基于ANS YS/LS-DYNA 的客車正面碰撞仿真分析研究

劉兆劍，熊 欣

（1.桂林大宇客車有限公司，廣西 桂林 541003；2.武漢理工大學 汽車工程學院，武漢 430070）

為了有良好的視野，我國大中型客車較多地采用平頭結構，駕駛室前部缺乏緩沖吸能裝置，在碰撞安全性方面存在較大隱患。當發生正面碰撞時，客車駕駛室空間會變成吸能區，從而導致車內的乘員尤其是駕駛員會受到嚴重的損傷。而我國尚未出臺適用于大客車的安全法規，因此，開展客車的正面碰撞研究對于提高客車產品的碰撞安全性和減輕乘員的傷害將有重要意義[1-2]。為保證車輛的安全性和車輛設計的科學性、合理性，本文基于ANSYS/LS-DYNA 軟件對桂林大宇某型大客車進行正面碰撞仿真分析。

1 車輛碰撞的物理問題

1.1 非線性

車輛碰撞是一個瞬態的復雜物理過程，它包括以大位移、大轉動和大應變為特征的幾何非線性[3]，以材料彈塑性變形為典型特征的材料非線性和以接觸摩擦為特征的邊界非線性，這些非線性物理現象的綜合作用結果使碰撞過程的精確描述和求解十分困難。碰撞過程的仿真一般都是基于有限元方法的空間域離散技術和基于有限差分法的時間域離散技術。由于車輛碰撞過程具有很強的非線性特征，且是一個瞬態過程，其物理本質決定了它的仿真只能采用足夠小的時間步長，否則就會帶來收斂性問題或過大的計算誤差。因此，車輛碰撞過程的仿真目前都采用顯示仿真算法——中心差分法。

1.2 沙漏現象及控制

車輛大變形碰撞問題顯式動力分析時，最大的問題是耗費機時過多，在顯式積分計算的每一時步中，單元計算消耗的機時占總消耗機時的最主要部分。通常為提高計算效率而采用單點高斯積分進行單元計算，但是單點積分單元容易產生零能模式（采用縮減積分導致的使應變能為零、而自身有別于剛體運動的位移模式稱為零能模式），又稱沙漏模式。它的存在將使解答失真，甚至求解無法進行，因此，在實際分析中，必須防止零能模式的出現。

通常采用沙漏粘性阻尼來控制零能模態，在單元的各個結點處沿坐標軸方向引入沙漏粘性阻尼力。該阻尼力與沙漏模態的模、單元的體積、材料的聲速、當前質量密度等有關。將各單元節點的沙漏粘性阻尼力組集成總體結構沙漏粘性阻尼力。

沙漏粘性阻尼力的計算比較簡單，耗費的機時極少，所以，盡管采用全積分可以避免沙漏現象的出現，但由于全積分單元數據存儲量和計算機時比沙漏粘性阻尼力計算機時耗費的要多得多，所以通常采用單點高斯積分進行單元計算和引入沙漏粘性阻尼力來控制沙漏。

2 碰撞仿真有限元分析

保證仿真的精度及準確性對于有限元技術的工程應用至關重要。仿真的精度及準確性除了與有限元算法有關外，還在很大程度上依賴于仿真模型的精度[4-6]。

2.1 有限元技術要點

與一般靜態有限元分析不同，碰撞分析主要是計算結構的變形，因此，建模時主要考慮的也應是可變形部件。對車輛碰撞來說，碰撞部位的薄壁金屬是最重要的變形吸能部件，這些部件共同的幾何特點是尺寸變化較大，形狀復雜，承受碰撞時對外載及邊界條件特別敏感，結構本身的一些凸起、凹槽及開口等都會影響碰撞變形模式及載荷的傳遞路徑。因此，在建立上述部件的幾何模型時，必須準確反映結構的幾何特征。而在碰撞過程中的剛度大、變形基本上可以忽略的部件可視為剛體，建立這類部件的幾何模型時，就不需要像薄壁金屬那樣細化和準確[7-9]。

對幾何模型的單元劃分是有限元仿真計算的基礎，它關系到仿真計算的精度和效率。在進行單元劃分時，要注意以下幾點：

1）盡量避免使用退化的殼單元和實體單元，如三角形殼單元和四面體實體單元。相對于四邊形殼單元和六面體實體單元來說，它們太剛硬，并且計算精度差。

2）單元的大小盡量均勻，避免產生相對很小的單元面積。如果單元尺寸相差很大，將可能導致很小的時步長，延長CPU 運行時間。

3）盡量不要使用Smartsizing 方法進行網格控制。它可能使網格中單元大小產生很大差別，應采用其它命令來控制單元大小。

4）盡量避免可能產生沙漏的不良形狀的單元。

5）在模型中變形結果不重要的任何部分使用剛體，可以節省大量的CPU 時間。

車輛零部件所使用的材料多種多樣，在進行碰撞仿真分析計算時，賦予單元的材料模型應與部件本身的材料以及變形特性相一致。為了保證仿真計算的精度、效率及計算結果的可靠性，材料模型必須能準確反映構件的變形特性及變形狀態。此外，對于每種單元類型，未必能夠使用所有的材料模型，因此，使用時要參考軟件的單元手冊來確定可以用哪種模型。對于每種材料模型，并非所有的常數與選項都要輸入，在定義材料屬性時，要確保使用一致的單位制，不正確的單位不僅會影響材料響應，而且影響接觸剛度的計算。此外，大多數高度非線性有限元分析的精度取決于所使用的材料參數，要得到好的分析結果，需要使用精確的材料參數，所以，不要低估準確材料數據對結果的重要性。在材料本構關系中，要采用一些實際的材料性質數據，如不要采用很高的、不切實際的彈性模量去表達剛體。

在碰撞仿真計算中，碰撞接觸是要事先定義的，接觸形式可以分為三大類：結點對面的接觸、面對面的接觸以及單面自接觸，具體表現為變形體對變形體的接觸、變形體對剛體的接觸以及變形體自身的單面接觸等。不同類型的接觸需要不同的接觸界面模型來模擬，否則將會降低模擬精度[10-11]。

2.2 有限元模型構建

客車車身正面碰撞過程實際上只有一部分結構發生大變形失效。客車車身的前端是主要吸能結構，它合理的碰撞壓塌失效順序，對于吸收更多的碰撞動能、降低駕乘室中駕駛員座椅處的減速度峰值以及為乘員提供生存空間都具有重要意義。依據設計任務書，本次計算中客車車身以8.33 m/s（30 km/h）的初速度撞擊剛性平面墻，碰撞模擬時間設為130 ms。

客車正面碰撞分析選用材料的應力-應變關系曲線如圖1 所示。桂林大宇模型大客車骨架的有限元模型中單元總數177 937 個，節點總數168 287 個，整備狀態有限元模型重11 t。

2.3 正面碰撞結果分析

本大客車車身（整備狀態）以8.33 m/s（30 km/h）初速度撞擊固定的平面剛性墻體時，在碰撞過程中，實際上只有車身前端結構發生大變形失效。限于篇幅，圖2 只給出了車身前端在t=5 ms 和130 ms 時刻的變形；能量和碰撞力隨時間的變化曲線分別如圖3 和圖4 所示。

結合圖2-圖4，可以看出，車身前端在t=1 ms 時，開始與剛性墻接觸，碰撞力增大；t=5 ms 時，車身前端橫梁1（見圖2a）開始發生塑性變形；t=7 ms 時，前端橫梁1 進一步變形，橫梁2 開始發生塑性變形；t=13 ms 時，前端橫梁1 和2 進一步變形，橫梁3 開始發生塑性變形；撞擊力出現第一峰值，值為409 kN；t=32 ms 時，前端橫梁1、2 和3 進一步變形，端部窗下橫梁開始彎曲；前部底架橫梁和縱梁開始彎曲；t=42 ms 時，前端橫梁1、2 和3、端部窗下橫梁、前部底架橫梁和縱梁進一步變形，前車門立柱開始彎曲；t=50 ms 時，前端橫梁1、2 和3、端部窗下橫梁、前部底架橫梁和縱梁前車門立柱進一步變形，駕駛員室底部縱梁開始彎曲，撞擊力出現第二峰值，值為734 kN；t=50～109 ms 期間，已變形的部位進一步變形，上邊梁與上端梁、前門上橫梁、與駕駛員室前后立柱及它們之間的縱梁開始彎曲，碰撞力逐漸減小；t=109～130 ms 期間，已變形的部位進一步變形，車頂前端縱彎梁（見圖2b）；客車正面碰撞130 ms 內吸能331 kJ[12]。

3 結束語

基于ANSYS/LS-DYNA 的某型大客車車身骨架（整備狀態）正面大變形碰撞仿真分析，結果顯示，客車車身以8.33 m/s（30 km/h）初速度撞擊固定的平面剛性墻體的130 ms 期間內，塑性變形主要發生在駕駛員室區域，碰撞力的最大值為734 kN，吸能331 kJ。這一結果表明，碰撞發生后客車前圍發生一定量壓潰變形，起到了較好的吸收能量作用。撞擊過程中沖擊力從前部傳至后部，因前圍的吸能作用而有一個時間延遲，因此，客車中后部受碰撞影響較小，車身在碰撞過程中無明顯移動。

[1]張建，范體強，何漢橋.客車正面碰撞安全性仿真分析[J].客車技術與研究，2009，31（3）：7-9.

[2]邵毅明，于志剛.汽車碰撞安全性研究現狀及趨勢[J].公路與汽運，2006，（4）

[3]鐘志華，張維剛，曹立波，等.汽車碰撞安全技術[M].北京：機械工業出版社，2003.

[4]安世亞太.ANSYS 官方培訓手冊[DB/OL].[2012-06-01].http：//www.docin.com/p-299319764.html

[5]Ls-dyna_970_manual_k[DB/OL].[2012-06-01].http：//ishare.iask.sina.com.cn/f/16780273.html

[6]ANSYS.ANSYS Release 9.0 Documentation.ANSYS Inc，2004.

[7]何漢橋.大客車車身結構安全性仿真研究[D].長沙：湖南大學，2006.

[8]吳平.客車車身骨架側翻碰撞的有限元仿真模擬方法研究[D].長春：吉林大學，2006.

[9]鄧景濤.大型客車車身結構正面碰撞有限元分析[D].西安：長安大學，2009.

[10]張翼峰，侯一丹，閆宏濤，等.客車正面碰撞安全性仿真分析[J].山東交通學院學報，2011，（3）：5-8.

[11]曹文鋼，鄧磊，姜康，等.客車車身正面碰撞仿真分析及拓撲優化[J].系統仿真學報，2012，（4）：761-764.

[12]雷剛，王希杰，張攀.基于DOE 的汽車碰撞優化分析[J].重慶理工大學學報：自然科學版，2011，（2）：8-12.