汽車正撞臺車簡化模型建立的一種新方法

董立強 李光耀 陳 濤 高 暉

湖南大學汽車車身先進設計制造國家重點實驗室,長沙,410082

0 引言

在車輛碰撞安全性能開發設計中,計算機數值仿真方法得到了越來越多的應用,國外對碰撞仿真方法已進行了大量的研究,并取得了顯著的成效[1]。雖然計算機數值仿真在碰撞安全設計中得到了廣泛的應用,但碰撞試驗仍然是必不可少的。因為仿真模型要代替碰撞試驗,首先要和碰撞試驗取得一致性,這就需要有試驗數據的支持[2-3]。然而整車碰撞試驗面對制造和試驗周期長、成本高的問題,試驗次數受到很大的限制,臺架試驗是解決這個問題的一個好方法。臺架的制造成本低、周期短,試驗條件要求低,目前臺架碰撞試驗在國內外已有大量研究。裘新等[4]建立了以底盤系統為主的臺架有限元碰撞仿真模型來代替整車仿真模型,仿真計算結果與整車碰撞試驗結果基本一致;Zaouk等[5]為了驗證仿真模型,建立了白車身的碰撞試驗,把白車身固定到滑車上,并在A柱處用支架做了固定,雖然這種滑車試驗不能反映整車試驗情況,但他提出了一種有效的車身碰撞試驗方法;Kirkpatrick[6]建立了底盤和動力系統的臺架仿真模型,并進行了臺架碰撞試驗,臺架碰撞仿真結果和試驗結果取得了很好的一致性。以上建立的臺架模型均較簡單,沒有把影響碰撞結果的全部部件添加到模型中,而且建立這些臺架模型的目的只是為了驗證整車仿真模型,并沒有考慮如何用臺架試驗來代替整車試驗。王大志等[7]進行了車架沖擊試驗,把前車架的幾個結構安裝到臺車上進行碰撞試驗,車架試驗所得車體的減速度曲線與整車試驗結果吻合得較好,此方法只適合非承載式車身結構的汽車,對于前置后驅的車型,此方法不適用,但還是提出了一種用車架碰撞試驗來代替整車碰撞試驗的方法。

本文提出了一種用臺架碰撞試驗代替整車碰撞試驗來驗證整車耐撞性的設計方法,本臺架并不是傳統的臺車,而是由從整車中選取的一部分結構組成,包括發動機及傳動系統、懸架系統、車輪、下車體等。本方法不僅可以獲得車體的變形,車身減速度也能夠和整車碰撞取得一致,而且適用于所有車型。為了建立臺架仿真模型,本文首先建立了整車的有限元碰撞模型,根據整車碰撞的試驗數據驗證了模型的正確性;提出了建立臺架模型的方法,在整車仿真模型的基礎上建立了臺架的有限元模型,并進行了仿真計算,將臺架仿真結果和整車仿真結果進行了對比;最后進行了臺架碰撞試驗,對臺架碰撞試驗結果和整車碰撞試驗結果進行了對比分析。

1 整車正面碰撞仿真模型

1.1 有限元模型的建立

將CAD模型轉入Hpermesh有限元前處理軟件中,利用Hpermesh強大的前處理技術將幾何模型劃分網格,通過組裝、連接、定義屬性、加載邊界條件等步驟建立了整車有限元模型。因為本模型用來分析正面碰撞,根據碰撞特點布置了不同的網格密度：對影響碰撞結果較大的汽車前大梁等關鍵部件,網格劃分尺寸為5mm,A柱以前其他結構網格尺寸為10mm,其他部件網格尺寸在20～50mm之間。整車正面碰撞有限元模型如圖1所示,共有110萬個單元,111.3萬個節點,模型中的單元類型包括六面體實體單元、殼單元、梁單元、剛性鉸單元、彈簧單元和阻尼單元等。用帶失效的梁單元模擬焊點失效[8],縫焊部位用剛性連接單元連接。為提高仿真的精度和效率,在計算過程當中采用了質量縮放、沙漏控制等設置。整車模型按照標準《GB 11551-2003乘用車正面碰撞的乘員保護》要求,以48.3km/h的速度碰撞剛性墻。

圖1 整車碰撞有限元模型

1.2 有限元模型的模型驗證

圖2 所示為t=100ms時刻,仿真計算和整車碰撞試驗變形對比。由圖2可知,計算仿真的整車壓潰位置及變形姿態與實車碰撞基本一致,輪胎此刻后移的位置也很吻合,整車的翹起角度也很一致。從車身減速度曲線(圖3)來分析,兩曲線的峰值出現時刻一致,除第二個峰值大小差異較大外,其他峰值相差較小,特別是第一個峰值吻合得很好,最高峰值處兩曲線的減速度相差15%,總體看,兩曲線各峰值出現時刻較一致,峰值大小也很接近,兩曲線有較好的一致性。通過以上分析對比可知,仿真模型可以代替實車碰撞分析。

圖2 整車碰撞試驗和仿真t=100ms時刻整車的變形

圖3 整車碰撞試驗和仿真車身減速度曲線

2 臺架有限元模型

2.1 一般臺車結構

按照正面臺車碰撞試驗目的的不同,通常將臺車分為兩種：一種為了獲得車身減速度[9-10],在臺車前端增加吸能結構或控制結構(圖4),碰撞中臺車前端結構變形生成車體的減速度,通過調節前端結構獲得需要的車身減速度,此種臺車主要用來驗證約束系統性能,不能驗證車體的變形;另一種臺車是為了驗證車體變形,將車架固定在臺車前端,給臺車特定的速度使車架產生和整車碰撞相同的變形[11],此種方法也可以獲得較準確的車身減速度,但是只適用于非承載式車身,而且對于前置后驅的車型也不適用。

圖4 傳統臺車碰撞試驗

本文提出的臺架模型,并不是傳統的臺車,而是整車結構的一部分,這樣就克服了臺車試驗的不足,不僅可以獲得車體的變形,而且車身減速度也能夠和整車碰撞時保持一致。

2.2 臺架模型建立的方法

臺架模型的建立需要從三方面考慮,即需要選擇哪些部件、乘員艙處加強件的安裝方式和臺架質量及質心的位置。

2.2.1 部件選擇

本文所建立的臺架是在整車車體上選取的一部分結構,這些結構是影響碰撞結果的關鍵部件。表1是整車仿真計算中,吸能比重大于1%的所有組件的吸能情況。如表1所示,前縱梁是吸能最重要的結構,吸收了整車能量的52.47%,前保橫梁吸收了4.29%的能量,也是一個重要的吸能部件,表中其他部件吸能也較大,也都需要考慮;另外由于本文所研究的車型的發動機是前置后驅、縱置方式,在碰撞中發動機會受到很大的縱向碰撞力,碰撞力會經傳動軸傳遞到后橋,碰撞力的大小對車身減速度峰值的大小影響很大,因此發動機及傳動系統也是要考慮的關鍵部件;為反映車身的減速度情況,臺架中應包括下車體及懸架。

表1 整車仿真中各主要吸能組件吸能所占比重

通過以上分析,臺架中包括的主要部分有：發動機及傳動系統、懸架系統、車輪、下車體等,建立的有限元模型如圖5所示。臺架模型和整車模型的對比情況如表2所示,臺架模型的單元和節點數減少了一半,焊點數大約只有整車的一半,這樣臺架的制造不僅節約了成本而且縮短了生產時間。

圖5 臺架有限元模型

表2 臺架車和整車模型情況

2.2.2 支架結構的建立

在整車碰撞中,乘員艙是基本沒有變形的(圖2),這樣在臺架模型中可以不考慮乘員艙的變形,但需要用加強結構來代替,避免出現與整車碰撞不一致的變形。建立支架結構時,在考慮車體變形的同時,也要考慮力的傳遞路徑,使前車體的碰撞力的傳遞方向與整車碰撞時的碰撞力傳遞方向一致。通過不斷的仿真計算來調試支架結構,最終確定方案如圖5所示。支架作為整體焊接到臺架上,在碰撞結束后可以拆下,下次臺架碰撞車可以繼續使用。

2.2.3 配重方法

大梁的變形要達到與整車碰撞時的變形情況一致,車體初始要有足夠的碰撞能。由于簡化了臺架模型,所以臺架質量大大減小,因此需要在臺架上增加質量,來提高車體初始碰撞動能。質量增加的多少及增加位置,需要參考整車模型的質量和質心位置。本模型中設計的質量加載位置有兩處：一是座椅安裝位置,此處加載的質量主要考慮整車試驗時假人以及此位置的車門、座椅等車體質量;二是車體后部,此處加載的質量主要是后門及備胎等車體質量。兩處在模型中是通過加載集中質量的方法實現的,配重的加載高度及加載數量是通過臺架仿真和整車仿真結果對比來確定的,加載后臺架質量及質心位置如表3所示。臺架模型的總質量較整車小,這是因為去掉了整車碰撞中有變形而臺架沒有加入部件的變形能,整車模型質心比臺架車略高10%,這有利于補償由于整車質量減小造成的前縱梁碰撞力減小的部分。通過調節配重來控制臺架質心位置,實現對車體變形及車身減速度的調節。

表3 整車和臺車模型質量和質心高度

2.3 臺架車碰撞仿真結果

臺架仿真模型按照整車仿真模型設置進行仿真計算,在相同的計算條件下,計算所需時間只有整車模型的一半。

圖6所示為整車和臺架碰撞仿真分別在20ms、30ms、40ms和 100ms時刻主要部件變形比較圖,從圖6中可以看出,在相同時刻縱梁的變形模式和壓潰位置基本相同,前隔板變形也基本相同,這說明臺架可以代替整車來驗證車體變形,且可以獲得前隔板的侵入情況。

兩模型同側車身加速度曲線比較如圖7所示。由于臺架車沒有B柱,加速度傳感器裝在了座椅安裝橫梁上,在整車仿真中此處加速度值和B柱處相差不大。由圖7可知,前30ms臺架和整車仿真曲線基本一致,前兩個峰值吻合得較好,30ms之后峰值差異較大,但兩曲線有相同的趨勢。

圖6 臺架和整車碰撞仿真主要部件變形

圖7 臺架和整車仿真車身減速度曲線

3 臺架碰撞試驗

按照仿真模型建立的臺架組裝臺架實車,支架是在車體安裝好后焊接到設計位置的,在仿真模型中加載質量的位置安放配重塊,為使配重塊的質心達到設計高度,需要用支架將其撐起,并做一定的加強。安裝好后的臺架碰撞車如圖8所示,臺架按照整車碰撞條件進行碰撞試驗。

臺架和整車碰撞試驗前縱梁變形比較情況如圖9所示。整車前縱梁的折疊模式和壓潰位置可以在臺架中較好地反映出。不過臺架試驗縱梁壓潰量略小于整車碰撞,這是由于臺架總質量沒有達到仿真狀態,造成碰撞能略有不足所致。

圖10所示為臺架和整車車身減速度對比曲線。由圖10可知,兩曲線在總體趨勢上有較好的一致性,前30ms兩曲線峰值大小相近,30ms之后兩曲線峰值差異較大,但兩曲線趨勢一致,這與臺架仿真中反映的情況相同。

圖8 臺架實車碰撞前狀態

圖9 臺架和整車碰撞試驗前縱梁變形

圖10 臺架和整車試驗車身減速度

4 結束語

本文提出了一種用臺架碰撞試驗來代替整車碰撞試驗的設計方法。根據臺架設計方法,通過調節配重塊的大小及位置,可以改變臺架的變形及車身減速度,根據整車變形及車身減速度確定配重的大小及位置,確定了臺架仿真模型。臺架碰撞仿真和臺架碰撞試驗得到的結論一致,即臺架可以反映整車車體的變形情況,車身減速度前30ms二者的變形情況有較好一致性,30ms之后曲線增長的趨勢一致,所以臺架碰撞試驗可以代替整車碰撞試驗,不僅可以驗證車體的變形,而且可以反映車身減速度的總體情況。本文的正面碰撞臺架可用于所有車型,在車型的開發過程中,可用來驗證結構方案的耐撞性,獲得理想的碰撞結果,然后將可行方案進行整車碰撞試驗,這樣可減少整車試驗次數,縮短開發周期。

臺架仿真及試驗顯示,30ms之后車身減速度峰值和整車情況有較大差異,可以調節臺架配重的放置位置,改變臺架的減速度曲線,使其與整車減速度曲線吻合。

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