汽车侧翻中车顶变形的有限元分析与优化仿真

胡瑞海

(江苏联合职业技术学院常州刘国钧分院，江苏 常州 213025)

随着汽车人均保有量的增加，交通事故发生的概率也同时增加。汽车碰撞事故大致分为正碰、侧碰、侧翻，其中侧翻事故的死亡率较高，对乘员的危害性大。根据交通部数据，全国每年交通事故发生的数量为470万起左右，其中侧翻事故达到17%。对侧翻事故的研究，有助于汽车生产厂家对汽车进行改进及交通部门对汽车行驶速度进行规范限制，减少事故的发生和乘员的伤亡。侧翻虽然发生率没有其他的交通事故高，但其死亡率却很高，一旦发生侧翻，乘员的生命安全很容易受到威胁。因此，各个汽车生产企业为了提高汽车的安全性能，在设计汽车结构和生产组装时都需要进行碰撞试验，设计时一般采用仿真模拟，最后生产组装完成后进行多次侧翻试验，利用计算机的仿真功能可有效降低生产成本。

目前针对汽车碰撞领域的研究手段主要是实体汽车碰撞试验和有限元分析，实体汽车侧翻碰撞试验虽然结果直观，但重复性差，试验成本高。近年来，随着有限元技术的发展，汽车侧翻碰撞研究多采用有限元仿真技术，重复性好，精确度较高。本文采用LS-DYNA有限元仿真软件对汽车侧翻时车顶及车身变形情况进行仿真分析，结果表明汽车以不同速度翻滚时车身的形变量不同。

1 汽车侧翻原因分析

汽车侧翻的原因很多，除了汽车本身的质量问题，如零件脱落、轮胎质量差、磨损严重等，更多的是在一些极端天气下，如雨雪天气，使得轮胎与地面接触的滑动摩擦系数减小，冬天行驶时若驾驶员操作不当，极易产生侧翻或侧滑事故。

2 车身有限元模型建立

本研究采用Solid Works软件建立车顶及车柱的几何模型，并使用Hypermesh软件对几何模型进行几何清理和有限元网格的划分，由于车身制造多采用钣金件，因此网格划分采用壳网格，壳网格忽略了厚度，其质量由壳网格的属性进行控制。具体操作步骤如下：对几何模型进行中面抽取，考虑到较小的网格会使模型整体网格数量过多，导致仿真困难，但较大的网格会使变形细节展现较差，通过对整体尺寸的测量，确定对网格采用10 mm×10 mm的大小进行划分。车顶与车的ABC柱间为焊接，连接强度大，变形很小，因此选用rigid刚性单元进行连接，模拟实体汽车中的焊接。汽车钣金件较薄，但采用高强度的材料，目的是为了减少车身重量的同时达到符合条件的强度。有限元模型一共划分了50 920个壳网格和51 816个节点，如图1所示。车顶和车身几何模型中的螺钉孔网格划分采用大划小忽略的原则，直径小于6 mm的螺钉孔直接忽略，6～10 mm的螺钉孔使用Washer 3 mm进行扩大，采用8节点的梯形网格进行划分。网格划分采用四边形网格，该划分能够在模拟时使有限元模型得到充分的变形。网格划分后进行边界条件的设定，为了仿真方便，对模型进行简化，将汽车有限元模型沿地面进行翻滚简化为一个平面对车顶进行挤压，不同的挤压速度模拟不同的翻滚速度，然后将模型导入LS-DYNA进行求解，用Hyperview对仿真结果进行查看。

3 有限元模型材料与边界条件

汽车车身的主要材料为钣金件，动态仿真软件大多采用LS-DYNA，在此接口下，车顶与ABC柱的材料都使用MATL24，但密度和弹性模量有一定的差别，车顶钣金件的密度为7.89e-9 t/mm3，而ABC柱是支撑车顶与车架的部分，硬度较高，其密度为7.92e-9 t/mm3。两个部分的弹性模量根据胡克定律和力学试验可约得为210 000 MPa；泊松比为网格的长宽比，泊松比大小决定着网格变形的难易程度，此仿真中，泊松比取0.3，即矩形网格的短边为长边的三分之一，较容易产生变形。

本研究以行驶速度为30 km/h和70 km/h汽车发生侧翻事故的情况作为研究工况，为了简化模型，以汽车有限元模型为参照物，设置一个墙体作为地面，墙体以30 km/h和70 km/h的速度对车顶和ABC柱的连接处进行挤压，模拟车辆翻滚时车辆与地面的碰撞挤压。墙体与汽车有限元模型碰撞时的角度对仿真结果的影响较大，本研究对墙体与车顶夹角45°的情况进行研究。此情况下车顶的受力较为集中，能够得出该侧翻情况下车顶变形的极限值。

4 仿真结果

本研究选取仿真过程中3 ms和7 ms的情况，如图2所示，图2(a)所示为汽车以30 km/h的速度行驶、侧翻3 ms时车顶和ABC柱的变形量，最大变形位置在车顶与B柱连接部分的周围，变形量最大为65.9 mm。图2(b)所示为汽车以70 km/h的速度行驶，车顶与ABC柱的变形量更大，最大值为98.9 mm。图2(c)是行驶速度30 km/h的汽车在7 ms时的变形状态，与同速度的3 ms相比，其最大变形量为115 mm。图2(d)为行驶速度70 km/h的汽车在7 ms时的变形量，最大变形量为143 mm，远远超过车顶变形的安全范围。

图2 侧翻仿真结果

根据仿真结果进行分析，侧翻时主要变形区域为ABC柱，导致上边梁侵入生存空间，使得车顶向内凹陷，一般乘员的头顶与车顶之间的距离不超过100 mm，上半身较长的人头顶与车顶的距离可能只有30 mm左右，因此一旦发生侧翻，车速为30 km/h的汽车即可对人的头部造成严重的损伤，一旦在高速公路行驶车辆发生侧翻，汽车车顶的瞬间严重变形会对人的头部造成瞬间剧烈冲击和震荡。

5 仿真优化

目前，仿真软件很多，包括ADAMS、LS-DYNA等，其技术已经较为成熟，仿真的精度较高，但仿真与实际情况仍然存在一定的差距，提高仿真的精度有助于对侧翻碰撞进行深入精确化研究。以下列举几个提高仿真精度的方案。

方案一：建立汽车有限元模型时，可以对控制卡片中的DE-FORMABLE_TO_RIGID_AUTOMATIC这一关键词进行设定，从地面与汽车有限元模型接触的瞬间起，汽车内部的柔性体，如座椅和装饰品转变为刚体，刚体碰撞时的计算时间远比柔性体的计算时间短。

方案二：侧翻碰撞过程遵循能量守恒定律和动量守恒定律，在与地面碰撞的瞬间，碰撞前汽车的势能和汽车翻滚时的动能与碰撞后两者之和不相等，因为在碰撞的瞬间，地面和车身会有摩擦而产生能量损失。

6 汽车侧翻安全性优化

由仿真结果可知，侧翻过程中B柱和B柱与车顶连接处的变形量最大，因此这两部分是侧翻碰撞的主要吸能区和变形区。减少汽车侧翻事故发生率可以从汽车本身的结构优化方面进行改进或设置外界保护系统。

为降低汽车的侧翻发生率，可以适当降低汽车整体的重心，使汽车在行驶过程中更加平稳[1]；适当增加前轮与后轮、两侧轮子之间的距离，即适当增加汽车底盘的面积也可降低侧翻的可能性。但由于汽车零部件是标准件，因此改变汽车的结构还需要根据相关标准来进行[2-3]。

现阶段较为经济和有效的方法是在汽车系统中安装防侧翻的主动安全系统，常用的是电子稳定系统(Electronic Stability Program，简称 ESP)和防侧翻稳定性控制(Roll Stability Control，简称 RSC)。电子稳定系统包含防抱死刹车系统(ABS)和驱动轮防滑系统(ASR)，它是两种系统上的一种延伸功能，在增加驾驶员对汽车操控性能的同时可以有效地防止汽车在极限状态下失控，在根本上提高汽车的安全性和可控性，同时可以减少汽车发生侧翻的几率。电子稳定系统由电子控制单元(ECU)、传感器和执行装置三大部分组成，通过轮速传感器、方向盘转角传感器、侧向加速度传感器、横摆角速度传感器、制动主缸压力传感器等测量出汽车当前的运行情况并转化为数字信号，数字信号输入给处理器，处理器对执行器发出执行的命令，从而对汽车动力系统进行控制。其主要对汽车纵向和横向稳定性进行控制，保证汽车按照驾驶员的意识行驶。防侧翻稳定性控制是基于ABS 的防侧翻稳定性控制，相对于电子稳定系统而言，它主要应用于高附着系数路面，相对成本较低，而且也较容易实现。防侧翻稳定性控制是在RSC 系统的电控单元中加入一个横向加速度传感器，实时测量汽车的横向加速度，并计算临界加速度限制，当横向加速度接近这一临界点时，系统就会激活原有的 ASR 电磁阀和驱动桥的 ABS 电磁阀，对驱动桥进行制动，降低车速，从而提高汽车的行驶稳定性，并且RSC 系统会通过 CAN 总线同时控制发动机和缓速器的输出扭矩，有效避免翻车事故的发生[4]。

7 结论

采用Solid Works进行车顶与ABC柱的几何建模，几何模型导入到Hypermesh中进行前处理，划分钣金件网格、边界条件设置和控制卡片设置等，导出k文件，使用LS-DYNA求解，得出了行驶速度30 km/h和70 km/h的汽车翻滚时车顶及ABC柱的变形情况，通过对变形情况进行分析，可以得出不同速度汽车侧翻后不同时间内乘员不同的损伤情况。

本研究分析了以30 km/h速度和以70 km/h速度行驶汽车侧翻的情况，在后续研究中，可以从以下几个方面进行改进和深入研究。

(1)多次改变汽车有限元模型中墙体对汽车的碰撞速度，即汽车侧翻时的速度，得出速度和车身上某点变形量的关系曲线图。

(2)本研究只对车顶和ABC柱进行了建模，为了使仿真结果更加精确，后续研究可以增加汽车几何模型零部件的数量以及汽车内部的装饰物，以达到仿真结果的精确化。

(3)本研究仅使用了位移云图来表现车身侧翻时的变形量，后续研究可以使用散点曲线图，在同一速度下，取车身上不同位置的变形量进行分析，可以得出坐标位置与变形量的曲线图，与改进方案相结合，使研究更加深入完整。

(4)采用Hypermesh进行网格前处理，网格划分的质量决定着仿真结果的精细程度，本研究使用10 mm×10 mm的网格进行划分，为了使仿真结果更加精准，后续研究可采用更小的网格。