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接觸摩擦因數(shù)對(duì)碰撞仿真分析相關(guān)性的影響

2016-08-20 08:09劉保祥雷應(yīng)鋒曾皓
汽車工程師 2016年12期
關(guān)鍵詞:壁障防撞因數(shù)

劉保祥 雷應(yīng)鋒 曾皓

(長(zhǎng)安汽車股份有限公司輕型車研發(fā)中心)

在汽車碰撞安全性能的開發(fā)過程中,基于LS-DYNA仿真分析軟件,對(duì)車身骨架進(jìn)行截面設(shè)計(jì),提供一些基本規(guī)律和指導(dǎo)方向[1]。在汽車碰撞中整車與壁障的接觸摩擦因數(shù)是不同的,汽車與光滑表面的壁障(如鋼板材質(zhì))發(fā)生碰撞,接觸摩擦因數(shù)小一些;與粗糙表面的壁障(如蜂窩鋁材質(zhì))發(fā)生碰撞,其接觸摩擦因數(shù)大一些。所以只有設(shè)置正確的接觸摩擦因數(shù),才能得到更接近實(shí)際狀態(tài)的仿真分析結(jié)果,進(jìn)而對(duì)試驗(yàn)中出現(xiàn)的其他問題進(jìn)行改進(jìn)。因此仿真與試驗(yàn)的對(duì)標(biāo)環(huán)節(jié)是至關(guān)重要的。目前汽車與壁障的接觸摩擦因數(shù)設(shè)置的研究在行業(yè)內(nèi)鮮有報(bào)道。文章通過調(diào)整仿真模型中接觸摩擦因數(shù),分析了某型車15 km/h RCAR正碰工況,較為真實(shí)地復(fù)現(xiàn)了試驗(yàn)中出現(xiàn)的問題。并在此基礎(chǔ)上進(jìn)行結(jié)構(gòu)優(yōu)化,最終滿足了該型車低速碰撞性能的要求。

1 RCAR正面碰撞試驗(yàn)工況

低速碰撞一般是指車速低于15 km/h時(shí)的汽車碰撞,這種碰撞形式是城市交通中最常見的汽車碰撞。汽車發(fā)生低速碰撞事故后,事故引起的車輛損失往往由保險(xiǎn)公司承擔(dān),因此保險(xiǎn)公司須對(duì)汽車進(jìn)行保險(xiǎn)等級(jí)評(píng)估。目前,歐盟各國(guó)對(duì)汽車保險(xiǎn)評(píng)級(jí)方法不完全相同,但主要采用RCAR的正面碰撞和尾部碰撞試驗(yàn)進(jìn)行汽車低速碰撞性能評(píng)級(jí)[2]。RCAR是歐洲保險(xiǎn)機(jī)構(gòu)為確定汽車的保險(xiǎn)評(píng)級(jí)而制定的測(cè)試要求,重點(diǎn)考察汽車在低速碰撞事故中的維修工時(shí)和成本。

在RCAR正面碰撞試驗(yàn)中,試驗(yàn)車以15 km/h的速度撞擊前方的RCAR剛性壁障,壁障高度應(yīng)高于試驗(yàn)車,撞擊點(diǎn)位置為汽車前部40%寬度處,試驗(yàn)車質(zhì)量為整備質(zhì)量加上75 kg的駕駛員質(zhì)量[3],圖1示出RCAR正面碰撞試驗(yàn)工況示意圖。

圖1 RCAR正面碰撞試驗(yàn)工況示意圖

為考察汽車在RCAR正面碰撞試驗(yàn)中的碰撞性能,將汽車零件分為可替換零件、可維修零件及不損傷零件。1)可替換零件一般通過螺栓和卡扣與車身連接,例如前保險(xiǎn)杠、前格柵、前防撞梁及吸能盒等,此類零件損壞后可以簡(jiǎn)單方便的用新零件替換,維修工時(shí)少;2)可維修零件包括發(fā)動(dòng)機(jī)進(jìn)氣管、風(fēng)扇及發(fā)動(dòng)機(jī)罩等,此類零件不能有大的結(jié)構(gòu)變形,通過簡(jiǎn)單維修即可復(fù)原;3)不損傷零件包括前縱梁和水箱上橫梁等與車身焊接的結(jié)構(gòu),此類零件維修時(shí)涉及到切割、焊接及整形等工藝,工藝復(fù)雜,維修工時(shí)較長(zhǎng),費(fèi)用較高。因此,RCAR正面碰撞試驗(yàn)的主要設(shè)計(jì)思路就是通過前部吸能盒和防撞梁等可替換零件的充分變形吸能,防止不可替換零件的損壞[4]。

2 試驗(yàn)中出現(xiàn)的問題及優(yōu)化

2.1 15 km/h RCAR正碰試驗(yàn)及仿真結(jié)果分析

在工裝車試制階段,按照RCAR正面碰撞工況的試驗(yàn)方法進(jìn)行試驗(yàn),試驗(yàn)后通過拆車發(fā)現(xiàn),在碰撞過程中,前部吸能盒未能按照理想的方式發(fā)生潰縮,而是偏向一側(cè),這種情況不利于保護(hù)汽車前端其他零部件。圖2示出某型車15 km/h RCAR正面碰撞后吸能盒變形結(jié)果。

圖2 某型車15 km/h RCAR正面碰撞后吸能盒變形圖

由圖2可以看出,在碰撞過程中,吸能盒未能起到潰縮吸能的作用,向內(nèi)側(cè)傾斜。造成了吸能盒與縱梁連接的上側(cè)安裝板發(fā)生撕裂,右側(cè)安裝板發(fā)生嚴(yán)重的鈑金變形。同時(shí)對(duì)前端模塊、中冷及機(jī)艙蓋等零部件造成的損傷也較為嚴(yán)重,不利于RCAR保險(xiǎn)等級(jí)評(píng)估。

所以為了解決試驗(yàn)中暴露的吸能盒未能起到潰縮吸能作用的問題,搭建了15 km/h RCAR正面碰撞試驗(yàn)仿真模型,通過調(diào)整整車與壁障的接觸摩擦因數(shù),較為真實(shí)地復(fù)現(xiàn)了試驗(yàn)中的碰撞結(jié)果。圖3示出某型車15 km/h RCAR正面碰撞仿真分析結(jié)果。從圖3可以看出,吸能盒沒有潰縮,而是歪向一側(cè),未起到吸收能量作用,與吸能盒相連的安裝板變形嚴(yán)重,不利于拆卸更換維修。在通過仿真分析真實(shí)復(fù)現(xiàn)碰撞試驗(yàn)結(jié)果的基礎(chǔ)上進(jìn)行下一步工作:即通過仿真分析方法,對(duì)整車結(jié)構(gòu)進(jìn)行改進(jìn),避免多次實(shí)車碰撞試驗(yàn)造成的浪費(fèi)。

圖3 某型車15km/h RCAR正面碰撞吸能盒仿真分析圖

2.2 接觸摩擦因數(shù)對(duì)仿真結(jié)果的影響

圖4示出設(shè)置不同接觸摩擦因數(shù)的吸能盒潰縮變形仿真結(jié)果。通過對(duì)比圖4仿真分析結(jié)果可以發(fā)現(xiàn):當(dāng)接觸摩擦因數(shù)設(shè)置較大時(shí),吸能盒完全潰縮;當(dāng)接觸摩擦因數(shù)設(shè)置較小時(shí),吸能盒潰縮不完全或不發(fā)生潰縮,出現(xiàn)了與試驗(yàn)中相吻合的仿真結(jié)果。這是因?yàn)榻佑|摩擦因數(shù)過大時(shí),較大的摩擦力阻止了吸能盒向一側(cè)傾斜。因此可以得出結(jié)論,整車與壁障的接觸摩擦因數(shù)的設(shè)置對(duì)仿真結(jié)果起到至關(guān)重要的作用。在50 km/h正面全寬剛性壁障碰撞、64 km/h可變性壁障偏置碰撞及15 km/h的RCAR正面碰撞工況中,碰撞壁障形狀各異,表面處理也各有不同,所以接觸摩擦因數(shù)也不相同。因此接觸摩擦因數(shù)的選取不能一概而論。應(yīng)針對(duì)不同的工況進(jìn)行調(diào)整。

圖4 不同接觸摩擦因數(shù)的吸能盒潰縮變形仿真圖

2.3 防撞梁造型與吸能盒結(jié)構(gòu)分析

發(fā)生低速碰撞時(shí),決定其防撞性能的關(guān)鍵部件是汽車保險(xiǎn)杠系統(tǒng)的吸能部件,吸能特性好的部件將把碰撞產(chǎn)生的能量全部吸收,使車體的其它結(jié)構(gòu)避免永久變形,從而保護(hù)汽車前縱梁和發(fā)動(dòng)機(jī)等重要部件免受損壞,因此汽車吸能部件的抗撞性能尤為重要[5]。

前保險(xiǎn)杠是塑料件,不能承受太大的力,防撞梁及吸能盒才是吸能零部件。為解決試驗(yàn)中出現(xiàn)的吸能盒不潰縮的問題,分析防撞梁與吸能盒的造型與布置。發(fā)現(xiàn)在碰撞發(fā)生過程中,防撞梁的拐角與壁障首先接觸,圖5示出某車型防撞梁拐角與壁障接觸點(diǎn)。某車型防撞梁拐角受力分析,如圖6所示,因防撞梁與吸能盒前端焊接在一起,防撞梁拐角處的受力變形,會(huì)帶動(dòng)吸能盒前端的變形,對(duì)吸能盒前端有很強(qiáng)的誘導(dǎo)作用,如果吸能盒前端比較硬,不容易變形,力F在F2方向的分力增加,造成吸能盒向內(nèi)側(cè)傾斜。

圖5 某型車防撞梁拐角與壁障接觸點(diǎn)示意圖

圖6 某型車防撞梁拐角處受力分析示意圖

某型車吸能盒低速碰撞變形仿真結(jié)果,如圖7所示,當(dāng)防撞梁拐角受力變形,并通過F1和F2向后和向內(nèi)側(cè)擠壓吸能盒時(shí),由于吸能盒前端結(jié)構(gòu)剛度較大,存在較大張力,造成防撞梁不能向后平推吸能盒,致使吸能盒不發(fā)生潰縮,而是向內(nèi)側(cè)傾斜。

圖7 某型車吸能盒低速碰撞變形仿真圖

根據(jù)以上分析結(jié)果可以得出,防撞梁的造型和防撞梁與吸能盒的搭接方式是造成吸能盒未能發(fā)生潰縮的主要原因。在工裝車試制階段,防撞梁造型的設(shè)計(jì)變更會(huì)引起周邊零部件的變化,并且防撞梁重新開模的費(fèi)用較高,所以主要考慮在防撞梁與吸能盒搭接區(qū)域進(jìn)行結(jié)構(gòu)優(yōu)化,優(yōu)化的目標(biāo)是吸能盒由不潰縮到潰縮的一個(gè)起死回生的過程。

2.4 基于試驗(yàn)結(jié)果基礎(chǔ)上的仿真優(yōu)化

因該車RCAR正面碰撞為剛性壁障,接觸摩擦因數(shù)較小,根據(jù)以上分析結(jié)果,設(shè)置整車與壁障仿真模型的接觸摩擦因數(shù)為0.05,使仿真結(jié)果與試驗(yàn)狀態(tài)最為接近,在此基礎(chǔ)上對(duì)吸能盒進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)。為了使吸能盒具有更大的吸能量和具有更平穩(wěn)的吸能過程,采取一些措施使得變形更趨于理想的軸向折疊壓縮模式[6]。由于吸能盒前端結(jié)構(gòu)配合防撞梁造型進(jìn)行搭接,造成吸能盒前端結(jié)構(gòu)剛度較大,現(xiàn)削去部分前端結(jié)構(gòu)進(jìn)行結(jié)構(gòu)優(yōu)化,優(yōu)化后防撞梁向后平推吸能盒,得到較為理想的變形結(jié)果。圖8示出該車吸能盒結(jié)構(gòu)優(yōu)化后仿真圖,圖9示出該車吸能盒結(jié)構(gòu)優(yōu)化后潰縮變形仿真圖。

圖8 某型車吸能盒結(jié)構(gòu)優(yōu)化后仿真圖

圖9 某型車吸能盒結(jié)構(gòu)優(yōu)化后潰縮變形仿真圖

2.5 基于仿真優(yōu)化方案的實(shí)車驗(yàn)證

根據(jù)仿真優(yōu)化結(jié)果,試制部門重新開發(fā)了該車吸能盒樣件,如圖10所示。由于吸能盒結(jié)構(gòu)改動(dòng)較小,只需在原有模具基礎(chǔ)上進(jìn)行修改,大大節(jié)省了開發(fā)成本。裝車后進(jìn)行實(shí)車碰撞驗(yàn)證,圖11示出該車吸能盒結(jié)構(gòu)優(yōu)化后實(shí)車碰撞試驗(yàn)結(jié)果。

圖10 某型車吸能盒優(yōu)化后樣件圖

圖11 某型車吸能盒結(jié)構(gòu)優(yōu)化后實(shí)車碰撞試驗(yàn)圖

通過實(shí)車碰撞試驗(yàn)驗(yàn)證,優(yōu)化后的吸能盒前端結(jié)構(gòu)剛度弱化,引導(dǎo)防撞梁向后平推吸能盒,吸能盒潰縮狀態(tài)良好,從根本上提升了該車的低速碰撞性能。

3 結(jié)論

文章以某款自主開發(fā)車型在RCAR正面碰撞工況中出現(xiàn)的問題為例,較為系統(tǒng)的描述了碰撞仿真分析中接觸摩擦因數(shù)對(duì)仿真結(jié)果的影響,并通過設(shè)置0.05的接觸摩擦因數(shù)真實(shí)地復(fù)現(xiàn)了低速RCAR碰撞試驗(yàn)中出現(xiàn)的問題,并在此基礎(chǔ)上進(jìn)行結(jié)構(gòu)優(yōu)化,將吸能盒前部與防撞梁相連的結(jié)構(gòu)削去一部分,造成誘導(dǎo)潰縮趨勢(shì)。這種改進(jìn)設(shè)計(jì)在工程應(yīng)用中易于實(shí)施,最終使優(yōu)化設(shè)計(jì)后的吸能盒結(jié)構(gòu)達(dá)到理想的變形效果,提高了RCAR保險(xiǎn)評(píng)估等級(jí)。

由此得出,不同的碰撞工況中壁障的材質(zhì)和形狀是有差異的,因此汽車與壁障的接觸摩擦因數(shù)是不同的。在整車碰撞安全開發(fā)過程中,仿真分析手段起到了至關(guān)重要的引導(dǎo)作用。通過針對(duì)試驗(yàn)工況調(diào)整仿真分析的方法,切實(shí)地改進(jìn)了該款車型車體結(jié)構(gòu)耐撞性能,對(duì)企業(yè)提升自主品牌具有重要意義。

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