接觸摩擦因數(shù)對碰撞仿真分析相關(guān)性的影響

劉保祥 雷應(yīng)鋒 曾皓

（長安汽車股份有限公司輕型車研發(fā)中心）

在汽車碰撞安全性能的開發(fā)過程中，基于LS-DYNA仿真分析軟件，對車身骨架進行截面設(shè)計，提供一些基本規(guī)律和指導(dǎo)方向[1]。在汽車碰撞中整車與壁障的接觸摩擦因數(shù)是不同的，汽車與光滑表面的壁障（如鋼板材質(zhì)）發(fā)生碰撞，接觸摩擦因數(shù)小一些；與粗糙表面的壁障（如蜂窩鋁材質(zhì)）發(fā)生碰撞，其接觸摩擦因數(shù)大一些。所以只有設(shè)置正確的接觸摩擦因數(shù)，才能得到更接近實際狀態(tài)的仿真分析結(jié)果，進而對試驗中出現(xiàn)的其他問題進行改進。因此仿真與試驗的對標環(huán)節(jié)是至關(guān)重要的。目前汽車與壁障的接觸摩擦因數(shù)設(shè)置的研究在行業(yè)內(nèi)鮮有報道。文章通過調(diào)整仿真模型中接觸摩擦因數(shù)，分析了某型車15 km/h RCAR正碰工況，較為真實地復(fù)現(xiàn)了試驗中出現(xiàn)的問題。并在此基礎(chǔ)上進行結(jié)構(gòu)優(yōu)化，最終滿足了該型車低速碰撞性能的要求。

1 RCAR正面碰撞試驗工況

低速碰撞一般是指車速低于15 km/h時的汽車碰撞，這種碰撞形式是城市交通中最常見的汽車碰撞。汽車發(fā)生低速碰撞事故后，事故引起的車輛損失往往由保險公司承擔，因此保險公司須對汽車進行保險等級評估。目前，歐盟各國對汽車保險評級方法不完全相同，但主要采用RCAR的正面碰撞和尾部碰撞試驗進行汽車低速碰撞性能評級[2]。RCAR是歐洲保險機構(gòu)為確定汽車的保險評級而制定的測試要求，重點考察汽車在低速碰撞事故中的維修工時和成本。

在RCAR正面碰撞試驗中，試驗車以15 km/h的速度撞擊前方的RCAR剛性壁障，壁障高度應(yīng)高于試驗車，撞擊點位置為汽車前部40%寬度處，試驗車質(zhì)量為整備質(zhì)量加上75 kg的駕駛員質(zhì)量[3]，圖1示出RCAR正面碰撞試驗工況示意圖。

圖1 RCAR正面碰撞試驗工況示意圖

為考察汽車在RCAR正面碰撞試驗中的碰撞性能，將汽車零件分為可替換零件、可維修零件及不損傷零件。1）可替換零件一般通過螺栓和卡扣與車身連接，例如前保險杠、前格柵、前防撞梁及吸能盒等，此類零件損壞后可以簡單方便的用新零件替換，維修工時少；2）可維修零件包括發(fā)動機進氣管、風扇及發(fā)動機罩等，此類零件不能有大的結(jié)構(gòu)變形，通過簡單維修即可復(fù)原；3）不損傷零件包括前縱梁和水箱上橫梁等與車身焊接的結(jié)構(gòu)，此類零件維修時涉及到切割、焊接及整形等工藝，工藝復(fù)雜，維修工時較長，費用較高。因此，RCAR正面碰撞試驗的主要設(shè)計思路就是通過前部吸能盒和防撞梁等可替換零件的充分變形吸能，防止不可替換零件的損壞[4]。

2 試驗中出現(xiàn)的問題及優(yōu)化

2.1 15 km/h RCAR正碰試驗及仿真結(jié)果分析

在工裝車試制階段，按照RCAR正面碰撞工況的試驗方法進行試驗，試驗后通過拆車發(fā)現(xiàn)，在碰撞過程中，前部吸能盒未能按照理想的方式發(fā)生潰縮，而是偏向一側(cè)，這種情況不利于保護汽車前端其他零部件。圖2示出某型車15 km/h RCAR正面碰撞后吸能盒變形結(jié)果。

圖2 某型車15 km/h RCAR正面碰撞后吸能盒變形圖

由圖2可以看出，在碰撞過程中，吸能盒未能起到潰縮吸能的作用，向內(nèi)側(cè)傾斜。造成了吸能盒與縱梁連接的上側(cè)安裝板發(fā)生撕裂，右側(cè)安裝板發(fā)生嚴重的鈑金變形。同時對前端模塊、中冷及機艙蓋等零部件造成的損傷也較為嚴重，不利于RCAR保險等級評估。

所以為了解決試驗中暴露的吸能盒未能起到潰縮吸能作用的問題，搭建了15 km/h RCAR正面碰撞試驗仿真模型，通過調(diào)整整車與壁障的接觸摩擦因數(shù)，較為真實地復(fù)現(xiàn)了試驗中的碰撞結(jié)果。圖3示出某型車15 km/h RCAR正面碰撞仿真分析結(jié)果。從圖3可以看出，吸能盒沒有潰縮，而是歪向一側(cè)，未起到吸收能量作用，與吸能盒相連的安裝板變形嚴重，不利于拆卸更換維修。在通過仿真分析真實復(fù)現(xiàn)碰撞試驗結(jié)果的基礎(chǔ)上進行下一步工作：即通過仿真分析方法，對整車結(jié)構(gòu)進行改進，避免多次實車碰撞試驗造成的浪費。

圖3 某型車15km/h RCAR正面碰撞吸能盒仿真分析圖

2.2 接觸摩擦因數(shù)對仿真結(jié)果的影響

圖4示出設(shè)置不同接觸摩擦因數(shù)的吸能盒潰縮變形仿真結(jié)果。通過對比圖4仿真分析結(jié)果可以發(fā)現(xiàn)：當接觸摩擦因數(shù)設(shè)置較大時，吸能盒完全潰縮；當接觸摩擦因數(shù)設(shè)置較小時，吸能盒潰縮不完全或不發(fā)生潰縮，出現(xiàn)了與試驗中相吻合的仿真結(jié)果。這是因為接觸摩擦因數(shù)過大時，較大的摩擦力阻止了吸能盒向一側(cè)傾斜。因此可以得出結(jié)論，整車與壁障的接觸摩擦因數(shù)的設(shè)置對仿真結(jié)果起到至關(guān)重要的作用。在50 km/h正面全寬剛性壁障碰撞、64 km/h可變性壁障偏置碰撞及15 km/h的RCAR正面碰撞工況中，碰撞壁障形狀各異，表面處理也各有不同，所以接觸摩擦因數(shù)也不相同。因此接觸摩擦因數(shù)的選取不能一概而論。應(yīng)針對不同的工況進行調(diào)整。

圖4 不同接觸摩擦因數(shù)的吸能盒潰縮變形仿真圖

2.3 防撞梁造型與吸能盒結(jié)構(gòu)分析

發(fā)生低速碰撞時，決定其防撞性能的關(guān)鍵部件是汽車保險杠系統(tǒng)的吸能部件，吸能特性好的部件將把碰撞產(chǎn)生的能量全部吸收，使車體的其它結(jié)構(gòu)避免永久變形，從而保護汽車前縱梁和發(fā)動機等重要部件免受損壞，因此汽車吸能部件的抗撞性能尤為重要[5]。

前保險杠是塑料件，不能承受太大的力，防撞梁及吸能盒才是吸能零部件。為解決試驗中出現(xiàn)的吸能盒不潰縮的問題，分析防撞梁與吸能盒的造型與布置。發(fā)現(xiàn)在碰撞發(fā)生過程中，防撞梁的拐角與壁障首先接觸，圖5示出某車型防撞梁拐角與壁障接觸點。某車型防撞梁拐角受力分析，如圖6所示，因防撞梁與吸能盒前端焊接在一起，防撞梁拐角處的受力變形，會帶動吸能盒前端的變形，對吸能盒前端有很強的誘導(dǎo)作用，如果吸能盒前端比較硬，不容易變形，力F在F2方向的分力增加，造成吸能盒向內(nèi)側(cè)傾斜。

圖5 某型車防撞梁拐角與壁障接觸點示意圖

圖6 某型車防撞梁拐角處受力分析示意圖

某型車吸能盒低速碰撞變形仿真結(jié)果，如圖7所示，當防撞梁拐角受力變形，并通過F1和F2向后和向內(nèi)側(cè)擠壓吸能盒時，由于吸能盒前端結(jié)構(gòu)剛度較大，存在較大張力，造成防撞梁不能向后平推吸能盒，致使吸能盒不發(fā)生潰縮，而是向內(nèi)側(cè)傾斜。

圖7 某型車吸能盒低速碰撞變形仿真圖

根據(jù)以上分析結(jié)果可以得出，防撞梁的造型和防撞梁與吸能盒的搭接方式是造成吸能盒未能發(fā)生潰縮的主要原因。在工裝車試制階段，防撞梁造型的設(shè)計變更會引起周邊零部件的變化，并且防撞梁重新開模的費用較高，所以主要考慮在防撞梁與吸能盒搭接區(qū)域進行結(jié)構(gòu)優(yōu)化，優(yōu)化的目標是吸能盒由不潰縮到潰縮的一個起死回生的過程。

2.4 基于試驗結(jié)果基礎(chǔ)上的仿真優(yōu)化

因該車RCAR正面碰撞為剛性壁障，接觸摩擦因數(shù)較小，根據(jù)以上分析結(jié)果，設(shè)置整車與壁障仿真模型的接觸摩擦因數(shù)為0.05，使仿真結(jié)果與試驗狀態(tài)最為接近，在此基礎(chǔ)上對吸能盒進行優(yōu)化設(shè)計。為了使吸能盒具有更大的吸能量和具有更平穩(wěn)的吸能過程，采取一些措施使得變形更趨于理想的軸向折疊壓縮模式[6]。由于吸能盒前端結(jié)構(gòu)配合防撞梁造型進行搭接，造成吸能盒前端結(jié)構(gòu)剛度較大，現(xiàn)削去部分前端結(jié)構(gòu)進行結(jié)構(gòu)優(yōu)化，優(yōu)化后防撞梁向后平推吸能盒，得到較為理想的變形結(jié)果。圖8示出該車吸能盒結(jié)構(gòu)優(yōu)化后仿真圖，圖9示出該車吸能盒結(jié)構(gòu)優(yōu)化后潰縮變形仿真圖。

圖8 某型車吸能盒結(jié)構(gòu)優(yōu)化后仿真圖

圖9 某型車吸能盒結(jié)構(gòu)優(yōu)化后潰縮變形仿真圖

2.5 基于仿真優(yōu)化方案的實車驗證

根據(jù)仿真優(yōu)化結(jié)果，試制部門重新開發(fā)了該車吸能盒樣件，如圖10所示。由于吸能盒結(jié)構(gòu)改動較小，只需在原有模具基礎(chǔ)上進行修改，大大節(jié)省了開發(fā)成本。裝車后進行實車碰撞驗證，圖11示出該車吸能盒結(jié)構(gòu)優(yōu)化后實車碰撞試驗結(jié)果。

圖10 某型車吸能盒優(yōu)化后樣件圖

圖11 某型車吸能盒結(jié)構(gòu)優(yōu)化后實車碰撞試驗圖

通過實車碰撞試驗驗證，優(yōu)化后的吸能盒前端結(jié)構(gòu)剛度弱化，引導(dǎo)防撞梁向后平推吸能盒，吸能盒潰縮狀態(tài)良好，從根本上提升了該車的低速碰撞性能。

3 結(jié)論

文章以某款自主開發(fā)車型在RCAR正面碰撞工況中出現(xiàn)的問題為例，較為系統(tǒng)的描述了碰撞仿真分析中接觸摩擦因數(shù)對仿真結(jié)果的影響，并通過設(shè)置0.05的接觸摩擦因數(shù)真實地復(fù)現(xiàn)了低速RCAR碰撞試驗中出現(xiàn)的問題，并在此基礎(chǔ)上進行結(jié)構(gòu)優(yōu)化，將吸能盒前部與防撞梁相連的結(jié)構(gòu)削去一部分，造成誘導(dǎo)潰縮趨勢。這種改進設(shè)計在工程應(yīng)用中易于實施，最終使優(yōu)化設(shè)計后的吸能盒結(jié)構(gòu)達到理想的變形效果，提高了RCAR保險評估等級。

由此得出，不同的碰撞工況中壁障的材質(zhì)和形狀是有差異的，因此汽車與壁障的接觸摩擦因數(shù)是不同的。在整車碰撞安全開發(fā)過程中，仿真分析手段起到了至關(guān)重要的引導(dǎo)作用。通過針對試驗工況調(diào)整仿真分析的方法，切實地改進了該款車型車體結(jié)構(gòu)耐撞性能，對企業(yè)提升自主品牌具有重要意義。