基于ANSYS的農用運輸車輛橫向碰撞仿真研究

李燊 巴鐵魁 郝斌 巴興強

摘要 該文應用有限元理論，利用ANSYS/LS-DYNA軟件，對農用運輸車輛車門承受橫向碰撞時進行數值仿真計算，對碰撞過程中的碰撞規律進行了摸索，探討了車輛車門結構優化方法與改進措施，介紹了車輛安裝加強板后的碰撞安全特征，證明了農用運輸車輛車門結構優化的可行性與實用性。

關鍵詞 農用運輸車輛；橫向碰撞；有限元分析；碰撞吸能

中圖分類號 S229+.1 文獻標識碼 A 文章編號 0517-6611（2015）27-319-03

Simulation Research of Farm Transport Vehicle Lateral Collision Based on the ANSYS

LI Sang1， BA Tie-kui2， HAO Bin3， BA Xing-qiang1*

（1. Northeast Forestry University， Harbin， Heilongjiang 150040； 2. China Shipbuilding Industry Corp 709th Institute， Wuhan， Hubei 430074； 3. Heilongjiang Academy of Forestry Science， Harbin， Heilongjiang 150081）

Abstract Finite element theory is applied in this article， by using ANSYS/LS-DYNA software， under lateral impact of farm transport vehicle door when numerical simulation calculation， grope for collision regularity in the process of collision， this paper discusses the vehicle door structure optimization method and the improvement measures， and introduces the vehicle after the installation of reinforcing plate collision safety features， prove the feasibility and practicability of farm transport vehicle door structure optimization.

Key words Agricultural transport vehicles； Lateral collision； The finite element analysis； Collision energy absorption

近年來，隨著國民經濟的快速發展，新農村建設步伐的不斷加快，農村的面貌發生了翻天覆地的變化?！按宕逋üこ獭笔罐r村道路交通狀況不斷改善，農民機動車擁有量大幅提升，而農村交通安全設施建設與車輛主動安全保護方面卻相對滯后，使得農村開始成為交通事故多發、人員傷亡嚴重的地區[1]，農村及鄉鎮地區的交通安全狀況，嚴重地威脅著廣大人民群眾的生命財產安全。國家標準GB7258-2004《機動車運行安全技術條件》已將“四輪農用運輸車”更名為“低速貨車”，明確“農用運輸車”實質上是農用運輸車輛的一類。GB18320-2008《三輪車和低速貨車安全技術要求》規定以柴油機為動力裝置，中小噸位、中低速度，從事道路運輸的機動車輛，即包括三輪農用運輸車和四輪農用運輸車等。

該文以農用運輸車輛橫向碰撞為研究重點，以農用運輸車輛碰撞仿真為研究目標，采用碰撞仿真分析手段，探求農用運輸車輛車門碰撞吸能特性。

1 農用運輸車輛橫向碰撞特性

汽車側面是車體中強度較薄弱的部位[2]，尤其是對于農用運輸車輛而言，其側面強度更為薄弱。一旦受到來自側面的撞擊，不可能像其前部及后部那樣，有足夠空間可供發生結構變形及吸收碰撞能量，車內乘員同強烈貫穿的撞擊物之間僅隔著車門和20～30 cm的空間，這就是側面碰撞對乘員的傷害較其他類型的碰撞要嚴重的原因。在斜坡上或在轉彎時發生的側面碰撞，還有可能引起被撞農用運輸車輛翻傾，可能導致車門門柱變形，使車門不能開啟，影響乘員離開危險地帶及對乘員的救援。與正面、后部碰撞相比，側面碰撞對乘員可能造成的傷害更大。因此，側面碰撞安全性已成為農用運輸車輛被動安全領域研究的一個新熱點。20世紀80年代，歐美開始了對農用運輸車輛碰撞的研究[3]，并開始出現對農用運輸車輛側面碰撞的研究。早期的農用運輸車輛側面碰撞的研究幾乎完全是依賴試驗方法進行，剛開始時采用實車碰撞試驗方法，再根據碰撞試驗的分析研究結果，改進設計。隨后發展了臺車碰撞模擬試驗計算方法，這種試驗方法是以實車試驗的結果為基礎確定試驗條件。這類碰撞試驗的成本低，可重復操作，研究周期較短。隨著計算機技術的發展，出現了計算機仿真技術，采用虛擬模型代替實際模型，利用計算機進行分析計算得出安全結論，己成為農用運輸車輛安全技術發展的一個重要方向。

1.1 計算機輔助虛擬仿真試驗發展現狀

農用運輸車輛安全性研究最準確、可靠的手段是實車試驗。由于整車碰撞試驗要在樣車試制出來后才能進行，且碰撞試驗是破壞性的，這就導致試驗費用昂貴并且研究周期長，不利于快速地發現和解決問題，它只能作為較全面的質量最終檢驗試驗，不能滿足開發階段的需要，因而人們一直試圖尋求從理論上或用數值計算的方法來仿真碰撞，以輔助和指導設計。 隨著計算機技術的迅猛發展，以及各種理論，如碰撞理論，材料理論，有限元理論的不斷深入，以有限元方法為主的計算機仿真方法得到飛速發展，從而出現了一批功能強大的商用軟件，如ANSYS/LS-DYNA、DYTRAN、PAM-CRASH等。現有軟件的仿真結果能與實車試驗結果大致吻合，并且能夠節約大量的資金和時間，特別是對于車輛結構改進，可以在短時間內對多種方法案作出比較，較快地得到滿意的改進方案。因此，計算機仿真是近年來農用運輸車輛安全性能得以提高的重要手段。

1.2 農用車輛車門建模及預處理

研究分2個主要，即確立單元模型和進行邊界條件的處置。建立模型所需數據主要來自于實車測量。在進行測量之前，仔細察看并熟悉農用運輸車車門的結構，對車門整體結構了解清楚，并根據建模的需要描繪出簡化的車門結構，在實際車門測量過程中，對建模所需數據盡量采集準確、全面。

1.2.1 確立單元模型。

對于有限元仿真分析，在建立有限元模形時選擇什么樣的單元進行分析是非常重要的。選擇單元的類型，主要考慮結構的幾何形狀，其次是分析目的，加載條件和經濟性。農用運輸車輛車門主要由薄殼板件沖壓后經焊接拼裝而成，因而在車門碰撞分析中需要用三維薄殼單元來進行空間離散，薄殼單元的選擇和算法對于計算的效率與正確性有著重要的意義。在非線性動力問題的研究發展中，產生了多種薄殼單元的算法，LS-DYNA970為殼單元提供了12種算法。

1.2.2 邊界條件處置。

農用運輸車車門在實際情況下，被鉸鏈和門鎖全約束在門柱上，在車輛發生側面碰撞時，車門另外還會受到車頂和底盤的支撐力。雖然在實際的碰撞中，車門受力變形后還會引起門柱和車頂的變形，但在該文中，只研究車門的碰撞吸能特性，因此，完全可以對車門緊挨駕駛室的邊框進行全約束，碰撞結果與實際情況基本相同。

1.3 仿真碰撞時間

在農用運輸車輛一般的車速條件下，車輛碰撞過程持續時間大約為80～120 ms。所以，對整車的碰撞仿真就需要計算80 ms以上，計算一次完整的80 ms碰撞過程大約需要120 h[5]。但若只研究車門的碰撞，由于其質量遠小于整車，必定慣性也小，所以理論上其碰撞時間也要短于80 ms，為了節省計算時間，就將計算碰撞時間定在了40 ms。計算時速按照歐洲碰撞標準確定為50 km/h（13.89 m/s），載荷體在距車門50 mm處給以初速度50 km/h。

1.3.1 位移變化分析。

由于載荷體碰撞初始速度方向定為Z軸負方向，值為13.89 m/s（50 km/h），X、Y軸方向速度為0，所以文中只探討各量在Z軸方向的變化。

按照加載條件，車門在長度的中心線上受沖擊，故在此的變形應該最厲害[6]。因此，摘取該線上車門的外凸點和車窗內側開口線處的一點的位移變化圖進行分析，以下簡稱外凸點和開口線點。

碰撞發生時，車門受沖擊處開始沿Z軸的負反向變形，從圖1中可看出，雖然車窗開口線處內凹最厲害，但他的變形位移是0.14 m。而從圖2中看出在車門外凸點處變形位移最大，其變形位移是0.22 m。這是因為，農用運輸車輛門是外凸的弧形，在凸出點最先接觸碰撞載荷體，所以其沖擊最嚴重，變形也就最大。從圖2中還可看出，變形基本呈線性變化，變形達到最大后，門板有一定的彈性恢復力，使變形部分減小，并推動載荷體向Z軸正向移動。

1.3.2 速度變化。

如圖3可看出，車門凸出點在碰撞開始時，在沖擊力的作用下速度不斷增大，當達到最大值17 m/s時開始波動，隨后開始減小，直至為0。然后在車板的彈性恢復力下速度反向增加至反向最大至8 m/s，在碰撞結束后，仍然在波動。

載荷體以13.89 m/s的速度向車門撞去，在碰撞過程中受到車門的阻礙，由圖4可看出碰撞后其速度不斷衰減，然后在車門的彈性恢復力作用下，速度反方向增加，最終速度約為8 m/s。

2 安裝加強板后車輛碰撞

2.1 位移變化

農用運輸車輛車門安裝加強板后，由圖5可看出，開口線處最大位移約是0.09 m，與圖1相比，該點的變化趨勢基本相同，但小于不安加強板的0.14 m。由圖6可看出，凸出點最大位移是0.17 m，與圖2相比，該點的變化趨勢基本相同小于不安加強板的0.22 m。從圖6中還可看出，在凸出點，即加強板的安裝位置，車門在碰撞后變形基本恢復，這是因為加強板是一個長方板，彈性較大，沒有產生塑變的結果。

2.2 速度變化

由圖7可看出，車門凸出點，在碰撞開始速度不斷增大，當達到最大值19 m/s時開始波動，隨后開始減小，直至為0。然后在車板的彈性變形下速度反向增加至反向最大值25 m/s，在碰撞結束后，仍然在波動。

載荷體以13.89 m/s的速度向車門撞去，在碰撞過程中受到車門的阻礙，由圖8可看出其速度不斷減小，然后在車門的彈性恢復力下，速度反方向增加。最終速度約為6 m/s。

3 兩種結構碰撞仿真結果對比

上述實際車輛車門與安裝加強板后車門的碰撞仿真條件相同，只是在結構上，后者是在前者的的基礎上有所改進。在碰撞過程中，車門的變形和能量的吸收對碰撞安全都有重要影響，故可以對兩種結構的變形和吸能進行對比分析。

3.1 位移變形對比

表1中給出了車門開口線處和凸出點處在兩種結構下的位移變化量。其中，沒有加強板的結構是車門的實際結構，安裝加強板是改進后的結構。

根據表1中數據，關于碰撞接觸處變形，車門在安裝加強板之后有明顯的減小，在車門內凹最嚴重的車窗開口線處變形減小35.7%。由此可得出結論，改進車門結構，加裝加強板后，增強了車門結構的剛度，使車門的抗碰撞能力有明顯的提高，從而可以更好的保護車內乘員，車門結構的改進收到了良好的效果。

表1 兩種結構各點的變形位移

3.2 吸收能量對比

在側面碰撞中，車門的吸能特性對保護車內乘員有重要的意義，車門吸收的能量越多，則沖擊能量減少的就越多[8]，對車內乘員的沖擊就會減少，從而更加良好保護車內乘員。

在上述碰撞仿真中，分析能量的變化，為了方便對比分析，現將其仿真計算結果統一列入表2（表中“+”表示能量增加，“-”表示能量損失）。

從表2可以看出，兩種結構載荷體的初始能量只差3 J，屬于誤差，可視為碰撞能量相同[9]。在相同的碰撞能量下，實際的農用運輸車輛車門吸收能量12 945.6 J；安裝加強板的車門雖然吸收12 470 J，小于前者，但加強板仍吸收4 685 J，則整個車門結構吸收能量17 155 J，吸收能量較前者增加32.5%，能量的吸收有顯著的增加。原農用運輸車輛車門總能量損失1 612 J，能量損失在碰撞的摩擦，碰撞的聲音能量；安裝加強板的車門總能量損失376 J，后者的碰撞摩擦等的能量損失小于前者，由此可知，后者的整個碰撞過程較前者有所緩和。

從能量的對比分析中，可以明顯地看出，改進車門結構安裝加強板后，車門的吸能特性有了良好的改善。因此，車門結構改進可起到良好的效果。

4 結論

在農用運輸車輛安全問題成為一大社會問題的背景下，為了提高農用運輸車輛安全性能，運用虛擬仿真計算這種碰撞研究方法，對農用運輸車輛車門結構碰撞吸能特性進行了初步研究。在碰撞分析的過程中，碰撞條件的確定應該參照現行的碰撞法規，并進行合理的運用。建議：

（1）改進前的農用運輸車輛，車門耐碰撞性能相對低下。

（2）改進后的農用運輸車輛，車門安裝加強板，進行碰撞特性試驗，發現車門的抗碰撞能力提高20%以上。同時，碰撞吸能特性提高32.5%。

（3）農用運輸車輛車門結構改進結構后，抗碰撞性能提升明顯。

參考文獻

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