某商用車前下部防護(hù)碰撞特性分析

趙航 王一哲 張俊

摘 要：商用車前下部防護(hù)在汽車碰撞減輕乘員傷亡方面起到關(guān)鍵作用。文章以某商用車前下部防護(hù)為例，基于前下部防護(hù)碰撞法規(guī)，聯(lián)合HYPERWORKS-LSDYNA軟件建立了碰撞分析有限元模型，分析了該前下部防護(hù)碰撞性能。分析表明，該前下部防護(hù)碰撞性能符合法規(guī)、材料斷裂延伸率要求，能量曲線也從側(cè)面驗(yàn)證了仿真的可靠性與真實(shí)性。

關(guān)鍵詞：前下部防護(hù);碰撞法規(guī);碰撞分析

中圖分類號(hào)：U463 ?文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A ?文章編號(hào)：1671-7988（2020）04-121-03

Collision Performance Analysis of A Commercial Vehicle Front UnderProtective Devices

Zhao Hang， Wang Yizhe， Zhang Jun

（?Shaanxi Heavy Duty Automobile Co.?Ltd.， Shannxi Xian 710200?）

Abstract：?The commercial vehicle front under protective device plays an important role in reducing the casualties of passengers in vehicle collision. This paper based on the Front Under Protective Devices regulation， established the finite element model of collision analysis with HYPERWORKS-LSDYNA software， has analyzed the front under protective devices collision performance in detail. The analysis shows that the collision performance of this front under protective devices confirms to the regulations、material fracture rate， the energy also verifies the reliability and authenticity of the simulation.

Keywords： Front under protective devices; Collision regulations; Collision performance

CLC NO.： U463 ?Document Code： A ?Article ID：?1671-7988（2020）04-121-03

前言

汽車前下部防護(hù)應(yīng)用在當(dāng)前各種類型商用汽車中，其主要是指專門的前下部防護(hù)裝置或依靠自身外形和特性能夠具有前下部防護(hù)功能的車輛車體、車架部件或其他部件（防護(hù)橫梁、斜支撐、連接件等），旨在汽車發(fā)生碰撞時(shí)對(duì)車輛沖擊有足夠阻擋力，吸收和緩和碰撞產(chǎn)生的外界沖擊載荷，減小乘車人傷害的一種安全裝置^[1]。

基于此，深入研究汽車前下部防護(hù)碰撞特性，對(duì)前下部防護(hù)各部件吸能特性與變形規(guī)律進(jìn)行分析，設(shè)計(jì)更加優(yōu)良的前下部防護(hù)，具有重要的現(xiàn)實(shí)意義。

本文以更新Lagrangian增量算法^[2]的碰撞理論為基礎(chǔ)，建立了某商用車前下部防護(hù)有限元分析模型，分析了該前下部防護(hù)碰撞特性。本論文不僅揭示了前下部防護(hù)碰撞特性，也為前下部防護(hù)裝置的研究工作提供技術(shù)參考。

1?數(shù)值分析模型

1.1?前下部防護(hù)碰撞有限元模型

前下部防護(hù)模型如圖1所示，圖中，安裝支座（3）設(shè)計(jì)有支撐車架的支架，以增大安裝支座吸能作用，減小碰撞時(shí)車架能量吸收，使其具有更好的穩(wěn)定性;防護(hù)橫梁（7）則采用更加美觀的截面結(jié)構(gòu)，截面設(shè)計(jì)為不同厚度以得到較小橫梁重量。利用HYPERMESH軟件建立某商用車前下部防護(hù)幾何模型。為了減小計(jì)算量，截取車架縱梁（1）的一部分，全約束車架端面;省略模型中的螺栓連接，利用RB2單元模擬;加載面（6）與防護(hù)橫梁（7）接觸面進(jìn)行面面接觸，根據(jù)前下部防護(hù)碰撞法規(guī)，在防護(hù)橫梁相應(yīng)位置利用加載面施力，分析前下部防護(hù)各部件碰撞特性。

1.2?前下部防護(hù)碰撞相關(guān)參數(shù)

前下部防護(hù)碰撞CAE仿真中，大多數(shù)采用部分積分類型，由于碰撞模型網(wǎng)格中有較多的四邊形殼體和實(shí)體單元，計(jì)算可能出現(xiàn)沙漏，而沙漏的產(chǎn)生將對(duì)計(jì)算結(jié)果造成巨大影響，因此需要對(duì)沙漏進(jìn)行設(shè)置，同時(shí)，為驗(yàn)證仿真結(jié)果的正確性，可以根據(jù)能量守恒定律，利用系統(tǒng)能量曲線來判斷結(jié)果的正確性。此外，為了評(píng)價(jià)前下部防護(hù)的碰撞性能，可以利用各部件變形量δ_e、應(yīng)變ε_e、吸收能量E作為評(píng)價(jià)指標(biāo)^[3]。

（1）各部件變形量δ_e

汽車碰撞過程中，前下部防護(hù)將吸收大部分碰撞過程產(chǎn)生的動(dòng)能，各部件變形量則反映著吸能的大小，直接影響駕駛艙的安全性能。各部件在同等撞擊力的作用下，變形量越小，前下部防護(hù)系統(tǒng)剩余壓縮空間越大，從而有更大的壓縮位移余量來吸收動(dòng)能，但若達(dá)到某一臨界值，防護(hù)橫梁將被壓潰，前下部防護(hù)系統(tǒng)受到破壞，駕駛艙安全性受到影響。因此，根據(jù)前下部防護(hù)碰撞法規(guī)，本文加載面作用下的各部件變形δ_e應(yīng)小于400mm，加載面上的加載曲線應(yīng)如圖2所示。

（2）應(yīng)變ε_e

汽車碰撞過程中，汽車前下部防護(hù)系統(tǒng)由不同材料組成，因此各部件存在不同的應(yīng)變，應(yīng)變的大小影響著材料的吸能特性，為了衡量這種特性，可以計(jì)算各材料應(yīng)變ε_e，并保證碰撞發(fā)生時(shí)，各材料應(yīng)變小于材料斷裂延伸率，如表1所示。

（3）各部件吸收能量E

汽車碰撞過程中，各部件在撞擊過程中吸收的能量E計(jì)算公式如下：

式中：F表示碰撞過程中的碰撞力;s表示各部件變形量，δ_max為碰撞過程中各部件最大位移。

2 計(jì)算結(jié)果和討論

2.1?碰撞性能分析

汽車前下部防護(hù)的主要功能為吸收碰撞產(chǎn)生的能量和完成沖擊力的轉(zhuǎn)移，基于此，本文前下部防護(hù)碰撞CAE仿真中，需要提取相關(guān)性能參數(shù)對(duì)前下部防護(hù)性能進(jìn)行評(píng)價(jià)。而為了驗(yàn)證仿真過程中接觸力的施加情況，提取接觸面上的力，如圖3所示，與預(yù)想載荷-時(shí)間變化曲線一致。

2.1.1 前下部防護(hù)變形分析

如圖4所示為前下部防護(hù)0.3s碰撞過程內(nèi)的變形云圖。圖中，前下部防護(hù)各部件在加載力作用下，從前端至尾端穩(wěn)定而有序地進(jìn)行逐層能量傳遞，逐漸收縮。未施加載荷的半截面上各部件變形不大，載荷作用有限，這里不做具體分析。

施加載荷的半截面上，0-0.1s內(nèi)載荷從0逐漸變化到160KN，防護(hù)橫梁首先發(fā)生變形，斜支撐、防撞托架與防護(hù)橫梁直接接觸，隨著防護(hù)橫梁的變形一起變形，并且因?yàn)榻Y(jié)構(gòu)布置的原因，兩種部件與防護(hù)橫梁接觸部分變形較大，而安裝支座安裝在防撞托架與車架之間，起到過渡支撐車架、前橫梁與防撞托架的作用，對(duì)車架變形有一定緩沖，變形量不大，使車架與前橫梁在碰撞加載力的作用下變形保持穩(wěn)定。0.1s后直到0.3s加載結(jié)束，載荷保持160KN不變，前下部防護(hù)各部件變形開始逐漸趨于穩(wěn)定，最大變形發(fā)生在防護(hù)橫梁前端，為30.20mm，遠(yuǎn)小于法規(guī)標(biāo)準(zhǔn)變形的400mm，符合法規(guī)要求。

2.1.2 各部件應(yīng)變結(jié)果分析

汽車前下部防護(hù)碰撞仿真中，防撞橫梁、斜支撐、防托架、防撞托架、安裝支座幾個(gè)部件跟隨防撞橫梁一起運(yùn)動(dòng)，產(chǎn)生一定應(yīng)變。如圖5所示為前下部防護(hù)各部件的應(yīng)變分析云圖，圖中，防撞橫梁最大應(yīng)變率為0.02，斜支撐最大應(yīng)變率為0.04，防撞托架最大應(yīng)變率為?0.05，安裝支座最大應(yīng)變率為0.07，均小于材料的斷裂延伸率。

3?結(jié)論

本文建立了某商用車前下部防護(hù)有限元模型，并聯(lián)合HYPERWORKS-LSDYNA軟件，基于前下部防護(hù)碰撞法規(guī)，以各部件變形量δ_e、應(yīng)變ε_e、吸收能量E作為評(píng)價(jià)指標(biāo)對(duì)該結(jié)構(gòu)進(jìn)行了碰撞性能仿真分析。仿真結(jié)果為對(duì)其他商用車前下部防護(hù)設(shè)計(jì)工作亦有參考價(jià)值。綜上所述，本文結(jié)論如下：

（1）聯(lián)合HYPERWORKS-LSDYNA軟件， 采用更新Lagrangian增量算法碰撞理論基礎(chǔ)^[3]，根據(jù)前下部防護(hù)碰撞法規(guī)要求，提出并建立了某商用車前下部防護(hù)有限元分析模型。

（2）完成了該前下部防護(hù)的碰撞性能分析。研究結(jié)果表明，各部件變形量滿足法規(guī)要求，應(yīng)變?cè)诓牧蠑嗔蜒由炻史秶鷥?nèi)。

（3）對(duì)該前下部防護(hù)碰撞的能量變化情況進(jìn)行了分析。分析結(jié)果表明：碰撞產(chǎn)生的總能量基本轉(zhuǎn)化為內(nèi)能與接觸能，沙漏能控制在總能量的1%之內(nèi)^[4]，有殘余動(dòng)能存在但符合真實(shí)情況，也從側(cè)面驗(yàn)證了仿真結(jié)果的正確性;對(duì)比各部件能量吸收情況，系統(tǒng)內(nèi)能大部分則由安裝支座、車架縱梁、防護(hù)橫梁吸收。

參考文獻(xiàn)

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[3] 胡遠(yuǎn)志，曾必強(qiáng).基于LS-DYNA和HyperWorks的汽車安全仿真與分析[M].北京：清華大學(xué)出版社，2012.

[4] 白金澤，LS-DYNA3D理論基礎(chǔ)與實(shí)例分析（第一版）[M].科學(xué)出版社， 2005：1-57.