車輛碰撞過程中金屬材料應變率范圍分析

閆海濤 張文超 張桂賢

（1.中國第一汽車股份有限公司天津技術開發分公司；2.中國汽車技術研究中心）

汽車耐撞性分析是一個涉及幾何非線性、材料非線性及邊界非線性的動力學問題[1]，在汽車開發過程中，各個車企都花費大量人力物力進行整車結構耐撞性仿真分析。整車碰撞過程中，材料變形是一個高應變率的響應過程[2]，其應變率效應對整車碰撞仿真精度有較大影響[3-4]。目前主要通過近似本構方程和應變率曲線組2種方法對材料應變率效應進行模擬[5-6]，而這2種方法均需要n條不同應變率下的應力應變曲線作為輸入。因此材料拉伸試驗的應變率選取對應變率效應模擬的準確性至關重要，這也直接影響到碰撞仿真分析的準確性。基于此，文章分別對正面和側面碰撞工況下關鍵部件的應變率范圍和分布進行分析，綜合分析結果，可以為車身關鍵部件的應變率拉伸試驗提供參考依據，從而提高整車結構耐撞性仿真分析精度。

1 碰撞工況和仿真模型

基于C-NCAP（2015版）碰撞工況，搭建了整車碰撞模型，如圖1所示。模型中設置動畫輸出間隔為1 ms，涉及的高強鋼包括 SAPH440，DP780，DP590，DP1180，B1500HS等。

圖1 整車碰撞模型

2 正面碰撞應變率范圍和分布

2.1 100%正面碰撞應變率分析

對于正面碰撞工況（包括100%正碰和40%偏置碰），關鍵部件包括防撞梁、吸能盒、前邊梁、shotgun、前圍板及機蓋等，如圖2所示。應用LS-PrePost分別對這些部件進行后處理，并刪除局部導致應變率劇增的單元，得到其在變形過程中應變率范圍和分布云圖。圖3示出防撞梁應變率最大時刻云圖，從圖3中可以得到其變形過程中最大應變率約為358 s-1。

圖2 正面碰撞關鍵部件

圖3 防撞梁應變率最大時刻云圖

圖4示出防撞梁在變形過程中參與不同應變率范圍的單元網格分布。由于防撞梁中間位置強度對其承載能力影響較大，因此，需重點關注該位置應變率的變化。從圖4可以看出，防撞梁中間位置應變率主要分布在200 s-1以內。

圖4 防撞梁不同應變率范圍的網格單元分布

應用相同方法對其它關鍵部件的鈑金進行應變率范圍與分布分析，對稱位置鈑金以應變率最大為準則得到其最終結果。圖5示出正面碰撞關鍵部件18塊鈑金的分析結果。從圖5中可以得到100%正面碰撞過程中，應變率值較大的鈑金主要是吸能盒、前邊梁、防撞梁和前圍板，最大值為570 s-1，主要分布在400 s-1以內；其余部件應變率最大值均小于100s-1，主要分布在50s-1以內。

圖5 100%正面碰撞主要部件應變率范圍和分布

2.2 40%偏置碰撞應變率分析

40%偏置碰撞過程中，主要是左邊部件發生變形，因此，只需對左側關鍵部件進行應變率分析，其結果如圖6所示。

圖6 40%偏置碰撞主要部件應變率范圍和分布

在40%偏置碰撞開始階段，由于可變形壁障吸收了一部分能量，傳遞到車身上的沖擊力減小，所以關鍵部件應變率范圍和分布小于100%正面碰撞工況。從圖6可以得到，偏置碰撞過程中，應變率值較大的部件與100%正面碰撞相同，最大值也發生在吸能盒，為423 s-1，應變率主要分布在350 s-1以內；其余部件應變率最大值大多小于100 s-1，主要分布在50 s-1以內。

3 側面碰撞應變率范圍和分布

側面碰撞工況下，主要變形部件為駕駛員側的中柱、車門、門檻及地板等，如圖7所示，對于前后車門內板、外板及車門防撞梁等，以應變率最大值為準則得到最終結果。

圖7 側面碰撞關鍵部件

分別對這些部件的鈑金進行應變率分析，得到其側碰工況下關鍵部件的應變率范圍和分布，如圖8所示。從圖8中可以得到側碰工況下，應變率最大值發生在地板，為270 s-1，主要分布在200 s-1以內；其余部件應變率大多數小于100 s-1，主要分布在50 s-1以內。

圖8 側面碰撞主要部件應變率范圍和分布

對于以上結果，以鈑金應變率為樣本進行分析，如圖9和圖10所示。從圖9和圖10中可以看出，應變率最大值大多數小于200 s-1，且主要分布在100 s-1以內。

圖9 車身鈑金應變率最大值比例

圖10 車身鈑金應變率主要分布比例

4 結論

通過對汽車碰撞工況下關鍵部件應變率分析得到：1）該平臺車型在C-NCAP（2015版）碰撞工況下，鈑金應變率大多數小于200 s-1，主要分布在100 s-1以內；2）吸能盒、防撞梁、前邊梁及前圍板的材料，其應變率范圍較大，最大值可以達到500 s-1，主要分布在400 s-1以內；3）側碰的關鍵部件應變率值偏小，最大值為270 s-1，主要分布在50 s-1以內。

對該平臺車型鈑金材料進行動態拉伸試驗時，可以參考以上分析結果，有針對性地選擇加載速度，避免過高加載速度，從而得到更準確的應變率參數，提高該平臺車型碰撞仿真分析準確性。