“車身結構碰撞力學特性”實驗教學系統(tǒng)設計

武櫟楠，楊昌海，李婧錫

（吉林大學 汽車工程學院，吉林 長春 130000）

汽車碰撞安全性和輕量化是目前汽車技術的研究熱點[1]。吉林大學汽車工程學院車身工程系為適應行業(yè)發(fā)展和支撐“雙一流”學科建設，開設了汽車碰撞安全性、車身設計、輕量化材料與工藝等相關領域課程。

進行汽車抗撞性和輕量化設計時，需要獲得車身結構的重要碰撞力學性能參數(shù)，如吸能量、變形模式、碰撞力等[2]。目前關于車身結構抗撞性的教學主要包含在“汽車碰撞安全性”課程中，由于缺少沖擊實驗臺等儀器設備，無法進行實物碰撞實驗，傳統(tǒng)的車身結構碰撞力學特性教學以理論計算輔助計算機仿真為主。

“新工科”人才培養(yǎng)更加重視實驗與理論教學的相互結合以及學生自主學習和獨立解決問題能力的培養(yǎng)。本文設計開發(fā)了車身結構件動態(tài)沖擊實驗臺，完善和改進了傳統(tǒng)教學方法，建立了“理論—仿真—實驗”一體化的車身結構碰撞力學特性實驗教學系統(tǒng)，并應用在大學生開放創(chuàng)新實驗項目“薄壁梁沖擊力學特性測試”中，取得了良好的教學效果。

1 車身結構動態(tài)沖擊實驗臺開發(fā)

考慮車身結構的尺寸和特點以及對沖擊速度、沖擊能量和測試精度的要求，設計了車身結構動態(tài)沖擊實驗臺，主要由主機、防二次沖擊系統(tǒng)、控制系統(tǒng)、數(shù)據(jù)采集與分析系統(tǒng)4大部分構成，如圖1所示。

圖1 車身結構動態(tài)沖擊實驗臺

主機是進行實驗的主要部分，其工作原理是利用重力和蓄能裝置對錘體進行初始加速，實現(xiàn)對車身結構沖擊載荷的施加，能夠在較小的高度范圍內使錘體達到所需的沖擊速度[3-5]。主要包括錘體、錘頭、傳感器、橫梁、蓄能彈簧等。主機采用電機驅動，滾珠絲杠傳動，通過橫梁帶動錘體上升和下降運動。主機的主要技術參數(shù)如表1所示。

表1 主機主要技術參數(shù)

防二次沖擊系統(tǒng)主要由舉升氣缸、緩沖器等組成。當沖擊完畢后，控制系統(tǒng)發(fā)出指令，舉升氣缸向上舉升，達到托錘的目的，防止錘體發(fā)生意外跌落。

控制系統(tǒng)由可編程控制器 PLC（programmable logic controller）實現(xiàn)。PLC與計算機連接，全部操作納入計算機控制。

數(shù)據(jù)采集與分析系統(tǒng)采用美國進口SOC（system on chip）片上系統(tǒng)，結合FPGA（field programmable gate array）技術，可以實現(xiàn)高速采集、高速運算、實時顯示功能。為操作方便設計了人機交互界面，如圖2所示。通過操作軟件可方便實現(xiàn)實驗參數(shù)設置、對主機發(fā)布動作命令、傳輸實驗數(shù)據(jù)、數(shù)據(jù)導出、生成實驗報告等功能。

圖2 數(shù)據(jù)采集與分析系統(tǒng)人機交互界面

車身結構動態(tài)沖擊實驗臺不但能夠測定車身結構受到高速沖擊載荷后的能量吸收及失效破壞，還可以測試材料的沖擊性能參數(shù)，具有測試精度高、操作安全、數(shù)據(jù)采集分析一體化等優(yōu)點，不但能用于汽車碰撞和輕量化設計，還可應用在車身制造、材料力學、材料成形等領域。

2 實驗教學系統(tǒng)設計

以培養(yǎng)學生綜合實踐能力為宗旨，將教學資源優(yōu)化整合，建立車身結構碰撞力學特性實驗教學系統(tǒng)，整個系統(tǒng)包括3個環(huán)節(jié)，如圖3所示。

圖3 車身結構碰撞力學特性實驗教學系統(tǒng)框架

2.1 理論計算

車身結構多為薄壁梁結構，如防撞梁、前縱梁，在汽車發(fā)生碰撞時這些薄壁梁結構起主要的吸能和傳力作用[6-7]。薄壁梁的碰撞力和吸能量主要與其材料類型、截面尺寸和厚度有關，車身中常見的薄壁梁截面有單帽形和雙帽形，如圖4所示。

受到軸向力作用時，單帽形和雙帽形薄壁梁平均壓潰力Fm的表達式分別為[8-9]：

圖4 薄壁梁截面形式

式中σu為材料的抗拉強度，l為截面周長，t為截面厚度。

由平均壓潰力Fm和軸向變形量Δd進一步求得薄壁梁的吸能量E：

理論計算的教學目的是使學生對車身結構的碰撞特性有一個初步的認識，為后續(xù)的虛擬仿真實驗和動態(tài)沖擊實驗提供理論支撐。學生需自行設計薄壁梁截面尺寸并選擇合適的材料，然后利用理論公式對薄壁梁的壓潰力和吸能量進行估算。學生需掌握碰撞過程中功能轉換的基本原理，了解理論公式中各個參數(shù)的物理意義和對結構抗撞性的影響。

2.2 虛擬仿真實驗

虛擬仿真實驗作為一種新的實驗形式，其優(yōu)勢在于不受實驗場地、實驗時間和儀器設備的影響，僅使用一臺計算機和相應的軟件便可進行。

目前國內很多高校已經(jīng)陸續(xù)建立了虛擬實驗教學中心。我校全球“教育伙伴推進計劃”（PACE中心）擁有60多臺高性能計算機工作站和多媒體教學設備，并配套了價值2.53億美元的CAD/CAE/CAM及其專業(yè)配套的虛擬仿真軟件。實驗教學系統(tǒng)中的虛擬仿真實驗環(huán)節(jié)主要依托我校PACE中心進行。

車身結構碰撞實驗屬于破壞性實驗，且不可重復。計算機仿真是目前研究車身抗撞性的主要方法[10-11]。利用有限元仿真軟件在計算機上模擬碰撞過程，分析實驗過程和實驗數(shù)據(jù)，反復對模型進行修改和優(yōu)化，一方面可以節(jié)省實物實驗費用，另一方面可以為結構優(yōu)化設計提供方向性指導，提高實物實驗的成功率。

虛擬仿真實驗過程中，教師講解汽車碰撞仿真發(fā)展歷程、常用軟件、有限元分析的一般過程，演示Ls-Dyna、HyperMesh軟件的基本操作方法。學生需自己動手操作軟件完成車身結構幾何模型建立、有限元模型建立及計算分析。通過該環(huán)節(jié)使學生了解碰撞仿真的基本方法及一般過程，掌握仿真軟件的基本操作及數(shù)據(jù)處理方法，通過觀察車身結構塑性變形過程及變形模式，更深入地理解碰撞力學原理，并對動態(tài)沖擊實驗的結果進行預測。

2.3 動態(tài)沖擊實驗

車身設計和開發(fā)過程中，結構的碰撞性能最終是通過動態(tài)沖擊實驗來進行測試和評價的。

在車身結構碰撞力學特性實驗教學系統(tǒng)中，當學生完成理論計算和虛擬仿真實驗后，需要通過沖擊實驗來對理論計算和虛擬仿真實驗結果進行驗證。該環(huán)節(jié)利用本文開發(fā)的車身結構動態(tài)沖擊實驗臺，通過加工樣件、安裝樣件、操作實驗臺等步驟完成對樣件的動態(tài)沖擊實驗，使學生直觀了解薄壁梁的變形和吸能過程，掌握實驗臺的操作方法，以及實驗數(shù)據(jù)的處理和分析方法，達到鍛煉學生動手實踐能力的目的。

3 實驗教學系統(tǒng)應用

吉林大學開放創(chuàng)新實驗項目“薄壁梁沖擊力學特性測試”屬于本科生課外選修實驗，性質為綜合性、研究性實驗，目前已經(jīng)開設了3個學期，每學期累計教學約30人次。該實驗課利用本文設計的“理論—仿真—實驗”一體化的車身結構碰撞力學特性實驗教學系統(tǒng)，得到車身典型薄壁梁的吸能量、變形量、變形量-壓潰力曲線等碰撞力學特性。

利用實驗室開放機制，采取學生自主實驗為主，教師從旁引導為輔的教學模式，實驗以小組為單位，每組3～5名學生分工協(xié)作。每組需獨立完成一個實驗樣件的理論計算、虛擬仿真實驗和動態(tài)沖擊實驗3個環(huán)節(jié)，最后得到實驗數(shù)據(jù)并完成實驗報告，以達到鍛煉學生自主學習能力和獨立解決問題能力的教學目的。

結合某組學生的實驗數(shù)據(jù)，具體說明實驗教學系統(tǒng)的應用過程如下。

3.1 理論計算

設計樣件截面并確定樣件參數(shù)。該組設計的薄壁梁截面是圖4(a)中所示的單帽形。樣件材料為Q235，屈服強度σs為235 MPa，抗拉強度σu為395 MPa。樣件軸向長度L為400 mm，厚度t為1 mm，a和b均為 60 mm，f為 25 mm，截面周長l（2a+2b+4f）為340 mm。

估算碰撞力、吸能量。利用公式（1）計算得到該實驗樣件的平均壓潰力為24500 N，利用公式（3）計算得到當樣件壓潰變形量為 100 mm時的吸能量為2450 J。

3.2 虛擬仿真實驗

建立幾何模型、有限元模型。利用 Catia軟件建立薄壁梁碰撞幾何模型，生成 IGS格式文件。利用HyperMesh軟件導入幾何模型，通過劃分網(wǎng)格、設置材料和截面屬性、加載邊界條件、定義輸出等完成有限元模型建立。

仿真計算。將建立好的有限元仿真模型提交至Ls-Dyna軟件求解計算。

提取數(shù)據(jù)、曲線。在Ls-Dyna后處理模塊中觀察仿真動畫，每隔10 ms截取一張圖片，如圖5所示。通過分析可知當碰撞時間為30 ms時，薄壁梁的變形量為100 mm，此時對應的吸能量為2753 J，同時提取出薄壁梁的壓潰力-變形量曲線。

圖5 虛擬仿真實驗動畫

3.3 動態(tài)沖擊實驗

加工樣件。加工出單帽形薄壁梁的兩片鋼板，再通過焊接的方式將鋼板連接在一起，焊點間距為25 mm。

安裝樣件。將樣件垂直放置在實驗臺主機的砧座上，保證沖擊點與樣件橫向中心偏差小于1 mm。

沖擊實驗。根據(jù)理論計算和虛擬仿真實驗結果，在操作軟件中設置動態(tài)沖擊實驗的碰撞能量為2600 J。依次點擊預置高度、錘頭定位、橫梁上升，完成沖擊高度的計算、沖擊點位置的確定，并將錘體提升到所需的沖擊高度。點擊沖擊落錘釋放錘體，完成對樣件的沖擊。沖擊結束后，依次點擊抓錘、橫梁上升，使錘體抬升一定高度，然后取出樣件。

提取數(shù)據(jù)、曲線。該組沖擊實驗后樣件的變形如圖6所示。測量樣件的變形量，并從操作軟件中導出測得的壓潰力-變形量曲線。

圖6 樣件最終變形

3.4 實驗結果分析

該組學生通過理論計算、虛擬仿真實驗和動態(tài)沖擊實驗得到的薄壁梁壓潰力-變形量曲線如圖7所示，平均壓潰力、變形量、吸能量對比如表2所示。

圖7 壓潰力-變形量曲線對比

表2 實驗數(shù)據(jù)對比

這些數(shù)據(jù)可用于評價本次實驗使用的薄壁梁的碰撞性能，并作為其結構優(yōu)化設計的依據(jù)。

4 結語

（1）設計了專門用于車身結構動態(tài)沖擊的實驗臺，能夠實現(xiàn)對結構件的高速沖擊，并準確記錄相關實驗數(shù)據(jù)，滿足車身結構件的測試要求。

（2）建立了完整的“理論—仿真—實驗”一體化的車身結構碰撞力學特性實驗教學系統(tǒng)，對其他實驗課程教學體系的建立具有一定的借鑒作用。

（3）應用該實驗教學系統(tǒng)，使學生深入透徹地理解了車身結構碰撞力學的基本原理，掌握了碰撞仿真軟件的基本操作及動態(tài)沖擊實驗臺的使用，在拓展理論知識的同時，鍛煉了學生自主學習能力和綜合解決問題能力。