喬維高　張良安　涂進(jìn)進(jìn)

(武漢理工大學(xué)汽車(chē)工程學(xué)院1)　武漢　430070)　(現(xiàn)代汽車(chē)零部件技術(shù)湖北省重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室2)　武漢　430070) (汽車(chē)零部件技術(shù)湖北省協(xié)同創(chuàng)新中心3)　武漢　430070)

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轎車(chē)車(chē)門(mén)側(cè)面碰撞有限元仿真及優(yōu)化研究

喬維高1,2,3)張良安1,2,3)涂進(jìn)進(jìn)1,2,3)

(武漢理工大學(xué)汽車(chē)工程學(xué)院1)武漢430070)(現(xiàn)代汽車(chē)零部件技術(shù)湖北省重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室2)武漢430070) (汽車(chē)零部件技術(shù)湖北省協(xié)同創(chuàng)新中心3)武漢430070)

摘要：為了研究和改善車(chē)門(mén)耐撞性，參考E-NCAP的柱狀碰撞試驗(yàn)，建立了某車(chē)型的車(chē)門(mén)三維模型，并運(yùn)用Hyper Works和LS-DYNA對(duì)其進(jìn)行聯(lián)合碰撞仿真.對(duì)比了不同材料應(yīng)變率，防側(cè)撞梁的不同截面形狀、不同安裝位置和數(shù)量下的車(chē)門(mén)耐撞性.得出結(jié)論,材料應(yīng)變率參數(shù)為C40 P6，防側(cè)撞梁截面形狀為半圓形，安裝位置為斜置時(shí)的車(chē)門(mén)的耐撞性較好.同時(shí)，加裝一根防側(cè)撞梁使得內(nèi)板侵入量減小了11%以上，可有效改善車(chē)門(mén)耐撞性.

關(guān)鍵詞：被動(dòng)安全；有限元仿真；耐撞性；優(yōu)化

0引言

我國(guó)道路交通以平面交叉為主，側(cè)面碰撞時(shí)有發(fā)生.同時(shí)，近幾年來(lái)，汽車(chē)正逐步走入農(nóng)村家庭.農(nóng)村道路較窄，彎路較多，車(chē)門(mén)較容易碰撞到路邊的電線(xiàn)桿或其他硬物.

基于文獻(xiàn)[1]提出的以側(cè)圍部件模型表示整車(chē)模型進(jìn)行側(cè)面碰撞仿真，文獻(xiàn)[2]提出的車(chē)門(mén)外板曲面的建模方法，本文建立了車(chē)門(mén)的CAD/CAE模型，并參考E-NCAP的圓柱碰撞試驗(yàn)，對(duì)車(chē)門(mén)進(jìn)行碰撞仿真，進(jìn)而研究改變車(chē)門(mén)材料應(yīng)變率，改變防側(cè)撞梁的截面形狀、安裝位置和數(shù)量對(duì)車(chē)門(mén)耐撞性的意義.

1模型的建立

該碰撞模型參考了E-NCAP的柱狀碰撞試驗(yàn)(模型見(jiàn)圖1).本次車(chē)門(mén)碰撞模型即只考慮整車(chē)的車(chē)門(mén)模型，其他條件不變.

圖1　柱狀碰撞模型(來(lái)自E-NCAP官網(wǎng))

1.1車(chē)門(mén)有限元模型

考慮到側(cè)面碰撞仿真中的有限元模型規(guī)模大、效率低的缺點(diǎn)，本文采用以側(cè)圍部件模型表示整車(chē)模型進(jìn)行側(cè)面碰撞仿真的方法.

車(chē)門(mén)主要由薄壁零部件焊接而成，仿真中一般使用殼單元?jiǎng)傂月?lián)接.本文采用的單元類(lèi)型為BT殼單元，積分方法為面內(nèi)單點(diǎn)高斯積分，在厚度大于2.0 mm處用5個(gè)積分點(diǎn)，其余部分用2個(gè)積分點(diǎn).仿真過(guò)程中，在與圓柱直接碰撞的外板處使用局部沙漏控制，其余部分采用全局沙漏控制，控制參數(shù)QH=0.05.

車(chē)門(mén)的實(shí)際尺寸是比較大的.除防側(cè)撞梁，加強(qiáng)板采用5 mm×5 mm網(wǎng)格劃分外，其他部分均使用10 mm×10 mm的網(wǎng)格[3].在網(wǎng)格的過(guò)渡部分采用手動(dòng)修改的形式提高網(wǎng)格質(zhì)量.按以上方法，該車(chē)門(mén)被劃分為52 641個(gè)單元.

車(chē)門(mén)各部件的聯(lián)接采用剛性焊點(diǎn)來(lái)模擬.碰撞過(guò)程中，要求焊接部位不發(fā)生撕裂.故仿真中，定義焊點(diǎn)不存在失效.同一部件上的焊點(diǎn)之間隔3～4個(gè)節(jié)點(diǎn)比較合理.而對(duì)于斜置于車(chē)門(mén)中的半圓形防側(cè)撞梁，其兩端的焊點(diǎn)應(yīng)該分布得更密，以防止其滑脫.

車(chē)門(mén)采用了多種線(xiàn)塑性材料.在定義車(chē)門(mén)材料時(shí)，均采用LS-DYNA的24號(hào)材料，忽略材料應(yīng)變率[4].材料其他參數(shù)見(jiàn)表1.

表1　各零件材料參數(shù)

1.2圓柱及碰撞有限元模型

參照E-NCAP柱碰試驗(yàn)，考慮中國(guó)城市交通及車(chē)門(mén)結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)化的實(shí)際情況，確定碰撞圓柱的直徑為254 mm、質(zhì)量為200 kg，材料為剛體.仿真中，圓柱的材料定義為MAT20材料，網(wǎng)格按10 mm×10 mm的單元尺寸劃分，使用局部沙漏控制.

碰撞模型為車(chē)門(mén)正中間以29 km/h的速度與靜止的直徑為254 mm的剛性圓柱發(fā)生碰撞.

碰撞模擬前，對(duì)碰撞的兩模型，需要進(jìn)行初始條件的定義.首先，車(chē)門(mén)鉸鏈處的5個(gè)自由度(3個(gè)移動(dòng)自由度和2個(gè)轉(zhuǎn)動(dòng)自由度)需要被約束，而釋放繞Z軸轉(zhuǎn)動(dòng)的自由度[5].車(chē)門(mén)門(mén)鎖等邊框處沿Y軸的移動(dòng)自由度被約束.其次，由于車(chē)門(mén)各部件均為殼單元，各部件之間的接觸類(lèi)型均設(shè)置為自動(dòng)單面接觸.而與圓柱發(fā)生碰撞的車(chē)門(mén)外板定義為自動(dòng)面面接觸，接觸面的動(dòng)靜摩擦系數(shù)選為0.2.最后，根據(jù)臺(tái)車(chē)碰撞試驗(yàn)數(shù)據(jù)，車(chē)門(mén)內(nèi)板與乘員身體發(fā)生接觸一般在25 ms內(nèi).故將碰撞時(shí)間設(shè)定為25 ms，時(shí)間步長(zhǎng)定為1.0×10-6ms，d3plot輸出時(shí)間間隔設(shè)定為0.5 ms.

2側(cè)面碰撞有限元仿真與分析

在Hyper Mesh軟件中完成仿真前處理，并輸出一個(gè)含有仿真各種設(shè)置的K文件，進(jìn)而將它導(dǎo)入LS-DYNA軟件中求解.

K文件中的錯(cuò)誤設(shè)置或不完整設(shè)置會(huì)在求解過(guò)程中凸顯出來(lái)，LS-DYNA不能兼容的內(nèi)容也會(huì)顯示出來(lái)，故需參照軟件給出的Message，對(duì)K文件進(jìn)行修改，直至系統(tǒng)正常、完整地輸出結(jié)果.

HyperGraph軟件可以對(duì)該仿真的Binout文件進(jìn)行后處理.得到的車(chē)門(mén)關(guān)鍵點(diǎn)的內(nèi)板侵入量見(jiàn)圖2，車(chē)門(mén)質(zhì)心加速度見(jiàn)圖3.

圖2　內(nèi)板侵入量

圖3　車(chē)門(mén)質(zhì)心加速度

車(chē)門(mén)內(nèi)板侵入量是影響乘員生存空間的直接因素，一般規(guī)定內(nèi)板侵入量不應(yīng)大于50 mm.圖2表明，前5 ms內(nèi)，車(chē)門(mén)內(nèi)板幾乎沒(méi)有變形，屬于安全逃生階段.5 ms以后，車(chē)門(mén)內(nèi)板的侵入量逐漸增加，增加的速度是由緩及快，再由快變緩.其中，在13 ms時(shí)，內(nèi)板侵入速度出現(xiàn)最大值.直至20 ms，內(nèi)板基本不再發(fā)生變形，此刻出現(xiàn)最大侵入量，其值為45 mm.

車(chē)門(mén)質(zhì)心加速度過(guò)大會(huì)直接導(dǎo)致“二次碰撞”，是車(chē)門(mén)耐撞性的重要評(píng)價(jià)指標(biāo).圖3表明，車(chē)門(mén)質(zhì)心在前0.2 ms沒(méi)有加速度，在13 ms左右出現(xiàn)峰值，峰值約為1.3 mm/ms2.

由上可知，內(nèi)板變形速率、車(chē)門(mén)質(zhì)心加速度增加速率出現(xiàn)最大值的時(shí)刻均在13 ms左右.這可能是此時(shí)防側(cè)撞梁接近“屈服”造成的結(jié)果，即防側(cè)撞梁出現(xiàn)“過(guò)早屈服”.

3車(chē)門(mén)耐撞性的優(yōu)化研究

仿真結(jié)果顯示，該車(chē)門(mén)的變形及加速度較大，需進(jìn)行優(yōu)化研究.通過(guò)合理布置節(jié)點(diǎn)，分別研究改變車(chē)門(mén)材料的應(yīng)變率，防側(cè)撞梁的截面形狀、安裝位置和數(shù)量對(duì)車(chē)門(mén)耐撞性的影響.原車(chē)門(mén)模型忽略了材料的應(yīng)變率，且只在車(chē)門(mén)內(nèi)斜置了一根截面形狀為半圓形的防側(cè)撞梁.

3.1車(chē)門(mén)材料應(yīng)變率

材料的應(yīng)變率是指應(yīng)變對(duì)時(shí)間的一階導(dǎo)數(shù)，是材料性能的重要影響因數(shù)[6].本文選用了忽略應(yīng)變率、C40 P5、C40 P6和C50 P5四種不同應(yīng)變率下的仿真結(jié)果作對(duì)比研究.

不同材料應(yīng)變率的車(chē)門(mén)內(nèi)板侵入量見(jiàn)圖4.從碰撞開(kāi)始，忽略應(yīng)變率的曲線(xiàn)就與其他3條曲線(xiàn)保持較大差別，且侵入量最小.而從15 ms起，C40 P5與C40 P6曲線(xiàn)才出現(xiàn)差別，而C40 P5與C50 P5曲線(xiàn)始終無(wú)明顯差別，且C40 P6曲線(xiàn)的變形小于C40 P5和C50 P5曲線(xiàn).其最大侵入量為50 mm.

圖4　不同材料應(yīng)變率的車(chē)門(mén)內(nèi)板侵入量

不同材料應(yīng)變率下的車(chē)門(mén)吸能曲線(xiàn)見(jiàn)圖5.考慮應(yīng)變率的車(chē)門(mén)吸能始終明顯大于忽略應(yīng)變率的車(chē)門(mén)吸能，且在15～20 ms期間，C40 P5曲線(xiàn)與C40 P6曲線(xiàn)開(kāi)始出現(xiàn)較大的差別，而與C50 P5曲線(xiàn)十分接近.后三者中，C40 P6曲線(xiàn)吸能最多.

在碰撞的前期階段，車(chē)門(mén)變形為塑性變形，吸能較多的車(chē)門(mén)，其變形也較大.在保證車(chē)門(mén)內(nèi)板侵入量不大于50 mm的前提下，車(chē)門(mén)吸能越多越好.故在本次研究中，材料應(yīng)變率參數(shù)為C40 P6的材料最為適宜.

圖5　不同材料應(yīng)變率的車(chē)門(mén)吸能

3.2防側(cè)撞梁的截面形狀

防側(cè)撞梁的截面形狀多種多樣，對(duì)防側(cè)撞梁的耐撞性影響極大[7-9].在截面尺寸相近，質(zhì)量一樣的前提下，本文對(duì)截面形狀為半圓形、圓形、方形和U形的防側(cè)撞梁進(jìn)行了仿真.

碰撞結(jié)束，即25 ms時(shí)，不同截面形狀防側(cè)撞梁的應(yīng)力應(yīng)變?cè)茍D見(jiàn)圖6.方形、圓形和U形防側(cè)撞梁的應(yīng)力集中，且最大應(yīng)力在841 MPa以上，遠(yuǎn)大于防側(cè)撞梁材料的屈服極限.而半圓形截面形狀的防側(cè)撞梁的應(yīng)力分布比較均勻，且最大值約為730 MPa.

圖6　不同截面形狀的防側(cè)撞梁應(yīng)力

不同截面形狀防側(cè)撞梁的變形見(jiàn)圖7.整個(gè)碰撞過(guò)程，半圓形防側(cè)撞梁的變形量最大，圓形與U形防側(cè)撞梁的變形十分接近，稍大于方形防側(cè)撞梁的變形量.且在18 ms以后，半圓形防側(cè)撞梁的變形顯著增加，其吸收的能量也快速增加，起到了很好的吸能防撞作用.

圖7　不同截面形狀的防側(cè)撞梁變形

綜上所述，半圓形防側(cè)撞梁應(yīng)力分布合理，變形吸能能力較好，有利于提高車(chē)門(mén)的碰撞承受能力.

3.3防側(cè)撞梁的安裝位置

防側(cè)撞梁在車(chē)門(mén)內(nèi)的安裝位置有橫置(與車(chē)門(mén)下邊緣平行且位于車(chē)門(mén)中間)，豎置(與車(chē)門(mén)下邊緣垂直且位于車(chē)門(mén)中間)和斜置(與車(chē)門(mén)下邊緣呈45°夾角且一端位于前下轉(zhuǎn)角處)三種.不同安裝位置的防側(cè)撞梁應(yīng)力應(yīng)變?cè)茍D見(jiàn)圖8.斜置和橫置的防側(cè)撞梁應(yīng)力分布較均勻，而豎置的防側(cè)撞梁應(yīng)力分布過(guò)于集中.三者的應(yīng)力最大值比較接近，均在730 MPa左右.

圖8　不同安裝位置的防側(cè)撞梁應(yīng)力-應(yīng)變?cè)茍D

不同安裝位置的防側(cè)撞梁變形見(jiàn)圖9.豎置的防側(cè)撞梁的變形波動(dòng)幅度大，給予乘員的沖擊大；18 ms前，斜置防側(cè)撞梁變形明顯小于橫置防側(cè)撞梁，給乘員足夠的生存空間；而18 ms后，斜置防側(cè)撞梁變形迅速增加，碰撞吸能作用明顯.

圖9　不同安裝位置的防側(cè)撞梁變形

故防側(cè)撞梁斜置時(shí)，其應(yīng)力分布良好且變形吸能過(guò)程較合理，對(duì)側(cè)碰中乘員的安全更有利.

3.4防側(cè)撞梁的數(shù)量

防側(cè)撞梁是車(chē)門(mén)最重要的吸能部件.理論上，其數(shù)量的增加能夠改善車(chē)門(mén)的變形和加速度分布情況[10].在此，本文研究了在斜置防側(cè)撞梁的車(chē)門(mén)上加裝一根橫置防側(cè)撞梁的側(cè)面碰撞效果.

不同防側(cè)撞梁數(shù)量的車(chē)門(mén)應(yīng)力應(yīng)變?cè)茍D見(jiàn)圖10.據(jù)圖中顏色分區(qū)可知：加裝第二根防側(cè)撞梁以后的車(chē)門(mén)的應(yīng)力變形得到明顯改善，應(yīng)力分布趨于合理，變形量得到減小.這是由于兩根防側(cè)撞梁共同承擔(dān)碰撞力和吸能變形的結(jié)果.

圖10　不同防側(cè)撞梁數(shù)量的車(chē)門(mén)應(yīng)力-應(yīng)變?cè)茍D

圖11為車(chē)門(mén)內(nèi)板的侵入量.15 ms前，兩曲線(xiàn)十分接近，這是因?yàn)闄M置的防側(cè)撞梁還未參與碰撞，而在15 ms以后，改進(jìn)車(chē)門(mén)的兩根防側(cè)撞梁同時(shí)抵抗碰撞力，其內(nèi)板變形顯著減小.相比原車(chē)門(mén)，內(nèi)板侵入量降低了11%.

圖11　不同防側(cè)撞梁數(shù)量的車(chē)門(mén)內(nèi)板侵入量

綜上所述，防側(cè)撞梁數(shù)量對(duì)側(cè)面碰撞特性有著明顯的影響，加裝橫防側(cè)撞梁大大增加了乘員的生存空間.

4結(jié)論

1) 材料應(yīng)變率對(duì)側(cè)面碰撞影響很大，且P參數(shù)的影響比C參數(shù)更大.碰撞效果由優(yōu)至差排序?yàn)椋篊40P6→C40P5→C50P5→忽略應(yīng)變率.故將車(chē)門(mén)材料改為應(yīng)變率參數(shù)為C40P6的材料可提高其耐撞性.

2) 半圓形防側(cè)撞梁應(yīng)力分布較合理，變形吸能能力較好.故改變防側(cè)撞梁的截面形狀不能提高車(chē)門(mén)耐撞性.

3) 斜置、橫置和豎置防側(cè)撞梁中，斜置防側(cè)撞梁的碰撞效果處于最優(yōu).其應(yīng)力分布均勻，最大變形約為115 mm.故改變防側(cè)撞梁的安裝位置不能改善其碰撞安全性.

4) 加裝橫置防側(cè)撞梁的車(chē)門(mén)內(nèi)板侵入量從改前的45 mm，降低至40 mm，下降幅度超過(guò)了11%.故在車(chē)門(mén)空間允許的情況下，加裝防側(cè)撞梁是增強(qiáng)車(chē)門(mén)側(cè)面碰撞安全性最快捷有效的措施.

參 考 文 獻(xiàn)

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The Finite Element Simulation and Optimization of Car Door Side Crash

QIAO Weigao1,2,3)ZHANG Liang’an1,2,3)TU Jinjin1,2,3)

(SchoolofAutomotiveEngineering,WuhanUniversityofTechnology,Wuhan430070,China)1)

(HubeiKeyLaboratoryofAdvancedTechnologyofAutomotiveComponents,Wuhan430070,China)2)

(HubeiCollaborativeInnovationCenterforAutomotiveComponentsTechnology,Wuhan430070,China)3)

Abstract：In order to study and improve the door's crashworthiness, this paper establishes a three-dimensional model of a car door and performs a joint impact simulation by Hyper Works and LS-DYNA, according to columnar crash test of E-NCAP. This paper compares the car's crashworthiness under different material strain rates of a door, different sectional shapes, different mounting positions and different numbers of side-impact beams. Some conclusions are drawn: when the material strain rate parameter is C40P6 and the sectional shape of side-impact beams is semicircular and its mounting position is skew, the door's crashworthiness is better. Meanwhile, the installation of a side-impact beam would reduce the deformation displacement of inner board by over 11%, which thus can effectively improve the door's crashworthiness.

Key words：passive safety; finite element simulation; crashworthiness; optimization

doi:10.3963/j.issn.2095-3844.2016.02.015

中圖法分類(lèi)號(hào)：U461.91

收稿日期：2016-02-09

喬維高(1963- )：男，博士，教授，主要研究領(lǐng)域?yàn)槠?chē)安全