車身碰撞安全的若干關鍵技術

保振安 靳育平

1.上汽通用五菱汽車股份有限公司 廣西柳州市 545007 2.柳州五菱汽車工業有限公司 廣西柳州市 545007

1 引言

考慮到我國汽車工業技術及社會發展趨勢，汽車交通事故在短期內依舊無法完全避免，甚至會出現一定程度的增加趨勢，因此，為了進一步提升我國的道路交通安全防控能力，提升對交通事故的可控性，必須加大對汽車安全性的研究，最大程度降低交通安全事故給人民群眾來的的生命財產損失。在具體的汽車安全性研究領域中，汽車碰撞實驗是研究汽車安全性能必不可少的內容之一，通過碰撞實驗能夠客觀、真實的獲取車輛在真實碰撞條件下的變形抵抗能力，從而客觀評定車輛的安全性。不論是哪家汽車生產廠商，在研發出一款新車型后，勢必會進行全面的車輛碰撞實驗，獲取車輛抵抗碰撞變形的能力，從而全面評估車輛安全性能。

2 關于車輛碰撞問題的整車碰撞模型仿真技術分析

2.1 關于車輛碰撞問題的仿真模型有限元分析基本流程

在車輛碰撞實驗過程中，為了降低實驗的投入，實現碰撞實驗的精準性，提升實驗效率，在具體的車輛碰撞實驗前，可以考慮建立有限元模型進行仿真分析，獲取碰撞理論值，再將理論值與實驗值進行比對，提升實驗值的可參考性。在具體的碰撞模型建立過程中，應該遵循以下基本建模流程：第一，先對擬研究對象建立一定比例的縮尺模型，在縮尺過程中必須考慮縮尺后的力學參數的相應削減系數，在建立幾何模型的過程中，可以選用CAD軟件建立；第二，為了實現模型的有限元分析，必須將幾何模型轉變為有限元模型，為了實現模型的遷移，必須先將CAD格式的文件轉變為igs格式，并將文件導入ANSYS有限元分許軟件中；第三，對幾何模型劃分節點和單元，將幾何模型轉化為有限元模型，實現網格劃分；第四，對模型中各部分賦予真實的力學屬性和參數，并施加相應的荷載及邊界條件，編寫相應的碰撞命令流，運行程序，有限元計算完畢后，進入軟件后處理模塊，提取碰撞后車體相應的應力、應變分布云圖和相應數據，通過分析運算結果和相應云圖判定車輛的碰撞情況。

2.2 關于車輛碰撞有限元模型建立的關鍵問題分析

在車體碰撞過程中，由于劇烈膨脹因素影響，此過程發生的碰撞行為屬于大變形動力學過程，由于材料出現大變形，在具體分析中就無法回避運算過程中出現的幾何非線性、材料非線性及較為復雜的單元接觸問題，由于運算過程涉及到較為明顯的非線性，在運算過程中很容易出現運算不收斂問題。因此，為了提升運算的效率和精確性，增加運算收斂的可能性，可以考慮對單元網格進行動態調整，優化各材料的本構關系，尤其是材料在非線性階段的本構關系。此外，應該選取合理的接觸單元，保證接觸單元在運算過程中不會出現大變形和單元畸變問題。比如，在分析過程中，汽車的前保險杠部分一般選用鋁合金制成，縱梁材質為高強度鋼，在具體分析過程中，保險杠和縱梁的接觸不能簡單選定為綁定，可以添加接觸單元模擬縱梁和保險杠之間的連接，從而提升分析的可行性和精確性。

2.3 關于車輛正面碰撞問題分析

關于車輛正面碰撞過程中的能量分析，車輛碰撞從能量角度分析屬于能量典型的能量轉化過程，為了提升材料的抵抗碰撞能力，可以考慮加強車輛的吸能能力，實現短時間內的能量快速消解，能量吸收可以通過塑性變形來吸收，塑性變形吸收能量可以從碰撞速度方面分配，實現結構的穩定性，能夠將能量快速從車頭擴散到整車。關于車輛正面碰撞的能量變化曲線分析，在具體的碰撞過程中，車輛的總能量保持不變，伴隨車輛突然出現剛性碰撞開始，車身出現局部碰撞大變形，在大變形過程中吸收能力，增加車輛內能，伴隨車輛變形的增加，內能呈現非線性增加形式，動能一部分轉化為內能，總動能降低，所以在碰撞過程中會出現部分能量耗損的現象。關于車輛的正面碰撞加速分析，在車輛碰撞階段，車體前半部分是主要的變形部位，車輛B柱以后變形較小。因此，在采集車輛碰撞過程中的加速度值時，可以將傳感器安裝在支撐B柱下方。

3 關于車輛碰撞過程中的側面碰撞有限元分析

3.1 關于車輛側面碰撞過程中的有限元分析模型建立

在具體的車輛側面碰撞分析過程中，同正面碰撞一致，參照上述流程建立具體的有限元分析模型，并將車輛的幾何模型導入到ANSYS有限元計算軟件中，并將分析對象的各參數賦予模型中。在具體分析前，編寫相應的命令流實現車輛之間的側面碰撞，在選定具體的側面碰撞位置時，可以考慮將碰撞點選在前排副駕駛位置的R點位置，上下誤差不超過20cm。

3.2 關于車輛側面碰撞的有限元計算結果分析

關于車輛側面碰撞的計算結果分析，在有限元計算軟件中，車輛側面碰撞設定的碰撞仿真計算時間為100毫秒，在整個有限元模擬分析階段，為了保證分析的可視性，通過編寫命令流顯示全程動畫過程，若在輸出時間點得到的圖像越多，在動畫中就越能反饋出車輛側面碰撞過程中的真實情況。有限元分析過程完畢后，可以獲取具體的車輛車身變形情況，在獲取的最后一步計算步完成后的變形云圖中選取車身變形最嚴重的側面進行詳細分析，車輛側面在受到對象車輛的撞擊下，將發生較為嚴重的變形，此種變形可以歸結為大變形問題，且部分銜接位置將出現明顯的褶皺，通過分析變形云圖可以發現，在車輛B柱的上部出現兩種褶皺變形，且伴有一定程度的屈曲問題，屈曲位置有出現瞬間脆斷的趨勢。與100%正面剛性壁障不同，側碰移動壁障前端是可變形的碰撞塊，其剛度根據大量的側面碰撞交通事故提出的，代表乘用車汽車前端的平均剛度，為了便于比較和評價不同車型側面結構對乘員保護的能力，故采用同一標準的變形壁障。因此在側面碰撞中移動壁障作為變形吸能的一部分，對結果具有很大的影響。

此外，為了提高有限元模擬計算的準確性和計算效率，建議在既有模型的基礎上進一步改進模型。考慮到在碰撞模擬結果中發現車輛B柱位置的上部出現了較為嚴重的屈曲問題，且隨時有斷裂的可能性，可以考慮在該處增加結構強度，加厚柱厚度，為了降低加固成本，可以選用屈服強度為300Mpa左右的鋼板，與B柱貼合，該加固操作簡便，且易于實現。關于車輛碰撞的安全性能評估分析，在具體的車輛碰撞實驗過程中，尤其是在側面碰撞過程中，為了模擬人員在車輛內部出現的傷害，可以選用假人實驗，通過分析實驗完成后假人的傷害程度可以間接反應車輛的抵抗碰撞能力。假人在反應車輛安全性能方面主要體現在假人頭部、假人胸部及假人的下腹部和骨盆及股骨位置。通常情況下，經過大量實驗研究發現，假人碰撞實驗后的傷害情況一般反映在假人胸部、下腹部和骨盆位置，在實驗中發現，假人頭部受傷的指標遠低于其他部位，故此次實驗不考慮頭部受傷問題。實驗研究表明，側向碰撞后，假人在上述三個位置均出現傷害情況，其中下腹部和骨盆的傷害程度最大。

4 結語

伴隨車輛保有量的進一步增加，車輛交通事故出現的頻率快速上升，交通安全日益被關注，道路交通事故已經成為世界性的一大社會難題。在汽車交通事故中，正面碰撞發生的幾率最大，約占汽車碰撞的40%。本文研究整車碰撞和整車側面碰撞，希望對提高汽車安全性能有所幫助。