汽車正面碰撞的LS-DYNA 3D模擬仿真

2016-10-21 by:CAE仿真在線來源:互聯(lián)網(wǎng)

摘要:本文應(yīng)用LS-DYNA3D軟件對某轎車進(jìn)行了正面全寬碰撞和正面偏置碰撞數(shù)值模擬仿真。仿真分析結(jié)果表明:正面偏置碰撞會引起更大的乘員室侵入量和嚴(yán)重或致命的傷害。

關(guān)鍵詞:汽車正面碰撞計算機(jī)仿真碰撞安全性T
1 前言

隨著我國道路交通狀況的不斷改善,交通事故總量和所造成的人員傷亡與財產(chǎn)損失近年來呈上升趨勢,如何提高汽車在碰撞過程中的被動安全性能,最大限度地避免或減輕乘員在汽車碰撞中的傷亡將成為我國汽車被動安全性研究的重要課題。

近年來,我國汽車(特別是轎車)被動安全性強(qiáng)制性法規(guī)的逐步實施,對汽車整車耐碰撞性能的要求也愈來愈高,從設(shè)計角度考慮,希望能在開發(fā)階段即預(yù)知汽車結(jié)構(gòu)碰撞安全性能是否滿足法規(guī)的要求。同時找出結(jié)構(gòu)設(shè)計上的缺陷,從而提高汽車結(jié)構(gòu)耐碰撞性能,降低試驗和試制費用,提高產(chǎn)品的競爭能力。因此,本文應(yīng)用LS-DYNA3D軟件對某開發(fā)設(shè)計的轎車在正面碰撞和正面偏置碰撞(50%偏置壁障)條件下進(jìn)行了模擬仿真分析。碰撞模擬分析結(jié)果與實際車輛碰撞試驗變形的錄像結(jié)果相符合,說明碰撞數(shù)值模擬分析結(jié)果是可信的。模擬仿真結(jié)果表明,利用計算機(jī)仿真技術(shù)進(jìn)行汽車碰撞研究可以完善結(jié)構(gòu)設(shè)計,提高汽車被動安全性能,從而縮短開發(fā)周期,降低開發(fā)費用,提高市場競爭能力。

2 汽車碰撞數(shù)值模擬方法

汽車在實際使用過程發(fā)生碰撞時,汽車的運動軌跡以及車內(nèi)乘員的運動狀態(tài)往往十分復(fù)雜,因此運動方程式的建立和求解也都很復(fù)雜。故在碰撞計算時一般都利用顯式格式的全降階積分有限元算法,避免大型聯(lián)立方程組求解,提高單元的計算速度,同時在計算中對全降階積分產(chǎn)生的單元零能變形模式加以控制。轎車正面與障礙壁碰撞時,主要吸能結(jié)構(gòu)件的碰撞屬于薄壁構(gòu)件和板金件的壓塌、失穩(wěn)、撕裂、彎曲失效等非線性大變形吸能過程,這種結(jié)構(gòu)在計算時要同時考慮材料、幾何、接觸、摩擦等多種非線性因素的影響,實際結(jié)構(gòu)中的加強(qiáng)板重疊、焊點排列、凸起和凹槽等細(xì)節(jié)也會影響載荷和變形的傳遞路徑。這些參數(shù)及問題的有效處理與解決,是建立合理計算模型并成功進(jìn)行整車碰撞數(shù)值模擬的基礎(chǔ)和關(guān)鍵。

在建立整車仿真模型時,因涉及的零部件較多,故如何建立這些部件的數(shù)學(xué)模型和確定相應(yīng)的結(jié)構(gòu)參數(shù),從而使模型的碰撞特性與實際車輛碰撞結(jié)果相吻合不但十分復(fù)雜,而且工作量很大。由于碰撞過程中,人和車的運動規(guī)律不同,再加上激烈碰撞時車身發(fā)生大變形并引起儀表板、前圍板等零部件侵入乘客室內(nèi),減少了人體與室內(nèi)物體的距離,也使問題求解復(fù)雜化。所以,汽車碰撞的計算機(jī)模擬研究宜用有限元方法研究汽車碰撞過程中車身變形及動態(tài)響應(yīng);若條件具備可進(jìn)行人體在多種碰撞條件下響應(yīng)的研究。

在汽車正面碰撞過程中,通常只有一部分結(jié)構(gòu)發(fā)生大變形失效,主要吸能盒失效結(jié)構(gòu)為前保險杠總成、前艙、發(fā)動機(jī)罩和前圍板等總成部件。由于整車碰撞模擬計算耗時費力,所以從簡化問題、縮短分析周期考慮,可對重點關(guān)心的主要吸能結(jié)構(gòu)件建立模型,進(jìn)行碰撞計算。需要注意的是:汽車結(jié)構(gòu)碰撞分析屬于大變性接觸運動的高度非線性問題,結(jié)構(gòu)件運動過程的接觸狀況及連接剛度對計算結(jié)果有著重要的影響,有文獻(xiàn)研究也指出:汽車受碰撞部件的塌陷模式及對碰撞能量的吸收再將部件從汽車上分離出來和包括在汽車上兩種情況下有很大區(qū)別。

3 汽車正面碰撞仿真模擬

3.1 有限元模型

在轎車白車身有限元模型的基礎(chǔ)上,加上發(fā)動機(jī)罩、前保險杠、發(fā)動機(jī)、車輪、專項機(jī)構(gòu)和方向盤總成部件,建立了整車碰撞模擬分析的有限元模型。車身結(jié)構(gòu)主要通過點焊方式將零部件連為整體,前保險杠為塑料件,發(fā)動機(jī)與正面剛性墻定義為剛性材料。根據(jù)結(jié)構(gòu)特點,分別采用薄殼單元、塊體單元、梁單元進(jìn)行網(wǎng)格劃分,焊點和螺栓將其他緊固連接用剛性單元模擬。由于轎車前部為主要碰撞變形區(qū)域,故網(wǎng)格劃分時,這些部件做了適當(dāng)加密,同時對所有可能的碰撞接觸零部件之間都定義了接觸運動關(guān)系,以反映結(jié)構(gòu)件的實際首例和變形狀態(tài)。結(jié)構(gòu)網(wǎng)格劃分所用單元為LS-DYNA3D軟件和BELYTSCHKO-TSAY非線性薄殼單元,HUGHES-LIU梁單元和三維實體單元,整個模型共劃分有結(jié)點77505個,單元74000個。

圖1 汽車碰撞模擬有限元網(wǎng)格

模擬仿真汽車運動速度為48km/h,碰撞時間歷程為80ms,仿真結(jié)果數(shù)據(jù)應(yīng)用LSPOST軟件(LS-DYNA3D專用后處理程序)進(jìn)行了處理。

3.2 正面全碰撞模擬仿真

圖2為整體變形結(jié)果,圖3為模擬仿真結(jié)果與實際車輛碰撞試驗結(jié)果錄像的比較,圖 4為前艙部分的碰撞模擬變形結(jié)果,圖5為模擬仿真吸能結(jié)構(gòu)件碰撞力的變化曲線。圖6為碰撞能量變化曲線。

t=20 ms t=50 ms
圖2 整車碰撞變形

模擬結(jié)果試驗結(jié)果錄像
圖3 模擬結(jié)果與試驗結(jié)果的比較

t=20 ms t=50 ms

圖4 前艙結(jié)構(gòu)碰撞變形

圖5 碰撞力變化曲線圖6 能量變化曲線

3.3碰撞變形
由圖2、圖4可見:在碰撞前半程,前艙結(jié)構(gòu)、發(fā)動機(jī)罩、保險杠總成等部件發(fā)生較大的彈塑性變形,由此吸收消耗能量,這時,乘坐室變性較小,當(dāng)前艙結(jié)構(gòu)變形達(dá)到最大值(約40ms時刻)后,乘坐室開始產(chǎn)生一定的形變,主要發(fā)生在前圍板總成和方向盤上,此時發(fā)動機(jī)已與乘坐室前段的前圍板等部件發(fā)生碰撞接觸,這些造成了方向盤的后移,從而對駕駛員產(chǎn)生碰撞沖擊。因此,從碰撞安全性能考慮,國外已有法律規(guī)定轉(zhuǎn)向機(jī)系統(tǒng)的前后移動量需要限制在一定范圍之內(nèi),以保持乘坐室的完整性,并可能見效乘坐員在乘坐室空間限制范圍內(nèi)的碰撞速度。從模擬仿真結(jié)構(gòu)看:吸能結(jié)構(gòu)件設(shè)計有待于進(jìn)一步改進(jìn)和完善。

3.4 試驗驗證

由圖3可見:實際車輛碰撞試驗結(jié)果錄像的變形趨勢與模擬仿真結(jié)果一致,表明模擬仿真結(jié)果可信。

3.5 碰撞作用力

由圖5可見:在碰撞前半程,碰撞作用力增加較快,直至碰撞變形達(dá)到最大值;在20ms時刻后,吸能結(jié)構(gòu)件的碰撞力就逐漸減小,這表明結(jié)構(gòu)變形部位正在逐漸向后移動至前圍板、轉(zhuǎn)向機(jī)構(gòu)、方向盤及乘坐室前端部位,這是碰撞后期產(chǎn)生的變形。

3.6 碰撞能量

根據(jù)碰撞能量曲線,可對汽車部件進(jìn)行改進(jìn)設(shè)計。由圖6可見,碰撞時結(jié)構(gòu)變形能量吸收尚不夠充分,因此,汽車前艙吸能結(jié)構(gòu)件的設(shè)計應(yīng)加以改進(jìn),以能確保其在給定移動距離下獲得最大的能量吸收,從而使乘坐室在盡可能高的沖擊速度下免遭侵犯。

4 正面偏置碰撞模擬仿真

汽車正面全碰撞感性障礙物是相對簡單的一種情況,在實際使用中較常見且危險性更大的是正面偏置碰撞,即汽車在正面50%的寬度范圍撞向障礙壁,為比較這兩種情況的結(jié)構(gòu)變形差異,本文對汽車正面偏置碰撞剛性障礙物進(jìn)行了模擬仿真,這里只給出了前60ms的結(jié)構(gòu),圖7和圖8分別為整體和前艙部分的碰撞變形,圖9吸能構(gòu)建碰撞力的變化曲線。

t=20 ms t=50 ms
圖7 整體碰撞變形

t=20ms t=50ms

圖8 前艙結(jié)構(gòu)碰撞變形

圖9 碰撞力變化曲線

4.1 碰撞變形

由圖7和圖8可見:結(jié)構(gòu)及其前保險杠的變形極不均勻,發(fā)生碰撞的一側(cè)產(chǎn)生了較大的變形,由此吸收能量,而另一側(cè)的變形則較小。在碰撞初期,結(jié)構(gòu)變形不大;當(dāng)碰撞達(dá)到中后期時,隨著變形的不斷增大,結(jié)構(gòu)件的扭曲也愈加嚴(yán)重,使得發(fā)動機(jī)及前圍板發(fā)生接觸干涉。由于發(fā)動機(jī)左右兩側(cè)變形不同步,造成發(fā)動機(jī)與前圍板的實際接觸范圍較小,這容易給乘坐室?guī)磔^大的沖擊。很顯然,正面偏碰撞的危險性及對乘員的傷害要大于正面碰撞。

4.2 碰撞力

在碰撞前期除碰撞力峰值增大了10%意外,而此時正面偏碰撞的減速度峰值也比正面全碰撞增大不少,這表明偏碰撞的情況更易產(chǎn)生發(fā)動機(jī)等前艙部件對乘坐艙的侵入,從而造成對乘員的傷害。這實在結(jié)構(gòu)設(shè)計時需要給予足夠重視,并盡可能避免發(fā)生的情況。

4.3 小結(jié)

以上對汽車正面碰撞和正面偏置碰撞(50%)兩種情況進(jìn)行了模擬分析,應(yīng)用實際車輛正面碰撞試驗結(jié)果驗證了模擬仿真結(jié)果,兩者變形趨勢一致,可見模擬仿真結(jié)果是可信的。碰撞模擬結(jié)果表明:與正面全碰撞相比,正面偏碰撞情況更嚴(yán)重一些。因為它會引起更大的乘員室侵入量和嚴(yán)重或致命的傷害。此外,前艙吸能部件的結(jié)構(gòu)設(shè)計還有進(jìn)一步改進(jìn)的潛力。

5 結(jié)束語

通過整車碰撞模擬仿真分析,本文建立汽車碰撞數(shù)值模擬分析方法并形成了初步的工程應(yīng)用能力。這個碰撞模擬分析模型經(jīng)過了實際車輛碰撞試驗的驗證,因此,可以用來對結(jié)構(gòu)進(jìn)行碰撞性能預(yù)測分析。通過模擬仿真,能夠的到車輛部件在碰撞過程中的動態(tài)變性信息,能量消耗和分布情況及失效過程,這些參數(shù)信息對結(jié)構(gòu)設(shè)計的優(yōu)先,減少設(shè)計盲目性都是很有益處的。

由于整車碰撞模擬仿真屬高度非線性課題,其難度與復(fù)雜性均不言而喻,同時在假人模擬、氣囊模擬、側(cè)面碰撞模擬等方面還有很多研究工作需要開展,這些課題難度均較大,目前國內(nèi)還是空白,它是我們今后努力的方向和目標(biāo)。

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