某轎車正面碰撞安全結構改進研究

黃超群

摘 要：以某轎車為研究對象，利用有限元模擬仿真技術，進行了的正面碰撞研究。針對該轎車駕駛區壓潰嚴重、駕駛員生存空間變小的情況，對車架前縱梁進行結構改進，改進后B柱加速度最大值有所減小，提高轎車的正面碰撞安全性。關鍵詞：正面碰撞;有限元分析;被動安全中圖分類號：U462.1 ?文獻標識碼：B ?文章編號：1671-7988（2020）08-62-03

Abstract： Taking a car as the research object， the frontal collision research is carried out by using the finite element simulation technology. In view of the serious collapse of the driving area and the small living space of the driver， the structure of the front longitudinal beam of the car frame is improved. After the improvement， the maximum acceleration of the B-pillar is reduced， and the safety of the car in front collision is improved.Keywords： Front impact; the finite element simulation technology; Passive safetyCLC NO.： U462.1 ?Document Code： B ?Article ID： 1671-7988（2020）08-62-03

前言

汽車被動安全的研究最可靠的方法是進行實車碰撞試驗，但實車碰撞試驗存在費用昂貴、周期長，不具備可重復性，數據采集少等缺點。隨著高性能計算機的出現，汽車被動安全方面的工作，越來越多的單位都引進了計算機模擬技術 [1-6]。

本文以某轎車為研究對象，采用有限元仿真分析技術，對其進行了正面碰撞的分析及改進研究，改進后的轎車正面安全結構能夠有效地在正面碰撞中保護乘員。

1?轎車正面碰撞模型建立及驗證

1.1?有限元正面碰撞模型建立

所建立的某轎車正面碰撞模擬分析的有限元模型如圖1所示。

（1）根據正面碰撞發生時車身的變形情況，車前端變形大，車后端變形小甚至不變形，進行單元網格劃分，其遵循的原則“前密后疏”，即在發生正面碰撞變形嚴重的部位的網格劃分細，不變形區域的網格劃分粗。

（2）對于正面碰撞過程中產生嚴重壓潰變形的車前端零部件，采用非線性的各向同性隨動塑性材料模型.

（3）對發動機等在碰撞過程基本上不發生變形的總成，采用剛性材料模型。

（4）保險桿至駕駛室之間的車身各部件連接用的焊點考慮失效，其它焊點不考慮失效。

1.2?有限元模型驗證

圖2所示為整車正面碰撞B柱的加速度曲線，由圖2可知，試驗曲線仿真曲線和的變化趨勢基本一致，試驗加速度的第一個峰值為45.2g，仿真結果為44.5g，試驗加速度的第二個峰值為43.4g，仿真結果為43.6g，仿真曲線上的兩個峰值出現的時刻稍提前。由此可見，本文所建立的轎車正面碰撞有限元模型是有效，可以用來進行正面碰撞仿真分析。

2?仿真結果分析

利用LS-dyna軟件，對該轎車進行正面碰計算，得到的變形情況如圖3所示，分析該轎車的正面碰撞的結果，其變形特點主要有：

（1）前保險桿到乘員艙防火墻間，變形嚴重，特別是發動機到前保險杠之間，前縱梁發生了折彎和失穩變形，見圖4所示，這也是加速度曲線上出現第二個波峰的原因。

（2）乘員艙區域被壓縮，防火墻被擠壓，并且乘員艙下的地板縱梁出現了向內彎折的現象，并造成方向盤后移動擠壓駕駛員，駕駛員的生存空間變得很小。

3?結構改進以及對比分析

3.1?改進方案

車身前縱梁是車輛發生正面碰撞時的主要吸能部件和傳遞載荷的主要路徑，因此，優化前縱梁的結構使其能夠產生合理的變形形態和吸收足夠的碰撞能量，是能夠提高車身正面碰撞性能。國內外的研究結果表明：前縱梁理想的變形是褶皺變形。

該轎車前縱梁在正面碰撞過程中出現了失穩現象，故需要對其進行結構優化設計，以便其在碰撞過程中能發生較好的褶皺變形，以提高其吸能特性并降低加速度峰值。結構優化后的前縱梁有限元模型見圖5所示，在其內側增加了2個加強板。

3.2?改進后的計算結果分析

按相同的邊界條件再次進行仿真計算，改進后前縱梁的變形情況見圖6所示，對比圖4和、圖6，可以看出改進后前縱梁的變形得到了明顯改善。圖7為改進前后的B柱加速度曲線，從圖中可以看出：碰撞加速度峰值由改進前的43.4g降為32.9g，且碰撞緩沖時間增長了約40ms。可見改進后前縱梁具有更好的緩沖吸能能力，加速度峰值和緩沖時間的延長大大的降低了乘員危險系數。

4 結語

本文建立的某轎車的正面碰撞有限元模型，并進行了碰撞分析，該轎車的前縱梁在碰撞中發生了失穩變形，為此進行了結構設計和優化，改進后的前縱梁在碰撞中未出現失穩變形，B柱的加速度峰值大大降低，提高了該轎車的正面碰撞安全性能。

（1）本文以某轎車為研究對象，完成了該型轎車正面碰撞的模擬仿真，與試驗對比，驗證了轎車正面碰撞有限元模型是有效，可以用來進行正面碰撞仿真分析;

（2）指出了該款車前縱梁在正面碰撞中存在失穩現象，致使整車加速度曲線出現了第二次波峰;

（3）對前縱梁進行了結構優化，仿真數值表明了整車加速度峰值降低，碰撞緩沖時間增長，有利于保護乘員。

參考文獻

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