微型客車車門耐撞性的有限元仿真與改進

魏守洋，張瑞乾

（北京信息科技大學(xué)機電工程學(xué)院，北京 100192）

0 引言

汽車碰撞通常分為正面碰撞、側(cè)面碰撞、后面碰撞、滾翻和車撞行人等情況，其中側(cè)面碰撞事故約占總數(shù)的28%，但由于側(cè)碰中對乘員的保護更加困難，因此人員的死亡率在各種碰撞情況中最高，約占事故死亡總?cè)藬?shù)的34%［1］。汽車側(cè)碰又可分為側(cè)面壁障碰撞和側(cè)面柱碰兩種情況。由于乘員與車門內(nèi)板之間僅存在20～30 mm的距離，一旦受到柱狀物碰撞，乘員將受到強烈沖擊，因而同側(cè)面壁障碰撞相比，側(cè)面柱碰會對乘員造成更嚴重的損傷風(fēng)險，對車門的耐撞性提出了更高的要求［2］。研究車門的耐撞性對于保護成員，提高汽車的被動安全性有著非常重要的意義。

本文參考側(cè)碰相關(guān)法規(guī)，應(yīng)用有限元法對某微型客車車門進行碰撞過程的模擬仿真，分析碰撞結(jié)果。針對該車型車門耐撞性不足的現(xiàn)象提出改進措施，提高了車門的抗撞能力。

1 車門碰撞有限元模型的建立

車門部件由薄鋼板沖壓而成，有限元模型主要采用殼單元建立。該車門的CAD模型如圖1所示，主要包括車門內(nèi)板、外板、內(nèi)板口部加強板、外板口部加強板、外板支撐板、鉸鏈加強板、門鎖加強板以及鉸鏈，省略掉了不影響碰撞特性的零件，如內(nèi)飾板、門把手、玻璃升降器和窗框等。將該模型導(dǎo)入Hypermesh中，提取模型各部件的中面后，為保證網(wǎng)格品質(zhì)，將尺寸較小的圓角和工藝過孔清理掉，網(wǎng)格尺寸控制在10 mm左右。通過車門厚度方向為兩點積分，求解積分算法選用Belytschko-Tsay算法，該算法能最快速地顯示動力學(xué)殼單元，可以兼顧精度與計算時間的要求［3］。建好的車門有限元模型共包含四邊形單元36 109個，三角形單元1 545個，三角形單元所占比例為4.1%，低于5%，滿足計算要求。

圖1 車門部件的CAD模型

車門內(nèi)外板通過包邊工藝連接在一起，為了模擬這種連接方式，在包邊處劃分一排網(wǎng)格，將內(nèi)外板與翻邊處連接的節(jié)點耦合在一起，翻邊處網(wǎng)格的厚度為內(nèi)板的厚度與兩層外板的厚度之和。內(nèi)外板與車門內(nèi)部其他零件之間為點焊連接，使用Beam單元焊點模型來模擬，該焊點模型通過定義Beam單元的材料屬性來模擬焊點的應(yīng)力應(yīng)變特性，通過定義接觸來連接殼單元與Beam單元，從而使此模型可以模擬焊點的失效行為［4］。

按照GB15743－1995和FMVSS216的規(guī)定，碰撞所用的圓柱體直徑為305 mm，下端高出車門最低點127 mm，上端高出窗框下緣13 mm，整體高度為653 mm，圓柱軸線在x方向上的位置與車門最低點之上127 mm處沿車門外表面所作水平線段的中點對齊。圓柱體的質(zhì)量為950 kg。車門碰撞系統(tǒng)的有限元模型如圖2所示。

圖2 車門碰撞系統(tǒng)的有限元模型

車門鋼板材料選用LS－DYNA中的24號彈塑性材料模型（MAT_PIECEWISE_LINER_PLASTICITY）來模擬，鋼板密度為7.9 g/mm3，彈性模量為2.1 ×105MPa，泊松比為0.3，不同部件所用材料的屈服強度由167 MPa～296 MPa不等，不同牌號鋼板的應(yīng)力應(yīng)變曲線通過試驗測得。材料的應(yīng)變率系數(shù)取C=40，P=5。碰撞過程中圓柱體的變形可以忽略，將其定義為剛性體，材料選用20號材料模型（MAT_RIGID）來模擬。

本文只考慮車門在碰撞過程中的變形情況，將車門獨立出來，模擬其在側(cè)圍中受到的約束情況。車門關(guān)閉狀態(tài)受到約束的位置為上下兩個鉸鏈處、門鎖處以及整個車門邊框。在有限元模型中約束兩個鉸鏈部位除繞z軸轉(zhuǎn)動自由度之外的其余5個自由度;約束門鎖部位y、z方向的平動自由度;由于在車門受到外物撞擊的瞬間，邊框在y向的位移極小，故將其忽略不計，約束邊框處y向的平動自由度［5］。參考 Euro－ NCAP（Pole Side Impact），在碰撞仿真過程中圓柱以29.5 km/h的初始速度沿y方向撞擊車門外板，碰撞持續(xù)時間設(shè)為40 ms。根據(jù)殼單元的時間步長計算公式，初始時間步長設(shè)為10－6s［6］。

碰撞過程要考慮各部分的接觸問題，車門部件之間采用自動單面接觸（AUTOMATIC_SINGLE_SURFACE），碰撞圓柱體與車門外板間的接觸為自動面面接觸（AUTOMATIC_SURFACE_TO_SURFACE），焊點與車門部件間的接觸為點焊接觸（CONTACT_SPOTWELD）。接觸界面的動靜摩擦系數(shù)均取0.1。沙漏控制類型為LS－DYNA的默認標準類型，全局剛度系數(shù)取 0.1［3］。

2 碰撞仿真結(jié)果分析

將建好的車門碰撞有限元模型導(dǎo)入LS－DYNA中求解，軟件運行在一臺四核4 G內(nèi)存的計算機上，總的求解耗時855 s。系統(tǒng)為保證計算正常進行有時會自動增加某些部件的質(zhì)量，在本次模擬中計算增加的質(zhì)量占總質(zhì)量的0.07%，低于5%的允許值。

2.1 系統(tǒng)能量響應(yīng)分析

圖3為車門側(cè)面柱碰系統(tǒng)的能量－時間曲線。圖中能量曲線變化合理，系統(tǒng)總能量守恒，滑移界面能和沙漏能始終保持在較小的范圍內(nèi)，沒有超過總能量的5%，說明該碰撞模型是可信的。

圖3 系統(tǒng)的能量－時間變化曲線

在整個碰撞過程中，隨著時間的變化系統(tǒng)動能不斷減小，內(nèi)能增加，系統(tǒng)的動能大部分轉(zhuǎn)化為內(nèi)能，小部分以聲能、熱能等其他方式耗散出去。由于碰撞圓柱被定義為剛性體，在碰撞過程中不發(fā)生變形，因此減少的動能被車門的塑性變形所吸收。最終在第40 ms仿真過程結(jié)束時，系統(tǒng)的動能和內(nèi)能分別占總能量的78.8%和19.1%。

2.2 車門碰撞變形分析

取碰撞過程中第 10 ms，20 ms，30 ms，40 ms 作為車門變形的觀察點，各時間點車門變形情況如圖4所示。

圖4 車門碰撞變形圖

從圖中可以看出，在圓柱體與車門發(fā)生碰撞的過程中，車門的變形主要集中在與圓柱體發(fā)生接觸的區(qū)域以及車門下部。圓柱在碰撞開始時與車門外板發(fā)生接觸，10 ms時外板已有明顯的內(nèi)凹變形;20 ms時車門內(nèi)部空腔被壓縮，內(nèi)板已經(jīng)開始變形;30 ms時車門與圓柱的接觸區(qū)域發(fā)生嚴重的內(nèi)凹，由于邊框受到了y向的約束，車門下部在圓柱的擠壓作用下出現(xiàn)與xy平面平行的平臺，并在周圍產(chǎn)生明顯的皺褶，下邊框產(chǎn)生了z向位移;40 ms時車門內(nèi)外板、口部加強板及外板支撐板均產(chǎn)生了嚴重的失穩(wěn)變形。整個碰撞過程沒有焊點失效的現(xiàn)象發(fā)生。

圖5為40 ms車門內(nèi)板y向位移云圖，內(nèi)板的y向變形最大區(qū)域集中在窗框下沿與圓柱體接觸區(qū)域，最大變形量為288.7 mm。在內(nèi)板上靠近窗框中部即變形最大區(qū)域選取ID為181 828的節(jié)點，考察其y向位移隨時間的變化，如圖6所示。在11 ms左右外板開始接觸到內(nèi)板，該節(jié)點開始沿y向運動;至24 mm左右時，由于圓柱下部受到的作用力大于上部，圓柱不僅有沿y向平動的速度，同時上部發(fā)生向車門內(nèi)側(cè)的翻轉(zhuǎn)，受此影響，節(jié)點181 828的速度增加，故位移－時間曲線的斜率變大;至36 ms時，車門下部變形嚴重，圓柱體受到較大阻力，該節(jié)點的位移增加開始變緩。

由上可見，在整個碰撞過程中，車門變形嚴重，內(nèi)板的侵入量較大，車門不能有效地抵抗圓柱體的碰撞沖擊，口部加強板與外板支撐板的抗撞作用不明顯，車門的耐撞性有待提升。

3 改進措施

事實證明，車門防撞梁在車輛撞擊固定物體（如樹木、電線桿等）時的保護效果非常明顯。依據(jù)美國國家公路交通安全管理局發(fā)布的數(shù)據(jù)，車門防撞梁在2002年拯救了994名事故受害者。因此，為提高該車門的耐撞性，在滿足不與車門內(nèi)部已有零件（玻璃升降器、玻璃導(dǎo)軌等）干涉的情況下為其設(shè)計防撞梁，如圖7所示。防撞梁的截面形狀為管狀，長度為733 mm，直徑26 mm，壁厚3 mm，通過兩端的支架與車門內(nèi)板焊接在一起。防撞梁材料選用16 MnAL，屈服強度為1 150 MPa。安裝防撞梁后車門質(zhì)量增加1.6 kg。

圖7 防撞梁的布置形式

改進后的車門內(nèi)板40 ms時的y向位移云圖如圖8所示，最大位移從288.7 mm 降至275.3 mm，減小了13.4 mm。對比圖9節(jié)點181828改進前后的y向位移－時間變化曲線，可以看出改進后該節(jié)點的位移量在25 ms之后較改進之前有所降低，40 ms時的位移從259 mm降至252 mm。這表明增加防撞梁可以有效改善碰撞發(fā)生時車門的侵入量。

圖8 改進后車門內(nèi)板y向位移云圖

圖10為改進前后系統(tǒng)內(nèi)能－時間曲線的比較，可以看出增加防撞梁之后，車門吸收的能量增加了約32%，這說明防撞梁在碰撞過程中起到關(guān)鍵性的作用，是車門上的主要吸能部件。在車門內(nèi)部布置防撞梁盡管會使車門質(zhì)量和生產(chǎn)成本增加，但是能有效地降低發(fā)生碰撞后車內(nèi)乘員傷害，對提高車輛的被動安全性有著非常積極的意義。

4 結(jié)語

利用Hypermesh軟件建立了微型客車車門碰撞模型，利用LS－DYNA對該碰撞模型求解，并對碰撞結(jié)果進行分析。針對分析結(jié)果中存在的車門耐撞性不足現(xiàn)象提出改進措施，在車門內(nèi)布置防撞梁。通過改進前后的對比分析，得出高強度合金鋼防撞梁在碰撞時吸能效果明顯，可以有效地提高車門的碰撞安全性。

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