汽車正面碰撞的LS-DYNA 3D模擬仿真

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

摘要:本文應(yīng)用LS-DYNA3D軟件對(duì)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(huì)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(jì)算機(jī)仿真碰撞安全性T
1 前言

隨著我國(guó)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(cái)產(chǎn)損失近年來(lái)呈上升趨勢(shì),如何提高汽車在碰撞過(guò)程中的被動(dòng)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(guó)汽車被動(dòng)安全性研究的重要課題。

近年來(lái),我國(guó)汽車(特別是轎車)被動(dòng)安全性強(qiáng)制性法規(guī)的逐步實(shí)施,對(duì)汽車整車耐碰撞性能的要求也愈來(lái)愈高,從設(shè)計(jì)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(shí)找出結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)上的缺陷,從而提高汽車結(jié)構(gòu)耐碰撞性能,降低試驗(yàn)和試制費(fèi)用,提高產(chǎn)品的競(jìng)爭(zhēng)能力。因此,本文應(yīng)用LS-DYNA3D軟件對(duì)某開發(fā)設(shè)計(jì)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(shí)際車輛碰撞試驗(yàn)變形的錄像結(jié)果相符合,說(shuō)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(jì)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(jì),提高汽車被動(dòng)安全性能,從而縮短開發(fā)周期,降低開發(fā)費(fèi)用,提高市場(chǎng)競(jìng)爭(zhēng)能力。

2 汽車碰撞數(shù)值模擬方法

汽車在實(shí)際使用過(guò)程發(fā)生碰撞時(shí),汽車的運(yùn)動(dòng)軌跡以及車內(nèi)乘員的運(yùn)動(dòng)狀態(tài)往往十分復(fù)雜,因此運(yùn)動(dòng)方程式的建立和求解也都很復(fù)雜。故在碰撞計(jì)算時(shí)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(jì)算速度,同時(shí)在計(jì)算中對(duì)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(shí),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(guò)程,這種結(jié)構(gòu)在計(jì)算時(shí)要同時(shí)考慮材料、幾何、接觸、摩擦等多種非線性因素的影響,實(shí)際結(jié)構(gòu)中的加強(qiáng)板重疊、焊點(diǎn)排列、凸起和凹槽等細(xì)節(jié)也會(huì)影響載荷和變形的傳遞路徑。這些參數(shù)及問(wèn)題的有效處理與解決,是建立合理計(jì)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(shí),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(shí)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(guò)程中,人和車的運(yùn)動(dòng)規(guī)律不同,再加上激烈碰撞時(shí)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(wèn)題求解復(fù)雜化。所以,汽車碰撞的計(jì)算機(jī)模擬研究宜用有限元方法研究汽車碰撞過(guò)程中車身變形及動(dòng)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(guò)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(xiǎn)杠總成、前艙、發(fā)動(dòng)機(jī)罩和前圍板等總成部件。由于整車碰撞模擬計(jì)算耗時(shí)費(fèi)力,所以從簡(jiǎn)化問(wèn)題、縮短分析周期考慮,可對(duì)重點(diǎn)關(guān)心的主要吸能結(jié)構(gòu)件建立模型,進(jìn)行碰撞計(jì)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(yùn)動(dòng)的高度非線性問(wèn)題,結(jié)構(gòu)件運(yùn)動(dòng)過(guò)程的接觸狀況及連接剛度對(duì)計(jì)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(duì)碰撞能量的吸收再將部件從汽車上分離出來(lái)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(dòng)機(jī)罩、前保險(xiǎn)杠、發(fā)動(dòng)機(jī)、車輪、專項(xiàng)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(guò)點(diǎn)焊方式將零部件連為整體,前保險(xiǎn)杠為塑料件,發(fā)動(dòng)機(jī)與正面剛性墻定義為剛性材料。根據(jù)結(jié)構(gòu)特點(diǎn),分別采用薄殼單元、塊體單元、梁?jiǎn)卧M(jìn)行網(wǎng)格劃分,焊點(diǎn)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(shí),這些部件做了適當(dāng)加密,同時(shí)對(duì)所有可能的碰撞接觸零部件之間都定義了接觸運(yùn)動(dòng)關(guān)系,以反映結(jié)構(gòu)件的實(shí)際首例和變形狀態(tài)。結(jié)構(gòu)網(wǎng)格劃分所用單元為L(zhǎng)S-DYNA3D軟件和BELYTSCHKO-TSAY非線性薄殼單元,HUGHES-LIU梁?jiǎn)卧腿S實(shí)體單元,整個(gè)模型共劃分有結(jié)點(diǎn)77505個(gè),單元74000個(gè)。

圖1 汽車碰撞模擬有限元網(wǎng)格

模擬仿真汽車運(yùn)動(dòng)速度為48km/h,碰撞時(shí)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(shí)際車輛碰撞試驗(yàn)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(yàn)結(jié)果錄像
圖3 模擬結(jié)果與試驗(yàn)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(jiàn):在碰撞前半程,前艙結(jié)構(gòu)、發(fā)動(dòng)機(jī)罩、保險(xiǎn)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(shí),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(shí)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(shí)發(fā)動(dòng)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(duì)駕駛員產(chǎn)生碰撞沖擊。因此,從碰撞安全性能考慮,國(guó)外已有法律規(guī)定轉(zhuǎn)向機(jī)系統(tǒng)的前后移動(dòng)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(jiàn)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(jì)有待于進(jìn)一步改進(jìn)和完善。

3.4 試驗(yàn)驗(yàn)證

由圖3可見(jiàn):實(shí)際車輛碰撞試驗(yàn)結(jié)果錄像的變形趨勢(shì)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(jiàn):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(shí)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(dòng)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(duì)汽車部件進(jìn)行改進(jìn)設(shè)計(jì)。由圖6可見(jiàn),碰撞時(shí)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(jì)應(yīng)加以改進(jìn),以能確保其在給定移動(dòng)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(duì)簡(jiǎn)單的一種情況,在實(shí)際使用中較常見(jiàn)且危險(xiǎn)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(duì)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(jiàn):結(jié)構(gòu)及其前保險(xiǎn)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(shí),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(dòng)機(jī)及前圍板發(fā)生接觸干涉。由于發(fā)動(dòng)機(jī)左右兩側(cè)變形不同步,造成發(fā)動(dòng)機(jī)與前圍板的實(shí)際接觸范圍較小,這容易給乘坐室?guī)?lái)較大的沖擊。很顯然,正面偏碰撞的危險(xiǎn)性及對(duì)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(shí)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(dòng)機(jī)等前艙部件對(duì)乘坐艙的侵入,從而造成對(duì)乘員的傷害。這實(shí)在結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)時(shí)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(duì)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(shí)際車輛正面碰撞試驗(yàn)結(jié)果驗(yàn)證了模擬仿真結(jié)果,兩者變形趨勢(shì)一致,可見(jiàn)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?yàn)樗鼤?huì)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(jì)還有進(jìn)一步改進(jìn)的潛力。

5 結(jié)束語(yǔ)

通過(guò)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(gè)碰撞模擬分析模型經(jīng)過(guò)了實(shí)際車輛碰撞試驗(yàn)的驗(yàn)證,因此,可以用來(lái)對(duì)結(jié)構(gòu)進(jìn)行碰撞性能預(yù)測(cè)分析。通過(guò)模擬仿真,能夠的到車輛部件在碰撞過(guò)程中的動(dòng)態(tài)變性信息,能量消耗和分布情況及失效過(guò)程,這些參數(shù)信息對(duì)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的優(yōu)先,減少設(shè)計(jì)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(shí)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(guó)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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