整車正面全寬碰撞試驗對標方法研究

王輝，楊全凱，吳澤勛，閆高峰，包國建，宿學深，吳鵬

（浙江吉智新能源汽車科技有限公司，杭州 310000）

引言

隨著CAE仿真技術在整車碰撞安全分析中的廣泛應用，很大程度上降低了整車研發的成本，但精度制約著其優勢的最大化體現，因此通過仿真與試驗的對標來有效提高其精度。目前，國內外對標相關公開的資料文獻均較少，某文中[1]提出的順序推進法缺乏系統性及高效性。本文提出一種系統的、普適的且高效的對標方法，以某款車型的國標正面全寬碰撞工況進行應用與實踐，得到了高精度的對標結果，從而驗證了該方法的有效性。

1 影響仿真精度的因素

整車仿真中有很多的因素會導致精度較差，可以通過以下幾個主要方面進行論述。從單個零件的仿真模擬角度分析，零件的加工制造工藝如沖壓、輥壓等均會導致剛度的不均與分布，而仿真中不予與考慮。從材料失效的角度分析，整車試驗會存在多處材料失效，而仿真中難以全面真實的考慮。從能量流向角度分析，整車試驗中部分動能會轉化為熱能等其他形式的能量，而仿真中不予與考慮，額外的仿真中會因數值計算而引起質量增加、滑移能及沙漏能等誤差。從工作的繁瑣程度分析，試驗車及仿真模型與數據之間均會存在一定差異，差異的疊加會進一步放大誤差。

通過以上多角度分析，仿真與試驗存在的多方面差異均可能會導致仿真精度的降低，采用合理的對標方法能夠保證仿真較好的精度。

2 仿真與試驗對標方法

2.1 對標方法的一般流程

2.1.1 傳力路徑分析

整車發生正面全寬碰撞時，前艙結構的變形及吸能使得傳遞到乘員艙的能量較小，從而保證乘員艙的完整性及乘員的安全性[3]。因此前艙到乘員艙的傳力路徑是主要關注點，本文以某款車型為例，主要傳力路徑分析如下：

1）路徑1：前防撞梁-吸能盒-前縱梁-前縱梁根部-乘員艙

2）路徑2：電機-副車架-Kickdown-乘員艙

3）路徑3：Shotgun-A柱上-乘員艙

4）路徑4：輪胎-A柱下-乘員艙

如上所述為主要的四條傳力路徑如圖1所示，不同車型會存在較小的差異，但基本與上保持一致。路徑1為最主要的傳力路徑，吸能盒壓潰變形吸能，縱梁折彎變形吸能，最后通過縱梁根部將力傳遞到乘員艙。

圖1 主要傳力路徑

2.1.2 子系統校核

整車模型由多個子系統組成，如白車身（BIW）、前后懸、動總、前艙電器等。主要傳力路徑相關的子系統應重點校核，校核項包括主要零件材料、厚度、連接及配重等。其他子系統應當進行配重校核。此外，關鍵子系統如車身、前懸及動總等應進行試算校核，如車身進行模態試算保證材料、焊點、連接等無誤。整車模型的搭建過程一般為多人協同作業，子系統試算調教能夠有效提高對標工作效率。

2.1.3 整車工況校核

各子系統模型校核無誤后進行整車校核，校核包括子系統裝配、整車配重、工況加載等。整車中主要傳力路徑存在結構裝配的局部結構應重點校核，保證主要傳力路徑的完整性與正確性。

2.1.4 整車變形校核

整車工況模型校核無誤后進行試算，首先是對能量及質量增加進行校核，曲線應當均平滑過渡，滑移能、沙漏能、質量增加均應小于5 %。其次，對每個子系統的運動與變形進行基本常識性檢查，重點應關注主要傳力路徑的運動及變形，如縱梁的變形模式、電機的運動姿態等是否與試驗實車狀態一致。

最后輸出侵入量、加速度等評價項與試驗實車進行對比分析，獲取誤差較大的評價指標項并進行局部運動及變形分析。

2.1.5 材料失效校核

根據上節獲取誤差較大的評價指標項，分析其原因大多是由于試驗實車中局部結構發生材料失效而仿真中未予考慮引起的。因此，需根據試驗實車重點關注主要傳力路徑上的材料失效情況。材料失效的具體表現形式有：鈑金件撕裂、鑄件斷裂、焊點撕脫、螺栓脫落等[4]。確定具體失效形式及位置區域后在仿真模型中進行逐一模擬及反復驗證，最終確定合理的材料失效模型，使得仿真與試驗的變形保持高度一致及評價項誤差均在合理范圍內。

2.2 對標方法的一般原則

2.2.1 動靜態原則

靜態原則是指車輛未碰撞前，整車碰撞工況在初始狀態應保證仿真與試驗的一致性原則。動態原則是指車輛開始碰撞到結束，整車碰撞工況應始終保證仿真與試驗的一致性原則。一般情況下整車碰撞仿真計算時間較長，通過先靜后動原則實現了將一部分影響對標的因素提前排除掉，實現對標方法的條理性及高效性。

2.2.2 主次原則

整車碰撞仿真與試驗對標考慮因素多、工作量大，因此需要通過分析具體工況的主要傳力路徑獲取主要因素的校核項，針對主要因素重點關注忽略次要因素，從而實現對標方法的高效性。

2.2.3 實車對標原則

一般情況下，存在對標的一部分工作不在試驗實車上直接體現，如仿真模型的數模校核。當試驗實車與數模本身就存在差異時，這樣的差異因素有可能是對標的關鍵因素之一但卻被往往忽略掉，因此在對標過程中該因素應予以考慮。

2.2.4 不唯一原則

對標中誤差較大評價項的原因分析，影響因素在指導思想上應始終保持不唯一原則，整車結構復雜基本上很難確定某個因素為唯一因素。初步進行原因分析，應盡可能考慮全面，從諸多因素中進行主次之分，應先主后次逐一進行論證分析。

3 對標方法的實踐與應用

3.1 對標前仿真與試驗

基于某款車型進行國標正面全寬整車碰撞仿真分析，參考某文獻[2]中關于對標的主要評價參數進行調整作為對標評價指標。通過對標前仿真獲取評價參數與試驗進行對比，總體差異較大。圖2為仿真與試驗的加速度曲線對比，可以看出加速度曲線相似度、峰值及峰值時刻均存在較大差異。

圖2 仿真與試驗的加速度曲線

3.2 對標方法應用及主要修正項

根據本文中提出的對標方法對仿真模型進行校核，對對標有重大影響的因素均得到修正，最終仿真與試驗對標的關鍵評價指標均在較小誤差范圍內，精度較高。如圖3所示對標方法流程體系圖，通過傳力路徑分析后對子系統進行校核。發現電機的慣性項參數設置有誤且與實際差異較大，電機慣性項參數直接影響電機的運動軌跡及姿態，間接影響傳力及前圍板侵入等。通過前懸子系統試算校核發現輪胎的動態特性偏硬，輪胎作為向A柱下的傳力件是B柱下加速度曲線的主要影響因素之一。通過校核各子系統配重發現前艙電器、制動鉗等未進行配重，前艙質量分布影響前艙變形及吸能，從而影響前圍侵入等評價項。綜上所述，根據發現的問題對仿真模型進行修正，仿真模型與試驗車的一致性得到有效提高。

圖3 對標方法流程體系圖

通過初步計算進行整車變形校核。電機運動姿態與試驗存在差異，試驗車電機上方焊接有吊裝環，而數據及仿真模型中均無。根據試驗車吊裝環實際測量修正到仿真模型，電機運動姿態得到有效改善。仿真縱梁根部變形明顯小于試驗，試驗車多處材料發生失效是重要的影響因素，如副車架吊點脫落、多處焊點失效，縱梁傳力路徑上鈑金件多處局部撕裂。根據試驗的失效情況對仿真模型進行修正，通過反復驗證最終確定合理的失效形式，縱梁變形模式得到有效改善。

3.3 對標后仿真與試驗

基于某款車型通過對本文提出的對標方法進行實踐與應用，仿真模型得到了有效校核及修正。將最終仿真結果與試驗進行對比分析，加速度曲線、縱梁變形等關鍵對標評價項均有較高一致性。

如圖4，對標前加速度曲線、加速度峰值及對應時刻均與試驗一致性較低，對標后均有較高的一致性。

圖4 仿真與試驗的加速度曲線

如圖5，對標前縱梁的變形模式與試驗一致性較低，對標后有較高的一致性。

圖5 前縱梁的變形

如表1為仿真與試驗對標前后關鍵評價指標對比，通過應用本文提出的對標方法對標后評價項均有較高一致性，對標后加速度峰值僅1.1 g誤差值，前圍侵入僅3 mm誤差，整體誤差均較小，精度較高。

表1 仿真與試驗對標前后關鍵評價指標對比

4 小結

本文系統地、流程化地提出了基于仿真與試驗的對標方法。該方法具有普適性、高效性、高精度等優點，基于某電車型正面整車碰撞工況該方法得到了有效驗證。方法可類推到其他整車工況對標的工作中，該方法值得借鑒與推廣。 此外，對標方法中考慮到整車中關鍵材料的失效問題，現有整車仿真技術難以全面考慮材料實效及其他次要因素，有待虛擬仿真等技術進一步發展與進步。