CAE分析在汽車被動安全設計中的應用

鄭州日產汽車有限公司技術中心 祝小康 李夢帆 蘇秀榮

一．引言

保證汽車結構的碰撞安全性以提高乘員的被動安全，早已成為汽車設計過程中優先考慮的工作。本文主要從白車身的正碰、側碰和尾碰3個方面著手介紹了CAE在汽車被動安全性設計中的具體應用。

二． CAE分析的動力學模擬理論

大多數非線性動力學問題都是采用顯式求解方法，特別是在求解大型結構的瞬時高度非線性問題時，顯示求解方法有明顯的優越性。下面簡要介紹一下顯示求解方法。

圖1 彈簧阻尼系統示意圖

如圖1所示，先考慮簡單的單自由度線性彈簧阻尼系統，根據達朗貝爾動力學原理可得：為加速度，為速度，u為位移，p(t)為外力。對于非線性問題， k為位移u的函數，方程為：

對于非線性問題用解析方法一般很難求解，所以應用數值解法來求解，常用的為有限差分法和有限元法。對于有限元法而言，上述運動方程的矩陣形式為：

求解該運動方程目前使用較多的方法有兩種，一種是振型疊加法，另一種是逐步積分法。對于復雜問題，一般采用逐步積分法。

三． 汽車門鎖及車門保持件性能的CAE模擬分析

本文所述車型的側滑門是在已有車型的基礎上進行重新造型、重新設計的側滑門，因此需要重新校核其是否滿足國標《GB15086汽車門鎖及車門保持件的性能要求和試驗方法》的法規要求。

本文利用Hyperworks軟件對側滑門及側圍總成采用殼單元進行網格劃分，可得172358個單元、181232個節點。在安裝螺栓孔位置和焊點處作RBE2 SPIDER連接，側滑門內外板粘膠處作一層solidmap實體單元。利用LS-dyna R6進行模擬分析。

1.約束和加載

①約束車身截面處所有節點6個方向的自由度。

②加載位置及加載裝置位移示意圖如圖2所示，兩個壓頭上分別施加9kN的壓力。

圖2 CAE加載位置及加載過程示意圖

2. [N]版數據的模擬分析

（1）方案說明

[N]版數據的C柱鎖扣安裝處側圍內外板總成由2個點焊焊點連接，如圖3所示

圖3 [N]版數據C柱鎖扣安裝處側圍內外板總成的連接示意圖

（2）分析結果

通過計算可知側滑門總成的最大位移量為100.4mm，不滿足法規要求（法規要求試驗后最大間隙值＜100mm），方案NG。

模擬分析的加載過程如圖4所示，C柱內外板的位移云圖如圖5所示，模擬分析后側滑門與側圍的間隙示意圖如圖6所示。

圖4 [N]版數據模擬分析的加載過程示意圖

圖5 [N]版數據C柱內外板的位移云圖

圖6 [N]版數據模擬分析后側滑門與側圍的間隙示意圖

3.[1]版數據的模擬分析

（1）方案說明

[1]版數據在[N]版數據的基礎上，在C柱鎖扣安裝處附近增加1個連接支架和1個焊點，具體如圖7所示

圖7 [1]版數據C柱鎖扣安裝處附近側圍內外板總成的連接示意圖

（2）分析結果

通過計算可知側滑門總成的最大位移量為68.5mm，相比[N]版數據試驗后的最大間隙值（100.4mm）得到很大改善，且滿足法規要求（法規要求試驗后最大間隙值＜100mm），方案OK。

模擬分析的加載過程如圖8所示，C柱內外板的位移云圖如圖9所示，模擬分析后側滑門與側圍的間隙示意圖如圖10所示

圖8 [1]版數據模擬分析的加載過程示意圖

圖9 [1]版數據C柱內外板的位移云圖

圖10 [1]版數據模擬分析后側滑門與側圍的間隙示意圖

4.總結

將[N]版數據和[1]版數據的結果匯總如表1所示，由表1可知：

結構改進后，C柱內板Y向位移量無明顯變化；

結構改進后，C柱外板的Y向位移量減少41%；

結構改進后，試驗過程中車門后側間隙量明顯減小，且滿足法規要求（法規要求試驗后最大間隙值＜100mm），側滑門試驗后未脫開。

表1 結構改進前后的模擬分析結果對比表

四． 結語

本文通過對LS-dyna R6在某車型中對汽車門鎖及車門保持件性能的模擬分析為例，簡述了CAE在汽車安全性設計中的具體應用。利用CAE技術對汽車安全部品的設計進行模擬分析，可以有效地評估設計方案的可行性，避免后期實車試驗時方案NG對項目節點延后、設計方案無法改進、試驗費用高等問題的產生。