将有限元方法和实验设计法、响应面法相结合对该吸能机构进行了优化设计，结果表明该吸能机构能够在碰撞过程中更好地吸收冲击能量。

本文主要针对车辆的被动安全采用数值仿真技术进行研究，有助于认识碰撞过程的运动趋势，从而开发出更加安全的车身以及座椅系统，并有助于发动机下沉技术的研究。

1汽车实体及有限元模型建立

1.1汽车实体模型

研究开展所依据的某型号汽车的实体及三维模型如图1所示。前端由左右两边的纵梁、围板、挡泥板和前侧板等一系列的刚度较高的框架构成;车身中部为侧板、地板、顶盖构成的盒型框架;车身后端包括后纵梁、后保险杠和行李舱等。

1.2网格模型

将建立的整车三维模型导入软件HyperMesh，根据不同的零部件特点进行特征简化以及网格划分，分别得到保险杠和吸能盒的网格模型（图2）、车身主车架的网格模型（图3）、车门系统的网格模型（图4）、主驾驶座椅的网格总成（图5）。

1.3材料模型

在LS-DYNA程序中[9]，发动机盖外板使用的材料是24号分段线性塑性材料模型。车身前部的保险杠壳体材料为与金属材料相同的弹塑性材料本构。 前后风窗和侧窗玻璃为夹层2D平面单元，材料模型选用LS-DYNA中的123号修改的分段线性弹塑性模型。上述材料主要参数如表1所示。驾驶座椅是软质聚酸酯泡沫，在仿真中选用57号低密度泡沫模型（*MAT_LOW_DENSITY_FOAM，材料密度1.0*10-10 kg/mm3，杨氏模量4.16Mpa，粘性系数0.2）。汽车轮胎使用材料为*AIRBAG_SIMPLE_AIRBAG_MODEL，可以模拟空气的热动力学行为，主要特性参数有：定容比热容7.17*108J/（kg·K），定压比热容1.004*109 J/（kg·K），初始气体温度300K，初始气压0.1Mpa，气体密度1.2*10-12 kg/mm3。

2 碰撞仿真参数

2.1接触参数及传感器设置

汽车的碰撞过程中是大冲击、大变形问题，在碰撞过程中，某些零部件的变形情况不可预知，因此選用自动单面接触（*CONTACT_AUTOMATIC_SINGLE_SURFACE），该接触算法能够在模拟过程中的每一个时间步自动搜索接触。

在实际的碰撞测试中，除了监控车辆重力中心的速度变化，还需要得到车身各个基准点的加速度变化，因此在模型中设定了4个加速度传感器，分别为后排左侧座椅、后排右侧座椅、发动机上参考点以及发动机下参考点。

2.2边界条件及其他参数

图6为建立的100%正面碰撞模型。在该模型中，边界条件为刚性墙不变形，且其在6个自由度方向上被完全约束，汽车以一定的初速度冲击在刚性墙上。成员设置用集中质量点来替代主副驾的成员，质量设定为75 kg。根据C-NCAP法规强制要求[13]，对于100%正面碰撞，测试速度最小为50 km/h，因此碰撞速度设置为在X轴正方向对汽车施加一恒定的初始速度，大小为56.2km/h。实际碰撞过程车辆的冲击持续时间大约在0.1 s之内，因此求解时间设置为200ms。

3  正面碰撞结果与分析

3.1车身变形结果分析

图7为整车在0 ms、20 ms、50 ms、100 ms、150ms和200 ms时刻的整体变形图。从图中可以看出，给车身赋予了64 km/h的初速度后，汽车以高速撞击刚性墙，并产生很大的冲击力，与刚性墙壁的接触过程中，车身底盘前端的排气装置由于遭受冲击发生了很大的变形，该零部件的应变明显大于其材料的断面收缩率，在真实的碰撞过程中很有可能折断;在碰撞结束后发动机舱已经完全溃缩，这一过程完全吸收了汽车的冲击能量，因此对于乘客所在的驾驶舱而言，由于车辆吸能装置的溃缩吸能作用，驾驶舱主体在冲击过程中基本保持完整，驾驶舱的空间并未被大幅度压缩，从而保证了乘客的安全。

圖8为刚性墙面的冲击力随时间的变化曲线图，车辆前部分与刚性墙的接触产生接触力，该接触力的大小与车辆的初始速度、整车质量和接触参数有关。可以看到，起始阶段，车辆以64 km/h的速度撞击刚性墙，接触力迅速上升;此后在0.03 ms到0.06 ms之间，冲击力在一个高水平值上来回波动，此时汽车对刚性墙的冲击力最大，达到了600 kN。随着车身的溃缩吸能作用，车辆的速度下降，导致冲击力迅速下降，并在0.1 ms左右降到0，即此时车辆已经脱离了刚性墙面并向后回弹。

3.2碰撞过程能量变化分析

全正面碰撞过程是一个短时间内的能量守恒以及动量的交换过程，赋予初速度的汽车具有的动能在与刚性墙接触后，车身速度迅速下降，其动能绝大部分转换为车辆零部件的内能（即变形能），小部分动能以热能、沙漏能和其他方式的能量耗散。在撞击开始后，车身的变形从小到大，直到车身开始回弹时变形达到最大，此后汽车与刚性墙脱离相互运动。在这一整个过程，由于阻尼能和沙漏能很小，可以认为总能量近似恒定。如图9所示为动能、内能和总能随时间的变化曲线。在10 ms左右，车身与刚性墙开始接触，动能开始转换为内能，这一过程一直持续到60 ms左右。在这一过程中，系统动能呈现非线性下降，由初始的160 kJ降到8 kJ左右。与之对应地是在碰撞过程中由于汽车零部件的变形吸能，系统的内能迅速从0上升到140 kJ。

如图10所示为车辆保险杠及其吸能装置的位移云图，可以看到，在碰撞过程中车身左右两边的吸能盒发生了很大的变形，使其尽可能地吸收碰撞产生的能量。在50 ms保险杠被压缩成近似一块平板，吸能盒在冲击力之下缩成了一团;之后吸能装置随着车身一起回弹。

图11为左右两边的吸能装置和保险杠在这一撞击过程吸收的能量，由于汽车是一个极其复杂的产品，并不是严格意义上的左右对称，因此左右两边的吸能盒的内能增加有一定的区别，保持在15 kJ上下;整个吸能装置总共吸收了38 kJ的能量，占系统总增长内能的27.1%，这一数据证明了该车辆的吸能装置充分发挥了作用，吸收了很大一部分冲击带来的能量。

3.3碰撞过程速度、加速度变化分析

如图12为车辆后排座椅H点、车辆重心在碰撞过程中的加速度变化。从曲线中可以看出，车辆重心和座椅的H点的加速度变化基本保持一致，主要分为三个阶段：在初期，车身加速度迅速上升，在吸能盒的作用下，维持在20 g左右（g=9.8 m/s^2）;随着吸能装置的溃缩，加速度继续上升，吸能盒后方零部件继续发生压溃变形，进入稳定的吸能阶段;由于冲击力的减弱，车辆加速度开始下降，随着车辆的回弹在一个低水平状态来回波动。这一变化趋势说明在碰撞过程中，汽车座椅始终与车身连接在一起，在高速冲击下，座椅与白车身的连接始终可靠。

图13所示为车身发动机上下基点的加速度随时间变化曲线，由于发动机并不是刚性连接在车身上，周边具有较大的空间，因此减速过程中的加速度峰值达到了120 g。这说明了在碰撞过程中，发动机的运动状态并不与白车身保持一致，发动机在一定的冲击力下会脱离车身以便减少车身的质量从而有效减小车身在碰撞过程中的加速度峰值。

3.4碰撞过程结构分析

图14为前围板在撞击过程中的有效塑性应变，对于汽车用高强度钢，断面延伸率一般为15%～24%之间，有效塑性应变超出这个范围后即认为材料产生撕裂破坏。可以看出，在35 ms时，由于车头零部件的侵入，副驾位置的前围板开始出现较大的塑性变形，在真实的碰撞试验中，该区域很有可能产生撕裂。随着碰撞的持续，车辆地板进一步隆起，并在地板中部折弯。前围板与地板的刚度对于乘员保护有着重要意义，刚度越大，在撞击过程中可以确保乘员的生存空间最大化。如图15为前围板与后保险杠的相对距离及在撞击过程中的变化曲线，初始距离约为3238 mm，随着车身与刚性墙壁接触，车辆开始被压溃，前围板与后保险杠的距离开始下降，在65 ms时刻达到最小值，为3120 mm左右。说明前排乘员的腿部空间的侵入量为118 mm左右，这有可能会对乘员的腿部造成损伤，在设计优化环节，应尽量保证该侵入量尽可能的小。

4  结论

本文利用Hypermesh软件建立了整车模型，同时基于LS-DYNA非线性显式有限元求解器，以欧盟的NCAP法规作为标准对某型号汽车以64.2 km/h的速度撞击刚性墙的碰撞过程进行了模拟分析。并使用后处理软件分析了碰撞过程的车身变形结果、能量变化、不同位置的速度、加速度变化情况。通过结果分析可知：碰撞过程中，汽车前端的吸能结构很好地发挥了作用，吸收了碰撞过程大约27%的能量，保证了乘员舱的框架完整，有效地提高了车辆的安全性;汽车座椅始终与车身连接在一起，在高速冲击下，座椅与白车身的连接始终可靠，而发动机在一定的冲击力下会脱离车身;前围板的侵入量最大达到了118 mm，表明全碰撞过程会造成乘员的腿部损伤，后续的研究需要针对该问题进行优化。