汽車正面碰撞前縱梁變形仿真分析

王麗萍 寧鈺球 覃鈺杰

摘 要：在汽車正面碰撞中，前縱梁是主要的吸能部件，對汽車的碰撞性能與安全性有重要的影響。為研究汽車前縱梁的性能，對某車100%正面碰撞中前縱梁的變形吸能進行仿真分析，利用HyperMesh建立有限元模型，使用LS DYNA得到計算結果，在HyperView中對計算結果進行后處理獲得了前縱梁的變形情況、前縱梁尾端某一節點X向位移變化曲線，進而分析前縱梁在整車正面碰撞中的變形情況。

關鍵詞：汽車碰撞；前縱梁變形；仿真分析

中圖分類號：U461.91 文獻標識碼：A

汽車的需求就越來越多，致使我國的汽車行業飛速地發展。汽車安全問題便隨之而來，而且傷害是巨大的。據統計，在全世界范圍內由于車禍造成的死亡人數每年有100萬，而中國這樣的傷害每年超過60000人，由于交通事故，中國的死亡人數占世界的16%[1]。這引起有關部門的深切重視，汽車安全性為重中之重。其中被動安全是保護乘員生命安全的最直接有效的方法。而汽車前縱梁的碰撞特性很大程度上影響整車正面碰撞安全性，因此研究汽車前縱梁的碰撞特性，對降低碰撞事故中乘員的傷害值具有重要的意義[2]。

1 汽車安全性理論

汽車在發生交通事故時，最重要的是保證乘員的安全，將乘員的傷害值降到最低。最有效的方式就是保證車輛整體的完整性，避免車體前部部件侵入乘員艙過量。

1.1 限制整車正面碰撞的變形

為了控制車身前部的最大變形量，可以在車輛許可的變形區的后部設置一個變形截止結構，這種變形截止結構是一個剛度、強度均較大的區域，從而強制性的將汽車車身前部的變形控制在變形截止結構內，終止變形，保證乘員艙完整性，如圖1中①所示。

1.2 改變變形的模式

車輛在碰撞后其變形模式主要是褶皺、彎曲和斷裂。前縱梁作為車身前部的主要的碰撞承載部件，對其褶皺變形的控制是非常重要的。如圖1中的②③所示汽車前縱梁的理想狀態。前縱梁要有一定的抗彎性，使前縱梁能夠保持穩定的褶皺變形。并且在碰撞過程中前縱梁的強度要一次向后增強，保證結構變形的次序是從前向后依次變形，如圖1中的④所示。由此可見前縱梁的變形分析在研究汽車正面碰撞中的重要地位。

2 汽車前縱梁有限元模型的建立

利用有限元軟件對汽車前縱梁碰撞模型進行仿真試驗一般有三個步驟，即利用Hyper Works的前處理軟件Hyper Mesh進行前處理工作； LSDYNA軟件進行計算的中處理； Hyper Works的后處理軟件Hyper View進行后處理工作。前處理Hyper Mesh軟件是對已有的CAD模型進行網格化分完成有限元模型，以及對有限元模型的清理和簡化等；中處理就是分析計算：后處理Hyper View則是對汽車碰撞結果進行分析處理，并對相應的結果做出評價與分析。對于汽車碰撞有限元分析流程可以用圖21簡略表示。

2.1 導入模型

將前縱梁CAD模型導入到Hyper Works軟件中的Hyper Mesh前處理模塊，并在Hyper Mesh軟件中進行幾何清理和網格化分。

2.2 幾何清理和網格劃分

導入的前縱梁CAD模型還要進行修補和優化，使其達到要求[3]。主要的工作是刪除重復和多余的面、創建缺失的面等，可以按設置的間距來實現邊的清理。通過改進和優化短邊和小孔、重新布置共享邊和固定點，得到符合要求和質量更好的網格。

所建立的整車模型中，網格密度相對大些的是變形較嚴重的部分。所以車身的前部分，如前縱梁，其網格密度要大些。設置為5mm，并且三角形的單元數應控制在整車單元數的10%以內。前縱梁有限元模型如圖22所示。

2.3 設置邊界條件

2.3.1 設定碰撞初速度

設置碰撞速度為56km/h。在HyperMesh中設置整車的初速度利用Load Collectors按鈕，其工作界面如圖23所示。

在card image中選擇initialVel，輸入初速度名稱，單擊右側的create/edit按鈕，創建并打開初速度關鍵字菜單，如圖24所示。

2.3.2 設置重力加速度

通過HyperMesh中的Tools菜單，選擇creat cards選項，選取*DEFINE_CURVE打開Curve editor定義曲線的界面，如圖25所示。在此界面中，單擊New建立新的重力加速度曲線，分別在X和Y的下方填寫X軸和Y軸的坐標值，從而完成加速度曲線的定義。

2.3.3 設置時長

碰撞模擬的時間長度通過Hyper Mesh中的Tools菜單，選擇creat cards選項，選取關鍵字為*CONTROL_TERMINATION，打開關鍵字菜單，如圖26所示。在該次碰撞仿真中，設置仿真時長為150ms。

3 前縱梁變形分析

遞交LSDYNA 軟件進行計算得到仿真結果。利用HyperView查看分析結果得到前縱梁在0～150 ms之內的變形過程如圖31所示。

由圖31（a）碰撞初始時刻、（b）t=10s 時變形圖、（c）t=20s時變形圖、（d）t=30s時變形圖、（e）t=40s時變形圖可知：前縱梁的變形并不理想、吸收能量的效果比較差。前縱梁沿軸線產生了一定的扭曲。t=10s 時前縱梁只產生了微笑的變形，然后在t=20ms前就開始塌陷，應力集中于縱梁前部。待20s后前縱梁就發生了十分明顯的彎曲變形。從圖中可看出前縱梁的尾部呈下彎趨勢，且比較嚴重。這樣的彎曲變形導致了前縱梁接受力的能力變差，并不能充分地去吸收碰撞的力。由于前縱梁的失效使得它不能吸收的力傳遞到乘員艙，使乘員艙變形加大，沒有保證乘員艙的完整性，造成的后果就是對乘員造成了極大的傷害，乘員被困，甚至威脅到乘員的生命安全。

如圖32所示，前縱梁尾端節點最大位移約為450mm左右，這樣的位移結果可以看出前縱梁的彎曲變形是比較大的。

4 總結

通過對前縱梁變形和入侵量的分析可知，汽車在碰撞剛性故障壁時，首先受到碰撞的是保險杠，但保險杠的抵抗能力有限，很快就會崩潰，所以接下來的前縱梁就會繼續接受碰撞的力，所以前縱梁能否接受這樣的撞擊力，不產生彎曲這樣的失效變形就變得尤為重要。使用有限元仿真方法對汽車前縱梁進行了正面碰撞模擬仿真計算，對計算結果中的前縱梁變形圖、前縱梁入侵量曲線進行分析，進而對前縱梁的安全性與重要性做出了評價與分析。

參考文獻：

[1]王東海，郭超.依維柯車身正面碰撞仿真研究[J].信息化調查，2013.3.24.

[2]田國富，楊成國.汽車前縱梁正面碰撞仿真分析研究[J].機械工程師，2017.11.10.

[3]黃崢.某轎車側面碰撞安全性能優化改進研究[D].安徽農業大學，2012.

作者簡介：王麗萍（1987），女，黑龍江齊齊哈爾人，碩士，研究方向為載運工具運用工程。