應用計算機仿真技術改善商用車吸能結構的研究.doc

應用計算機仿真技術改善商用車吸能結構的研究金先龍，張曉云 艾偉權 孫毅 祁文國 周長英 王世達 （1上海交通大學，上海 200030，中國；2上海汽車工業(yè)技術中心）摘要本文主要描述了通過非線性有限元的分析方法來模擬仿真商用車前方正面撞擊的結果。當汽車以50km/h的速度和80km/h的速度正面撞擊時，動態(tài)響應就能顯示出來。在設計的發(fā)展階段，前保險杠的結構是經(jīng)過優(yōu)化的，因此它在碰撞中吸收的能量也是有顯著增加的。在整車的測試階段，仿真的數(shù)據(jù)預測到發(fā)動機蓋的鉸鏈在碰撞過程中會發(fā)生斷裂，這也已經(jīng)在測試環(huán)節(jié)被驗證。發(fā)動機罩上的鉸鏈失效對司機和行人來說都是危險的。因此，根據(jù)仿真，發(fā)動機蓋鉸鏈的設計要從結構和原材料上進行修正。發(fā)動機蓋的變形模式得到顯著改善。關鍵詞：防撞性、仿真、改善、有限元分析方法1引言縱觀全球交通事故是嚴重的社會問題，但是在中國尤其嚴重，盡管在中國汽車的人均占有率不高，但是交通事故引發(fā)的意外傷亡事故卻出奇的高。因此提高汽車的安全性能是迫不及待的事情。汽車結構必須適應駕駛者的生理和心理特征并且汽車的整體結構必須根據(jù)人體的特殊性來設計。而且車身結構應該有能力吸收足夠多的碰撞能量。當使用傳統(tǒng)方法時，為了找出一些特殊零件的缺陷時不得不執(zhí)行許多測試，然后才能對它們進行改進。為了消除帶來的這種誤差，需要改進這種方法，這是很耗費時間的。汽車工業(yè)關于碰撞事件的仿真起始于16年前，大眾polo正面碰撞在一臺CRAY計算機上用PAMCRASH成功進行了仿真。幾乎在同一時間，所有的主流汽車制造企業(yè)都使用碰撞仿真方法來評估他們汽車防撞性的設計。計算機仿真技術可以有效的在汽車設計的初期階段和后期的設計改善階段為其提供充足的的數(shù)據(jù)。在本文中，應用非線性有限元方法對一輛商用汽車進行了了計算機仿真。通過兩種不同速度下的碰撞仿真獲得了，車身的整體變形量、主要零件的碰撞特性和車身的減速度等數(shù)據(jù)。通過分析這些數(shù)據(jù)，可以找到一些故障以及對其實施相應的改進。正面碰撞測試和轉(zhuǎn)向系統(tǒng)測試的真實測試結果與仿真出來的結果表現(xiàn)出了合理的一致性。2有限元模型汽車碰撞是一個相當復雜的機械問題。在1985年之前，由于計算機軟硬件條件的限制，計算機仿真大多使用簡單的模型來仿真，所以仿真結果不能滿足汽車設計者的實際需要。計算機技術的非線性有限元軟件飛速發(fā)展，使得整車碰撞仿真成為可能。2.1車身的有限元模型車輛模型是先拆解成幾個主要團體分組：車架，前內(nèi)空間，前擋風，駕駛艙，車門，車底盤等。每個組件的三維幾何數(shù)據(jù)，可使用Unigraphicsl6.0和CaTIA獲得。接下來，這些數(shù)據(jù)被導入到HYPERMESH 5.0來進行模型組合。最后，該模型被翻譯成LS-DYNA的輸入文件。眾所周知，我們整車建模的工作量是非常巨大的，汽車總的結構超過100件，它們由接頭連接（包括點焊，電弧焊接），螺栓連接，鉚釘連接和粘合劑粘合。 許多類型的元素被用來描述幾何形狀，連接性能等，包括殼單元，梁單元，桿單元，六面體單元，彈簧單元，當一具體情況出現(xiàn)時，剛性節(jié)點和具體的焊接節(jié)點可能失效。在這個模擬仿真中沒有涉及到發(fā)動機的變形，此時把發(fā)動機當做剛性零件。車門和身體經(jīng)過鉸鏈和門鎖連接。圖1是該商用車的有限元模型。圖1 商用車的有限元模型 圖2假人有限元模型2.2乘員約束系統(tǒng)FE模型3-D假人模型用于模擬在完全正面碰撞中乘員是的動態(tài)行為。模型的所有部件都用球形和旋轉(zhuǎn)接頭來連接。圖2顯示了假人的有限元模型。3 仿真結果與仿真依據(jù)國家碰撞標準，仿真應在兩種不同的速度下來進行。3.1低速（8km/h）碰撞仿真作為主要吸收能量的一部分，保險杠在碰撞安全中起著巨大的作用，尤其是在低速碰撞更為重要。保險杠的動力學響應指的是，位移（或變形），速度，加速度和沖擊力等參數(shù)的時間歷程。 LS-DYNA在這項研究中的使用對分析和估價保險杠在低速碰撞時的動力學響應是非常有幫助的。據(jù)保險杠碰撞標準，制動必須在碰撞時釋放，這意味著，在模擬仿真中沿撞擊方向的運動是完全不受約束的。在開始的時候，車輛行駛速度為2。 2米/秒（8公里/小時）不同形狀的保險杠變形的圖形如圖3和圖4所示的。 雖然可看出保險杠主要變形是的塑性變形（最大相對于車身的位移約110毫米），并主要變形在保險杠支架，模擬結果表明，碰撞后保險杠系統(tǒng)仍然是可用的。這意味著，這輛車耐撞性是相當不錯的。從上面的圖4可看出，變形主要發(fā)生在保險杠和保險杠支架上，在其他部件上僅是有些剛性位移。因此，可以斷定在低速碰撞過程中保險杠吸收大部分的能量。3.2高速碰撞仿真3.2.1 車身碰撞分析圖3 保險杠變形 圖4低速碰撞時的車身變形通過計算機模擬，它可以清楚地看到，在車體的前端有一個重大的變形在A柱后有輕微的變形（見圖5）。所以在碰撞安全性設計時主要應該考慮車架前部結構的能量吸收能力。此外，由圖顯示的汽車結構變形中，發(fā)動機向后和向下部移動了，這有利于保障駕駛室的完整性。圖5 汽車前部構造的變形3.2.2乘員約束系統(tǒng)的碰撞分析3D假人模型被用于碰撞仿真中，假人的動態(tài)特性如圖6所示。隨著FE軟件功能的不斷拓展，內(nèi)部成員的主要部位的位移，速度，加速度都能通過仿真獲得，然后假人的HIC數(shù)據(jù)也能通過軟件被計算出來。圖6 假人的動態(tài)響應4 基于碰撞安全性改善結構設計依據(jù)仿真的結果可以通過重新設計車體結構，選擇合適的斷面形狀和選擇合適的材料來對汽車的結構進行優(yōu)化。4.1改善汽車前縱梁的設計車身結構的安全性能在于維持沖擊力，碰撞變形和吸收碰撞能量的能力。一個“好”車身結構意味著在變形的初始階段，該結構可承受相當大的沖擊力和吸收足夠多的碰撞能。這也意味著，它能夠滿足國家乘員碰撞條例并且能在車身發(fā)生變形后，可以給乘員足夠的生存空間。 一些研究表明，前部構造吸收碰撞能和減速度控制的能力的關鍵點在于合理的碰撞順序。這意味著，第一保險杠系統(tǒng)將有一個塑性變形吸收一定的能量并且前縱梁碰撞過程中的完全變形，這些都使得身體中部結構變形很小或者不發(fā)生變形。在設計的發(fā)展階段，前縱梁的變形模式與仿真模擬的結果不相符。碰撞變形只在少有的幾個部件上發(fā)生，在其余部件上發(fā)生的是褶皺變形，這不利于碰撞能量的吸收。由于前縱梁的空間和形狀的限制，設計上做較大的改動是不可能的。為了提高碰撞能量的吸收特性，不同種類的的變形應按下圖所示加以控制：在發(fā)生折疊變形地方通過增加鋼板厚度和施鋼加強筋，這樣可以減少變形的形狀，這種方法在國內(nèi)和國外都已成功的加以應用。 結構的改善是一個審慎的和持續(xù)的糾錯過程。在確保重新設計成本最低的前提下，需要嘗試不同的設計，并且做比較，選擇最好的一個。之后應進行碰撞試驗對該設計方案進行評估。應該提到的是前縱梁的重新設計不應影響發(fā)動機在碰撞過程中的運動方向，這意味著發(fā)動機不應該進入駕駛室。以這輛商用車為例，改善車輛設計的主要方法如下：1）在發(fā)生折疊變形的地方，控制彎曲的變形2）通過在容易發(fā)生折疊變形的地方增加鋼板的厚度或者應用加強筋來改善前輪吸收變形能量的能量。因為考慮到發(fā)動機位置的限制，可行的方法是在前輪罩的上方和前方的部位之間放置加強筋。圖7展示了上述改善設計。當把改善之后的設計與之前的設計做比較時，前縱梁吸收碰撞能的不同特性如圖8所示。加強筋不僅自身可以吸收碰撞能，而且還能改善前輪罩和前縱梁吸收碰撞能量的能力。圖7 前縱梁的改善設計 圖8吸收能量的比較4.2發(fā)動機罩的改善設計盡管前縱梁的設計已經(jīng)得到改善，但是在制造整車后仍能發(fā)現(xiàn)一些影響安全性的不良因素（1）如圖9所示，在車輛跟剛性墻碰撞后的25ms后，發(fā)動機罩鉸鏈發(fā)生斷裂，這一現(xiàn)象已經(jīng)被實驗所證實。（2）發(fā)動機罩的變形模式并不理想，因為由于它本身具有較大的剛度，導致沒有主要的變形發(fā)生。 T=19ms T=26ms圖9鉸鏈斷裂過程的仿真鉸鏈的斷裂會以如下兩種方式影響汽車的安全性：首先，因為撞擊的速度很高，在發(fā)動機罩鉸鏈斷裂后，發(fā)動機罩會直接飛入到駕駛室，這對汽車里面乘員的生命來說師是個巨大的威脅。其次，鉸鏈的斷裂會影響碰撞能量的吸收，這可能會導致加速車體分離的危險。McNa等人發(fā)現(xiàn)，像前縱梁，前端面板和引擎蓋這樣的金屬板材，在車輛正面碰撞過程中是主要吸能的部件 。這些部件吸收的碰撞能量占總數(shù)的近50。尤其是在正面碰撞的初始階段，大部分的能量都被這些部位吸收。因此，鉸鏈的斷裂，會使發(fā)動機罩的變形不完全，大大影響汽車安全性能。T=55ms圖10 車輛變形的模擬仿真有兩個主要原因，導致鉸鏈斷裂。一個是發(fā)動機罩外部和內(nèi)部鋼板有巨大的剛度，另一個是鉸鏈的強度低。4.2. 1改進和比較 為了使得安全性能更好，對原設計在結構上和材料上作出了一些改進。通過計算機仿真對很多種情況做進行了比較。（1）結構上的改進：減少發(fā)動機罩面板外脊的高度，并在其內(nèi)部的一些面板剪裁材料，以減少剛度。 （如圖11）首先批準處理的可行性，然后ANSYS軟件的結構模塊被用來計算剛度（靜態(tài)）在不同情況下（不同的開孔和在內(nèi)部面板上各自不同的位置和方向），最后選擇最優(yōu)的模式來替代之前的設計方案。（2）零件材料的改進：用高強度鋼板改變鉸鏈的材料（其在更高的高速撞擊下的動態(tài)參數(shù)由供應商提供）仿真結果表明結構的改善，可以使發(fā)動機罩在碰撞過程中的碰撞變形模式更好，并且可以推遲鉸鏈斷裂時間。對材料的改進，可以確保鉸鏈不會斷裂，如果在鉸鏈附近有明顯彎曲，這意味著變形模式?jīng)]有改變。 （圖12.(a）（a）原設計內(nèi)部面板的FE模型 （b）新設計內(nèi)部面板FE模型圖11改善內(nèi)部面板T=96ms T=90ms圖12車輛變形仿真當同時結合兩方面的改進時，圖表明，彎曲從前面的引擎蓋三分之一處出現(xiàn)（圖12（b）。模式變形得到了很大改善，而且鉸鏈不再斷裂了。 改進后吸收的能量也顯著增加。圖13是碰撞力與時間在以下三種不同情況下的示意圖：（1）原結構與原材料（2）新結構與原材料（3）新結構與新材料。 由此可以看出，當結合兩方面的改進時，吸收的能量大增、將近100% 。與此同時變形持續(xù)的時間從30ms增加到65mS。 改進后車身受到的力量也大大減少，如圖所繪在圖14中，三個情況幾乎在同一時間出現(xiàn)最大力值，表明車身前端結構的失效模式幾乎是相同的。結構設計好或不好，通過碰撞力峰值的數(shù)量級會反映出來。從圖14可以看出，與原設計相比第三種情況峰值力下降將近40。圖13 吸收碰撞能的比較 圖14車身受力的比較5 結論利用有限元方法，本文研究了商用車的正面碰撞仿真。分析了不同速度下兩個不同的吸收碰撞能量的部件的性能，保險杠和前縱梁。在這些研究的基礎上，對前縱梁進行了優(yōu)化設計。另一方面，通過計算機仿真發(fā)現(xiàn)了發(fā)動機罩鉸鏈斷裂的安全隱患，這一點在汽車碰撞試驗中得到了驗證。發(fā)動機罩鉸鏈的斷裂不僅威脅司機和乘客的生命安全，同時也降低了發(fā)動機罩對碰撞能量的吸收。 對車輛設計在結構和材料上進行改進。仿真結果表明，改進可以防止鉸鏈斷裂也可以改變發(fā)動機罩的變形模式，對碰撞能量的吸收增加了將近100%。 當利用計算機仿真方法時，可以在設計的初始階段發(fā)現(xiàn)問題。同時碰撞測試的時間也減少了，因此也節(jié)省了費用。從本文可以得出以下結論，仿真技術具有重大的理論意義，應充分應用到汽車的設計過程中。致謝筆者想感謝中國國家自然科學基金（編號60174023）和中國教育部博士點基金（編號：20010248008）的財政支持。參考文獻【1】Zhong Zhihua. Finite Element Method in crashworthiness Analysis of AutomobilesJ. Automotive Engineering, 1994, 16(1)6.【2】Zhu Xichan. An Analysis on Automotive Frontal Crash Test Regulation and its TendencyJ.Automotive Engineering, 2002, 24(1):1 5.【3】Marc Philipps，Lothar Patberg, Ralph Dittmann. Structural Analysis and Testing of Composites in Automotive Crashworthiness Application. SAE, 981140.【4】Sabah U, Stan G. Chris A, et al. A Study of Commercial Vehicle Safety Alliances Out of Service CriteriaJ. Accident Analysis and Prevention.1998, 30(1):6167【4】Bahig Fileta, Xinxin Liu. Intrusion Factors and Their Effects on Steering Column Movements During Vehicle Frontal Impact Testing. SAE, 970573.【5】Ragland C, Klemer G. Intrusion Effects on Steering Assembly Performance in Frontal Crash TestingA. Proceedings of