鋁制車身仿真方法研究及試驗對標分析

國舉強,張廷波,吳有成,李延峰

(浙江吉利新能源商用車集團有限公司，浙江杭州 311228)

0 引言

某混合動力MPV車型的車身結構由鋁合金件通過膠粘和鉚接而成，并由置于發動機艙的增程器和車身下方的動力電池提供動力。與傳統車型相比，其材料性能、車身連接方式和結構布置等均有明顯的不同，進而影響到汽車碰撞安全性能。由于汽車碰撞安全性能的優劣直接關系到乘員安全，因此被各國家和廠商所重視并進行了大量的研究，但這些研究主要針對鋼制車身的車型[1-2]，對鋁制車身研究較少。

基于C-NCAP正面碰撞試驗結果[3]，對鋁制車身的仿真建模技術進行研究，主要針對膠粘損傷開裂和自穿刺鉚接(SPR)剪切失效等力學行為，并對比分析加速度、車身侵入量等指標，以驗證有限元仿真模型的精度。

1 碰撞仿真模型搭建

基于整車CAD數據和其他參數搭建碰撞仿真模型，包括車身、車門、轉向系統、前后懸架、增程器以及動力電池等子系統。在LS-DYNA中，應用離散單元來簡化和模擬減振器，其力學性能通過剛度和阻尼曲線來定義；增程器在碰撞過程中變形非常小，可視為剛體結構。動力電池殼體用Shell單元建模，電芯簡化成實體并用Solid單元和MAT_63材料模型模擬[4]，其中材料曲線來自電芯球頭擠壓試驗。

對于車輛中的鈑金件和擠鋁件，應用Shell單元和彈塑性材料進行仿真。鋁制車身各零部件之間主要通過膠粘和鉚釘進行連接，為了能準確模擬這些連接的剛度及失效開裂等力學性能，采用如下建模方式。

1.1 膠粘連接

由于結構膠具有強度高、耐疲勞、耐腐蝕等優點，常用于鋁制車身的連接。但由于結構膠為高分子材料，其力學性能與金屬材料差異較大，很難通過傳統材料模型進行仿真。近年來，由于內聚力材料模型越來越成熟，開始逐漸用于膠粘界面剝離等力學行為的模擬。內聚力模型最早由DUGDALE和BARENBLATT于1960年左右提出[5-6]，用以解決裂紋尖端(CZM)的力學問題。該模型通過Traction-Separation曲線來描述裂紋尖端(CZM)張開位移與阻力的關系，當曲線下的面積等于材料臨界能量釋放率時界面開始擴散，直至失效斷裂。在LS-DYNA中應用內聚力材料模型MAT_138(MAT_COHESIVE_MIXED_MODE)來模擬膠粘連接。該材料模型在損傷起始之前為彈性變形，當單元位移達到混合模式下的損傷起始位移時材料開始損傷和演化，當達到失效位移δF時膠粘失效斷裂，如圖1所示。

圖1 混合模式下的Traction-Separation曲線

相應地，混合模式下的損傷起始位移可表示為

(1)

(2)

式中:En、Et分別為法向剛度和切向剛度；GIC、GIIC分別為I型和II型能量釋放率；γ>0為指數常數。

1.2 自穿刺鉚接

自穿刺鉚接(SPR)是一種高效的連接工藝，可以實現鋁材與其他鈑材之間的連接。如果SPR與結構膠聯合使用，不但可以提高鉚接點的剛度，而且使其應力峰值更低，從而提高鈑材的疲勞壽命，因此被廣泛用于鋁制車身的連接。在LS-DYNA中，可以應用Constrained_SPR2模型來模擬自穿刺鉚接，該模型由HANSSEN和PORCARO等提出[7-8]。對于該模型，在純拉伸和純剪切載荷作用下，鉚釘的力學行為如圖2所示。

圖2 自穿刺鉚接力學行為

(3)

式中:θ=arctan(δn/δt)；ζ(θ),α(ηmax)分別為有效位移面的縮放系數和形狀系數。

η(θ)的等值面如圖3所示，當η(θ)=1時鉚釘將失效斷裂。

圖3 有效位移等值面

最后，對于創建的碰撞仿真模型進行檢查，使相關參數與設計保持一致，主要包括：零部件厚度、材料和質量等；各子系統之間的連接方式和輸入參數等；整車質量、質心和前后軸荷等。

2 試驗對標分析

首先對仿真結果進行初步校核，確保系統能量曲線穩定，車輛變形動畫符合物理規律，以及其他考察項在有效范圍內，最后進行試驗對標。由于兩者總是存在差異，因此僅確保關鍵指標相互吻合，主要包括：

(1)車輛變形模式:是驗證碰撞仿真模型有效性的首要指標；

(2)加速度曲線:B柱下部加速度曲線表征整車剛度性能，與乘員損傷相關性很大；

(3)其他測量值:包括侵入量在內的其他考察項，其中侵入量過大會影響乘員生存空間，是衡量車輛碰撞安全性能的重要指標之一。

2.1 變形模式對標

在正面碰撞中，吸能盒和前縱梁作為車輛前端主要吸能變形部件，其變形模式是否與試驗一致直接關系到仿真模型的有效性。圖4為整車碰撞后的形狀，由圖可見仿真與試驗狀態基本吻合；圖5為吸能盒壓潰后的有效高度，試驗后吸能盒的厚度約為57 mm，仿真測量值為55.1 mm，兩者誤差很小；圖6為前縱梁碰撞后形狀，其前部發生了潰縮，有效地吸收了碰撞能量。碰撞后前縱梁的長度約為590 mm，仿真值為595.1 mm，兩者偏差不到1%。通過對比分析可知，該MPV車型前部結構變形合理，未見明顯膠粘失效區域，吸能效率高，對乘員保護起到積極作用。

圖4 整車變形模式

圖5 吸能盒壓潰變形模式

圖6 前縱梁壓潰變形模式

2.2 加速度曲線對標

B柱下部加速度作為整車加速度響應的表征量，直接關系到假人傷害，是車輛正碰耐撞性的重要評價指標之一。圖7為駕駛員側B柱下部加速度曲線，其中第一個波峰為吸能盒壓潰變形，第二個波峰為縱梁初始壓潰，后續波峰為縱梁持續潰縮過程。通過對比仿真與試驗結果可知，曲線整體變化趨勢和峰值基本相符，其中前段波形兩者基本一致，后段曲線由于涉及到前懸架與車身的連接、輪胎模型和增程器懸置失效等因素，使得仿真與試驗波形之間存在局部差異。積分加速度曲線獲得整車速度曲線，如圖8所示，由圖可見仿真與試驗的速度歸零時刻基本一致。根據結果可見，該MPV車型B柱下部加速度波形為理想的矩形波TESW(Tipped Equivalent Square Wave)，即車輛前部區域壓潰剛度均勻，有效降低了加速度峰值，為約束系統參數匹配提供了良好的前提條件。

圖7 車身B柱下部加速度曲線

圖8 車身B柱下部速度曲線

在正面碰撞過程中，增程器作為質量較大的剛體，其運動狀態影響到前圍侵入量和B柱下部加速度曲線。由試驗結果可知，增程器側面懸置在碰撞中發生了斷裂，如圖9所示。通過零部件試驗測試可知，增程器左右側懸置的失效力約為45 kN，后部懸置的失效力約為20 kN。在仿真分析中，通過離散梁單元Discrete Beam來模擬懸置，并在材料模型MAT196中設置失效力以模擬懸置斷裂情況。圖10為仿真模型修正后的增程器底部加速度曲線，由圖可知仿真與試驗結果基本一致，表明增程器運動姿態吻合。

圖9 增程器側面懸置失效

圖10 增程器底部加速度曲線

2.3 其他測量值對標

如果乘員艙前圍侵入量過大，則將影響乘員生存空間。從圖11可見，該MPV車型在正面碰撞中，前圍沒有受到明顯的侵入變形，避免假人受到擠壓傷害。動力電池位于車身正下方，在碰撞中僅殼體局部受到了擠壓，未對電芯造成損傷。

圖11 乘員艙前圍碰撞后變形

在前防撞上布置多個測點以監測車輛前部碰撞變形情況，如圖12所示。從表1可見仿真和試驗值偏差很小，說明防撞梁縱向變形兩者基本一致。

圖12 前防撞梁測點布置

表1 前防撞梁測點測量值

3 結論

對某混合動力MPV車型進行了正面碰撞仿真分析，并與試驗結果進行對標，主要從關鍵零部件變形模式、B柱下部加速度曲線以及其他試驗測量值等方面進行了對比分析，結果表明仿真結果與試驗高度吻合，說明仿真模型準確、有效，尤其顯示應用內聚力材料模型和Solid單元模擬膠粘，和應用Constrained_SPR2模擬自穿刺鉚釘能真實反映鋁制車身連接區域失效開裂等實際情況，這為膠粘連接和自穿刺鉚接的模擬提供了新的思路。

同時由結果可見，該MPV車型在正面碰撞中變形模式合理，B柱下部加速度峰值較低，車身前圍未被明顯侵入，這表明該MPV車型整車耐撞性能良好。