徐安琪, 王 陶, 袁劉凱, 鄒小俊, 王良模

(1. 南京理工大學(xué) 機(jī)械工程學(xué)院, 江蘇 南京 210094; 2. 南京依維柯汽車(chē)有限公司, 江蘇 南京 210028)

在交通道路安全事故中,根據(jù)碰撞的位置,車(chē)輛間的碰撞可分為正面碰撞、側(cè)面碰撞、翻滾和追尾等形式,在這些事故類(lèi)型中,正面碰撞發(fā)生的頻率為59%,側(cè)面碰撞發(fā)生的頻率為27%,但是由事故造成重大傷亡時(shí),正面碰撞所占比例為49%,側(cè)面碰撞所占比例為42%,也就是說(shuō)側(cè)面碰撞的比損失大于正面碰撞的比損失,側(cè)面碰撞事故帶來(lái)的傷亡更加嚴(yán)重,導(dǎo)致的損失也更大[1].側(cè)面碰撞安全性能越來(lái)越受到研究學(xué)者的關(guān)注.

國(guó)內(nèi)外學(xué)者[2-5]對(duì)側(cè)面碰撞安全性做了大量的研究,主要采用計(jì)算機(jī)仿真和實(shí)車(chē)試驗(yàn)相結(jié)合的方法進(jìn)行研究,其中研究對(duì)象大多為乘用車(chē),研究?jī)?nèi)容主要包括結(jié)構(gòu)耐撞性和人體響應(yīng)[6-7]等.筆者以某多用途乘用車(chē)為研究對(duì)象,采用有限元分析與實(shí)車(chē)試驗(yàn)相結(jié)合的方法,對(duì)整車(chē)正面碰撞進(jìn)行仿真和試驗(yàn),并進(jìn)行對(duì)比驗(yàn)證,同時(shí),對(duì)側(cè)面碰撞進(jìn)行仿真以及安全性進(jìn)行優(yōu)化,以B柱對(duì)應(yīng)乘員胸部的侵入量和侵入速度為評(píng)價(jià)指標(biāo),采用正交試驗(yàn)設(shè)計(jì)和多因素權(quán)重優(yōu)化方法對(duì)車(chē)體側(cè)面主要吸能結(jié)構(gòu)進(jìn)行材料和厚度的優(yōu)化,并對(duì)側(cè)面結(jié)構(gòu)進(jìn)行改進(jìn)以提高整車(chē)的側(cè)面碰撞安全性能.

1 整車(chē)有限元模型的建立與驗(yàn)證

1.1 整車(chē)有限元模型的建立

使用Hypermesh軟件對(duì)整車(chē)建模.整車(chē)大部分為鈑金件,因此整車(chē)的網(wǎng)格大部分使用殼單元,車(chē)體中的鑄造件、鉸鏈、膠黏和水箱等則采用3D實(shí)體單元來(lái)模擬,將網(wǎng)格尺寸控制在10 mm左右.根據(jù)CAD圖紙給出的焊點(diǎn)坐標(biāo)位置用體單元進(jìn)行焊點(diǎn)建模,前后風(fēng)擋玻璃邊緣、頂蓋與車(chē)頂橫梁邊緣等處連接采用實(shí)體單元的膠黏模擬.接觸包括整車(chē)模型的自接觸、整車(chē)所有焊點(diǎn)的接觸和整車(chē)模型中所有輪胎與地面的接觸.整車(chē)碰撞模型中用到最多的MAT24號(hào)材料,是多段線性彈塑性材料,可以準(zhǔn)確體現(xiàn)材料在塑性變形時(shí)各個(gè)階段的力學(xué)特征.建立的整車(chē)有限元模型單元數(shù)為2 075 531 個(gè),其中三角形單元僅占2.6%,節(jié)點(diǎn)數(shù)為1 960 828個(gè).

1.2 正面碰撞試驗(yàn)驗(yàn)證

根據(jù)GB 11551—2014《汽車(chē)正面碰撞的乘員保護(hù)》標(biāo)準(zhǔn)的要求,對(duì)目標(biāo)車(chē)型進(jìn)行正面碰撞仿真模擬,速度為50 km·h-1.并對(duì)該車(chē)型的樣車(chē)進(jìn)行實(shí)車(chē)正面碰撞試驗(yàn),試驗(yàn)結(jié)果表明:該試驗(yàn)車(chē)輛表現(xiàn)了很好的耐撞性能和乘員保護(hù)性能,此次檢驗(yàn)的試驗(yàn)車(chē)的正面碰撞乘員保護(hù)性能符合標(biāo)準(zhǔn)的要求.

實(shí)車(chē)與仿真碰撞結(jié)果對(duì)比如圖1所示.仿真的變形部位以及變形程度與試驗(yàn)的大體相當(dāng),仿真的引擎蓋、保險(xiǎn)杠和翼子板等的變形大致與試驗(yàn)相符,可以認(rèn)為兩者的碰撞變形基本相符,仿真模型計(jì)算的準(zhǔn)確度在可接受的范圍內(nèi),由此表明整車(chē)仿真模型具有有效性.

圖1 碰撞試驗(yàn)結(jié)果與仿真結(jié)果對(duì)比

2 整車(chē)側(cè)面碰撞仿真

2.1 整車(chē)側(cè)面碰撞模型的建立

直接將已驗(yàn)證的整車(chē)模型應(yīng)用在整車(chē)側(cè)面碰撞模型中不會(huì)改變其有效特征[8].根據(jù)GB 20071—2006《汽車(chē)側(cè)面碰撞的乘員保護(hù)》的規(guī)定,調(diào)整整車(chē)有限元模型和可移動(dòng)變形壁障模型的相對(duì)位置,使得移動(dòng)壁障的縱向中垂面通過(guò)整車(chē)座椅最低位置R點(diǎn)所在的車(chē)身截面.整車(chē)模型與MDB模型之間選擇面面接觸,設(shè)置摩擦系數(shù)為0.2.給臺(tái)車(chē)所有節(jié)點(diǎn)施加在y軸方向的初始速度13.889 m·s-1,加載時(shí)間為120 ms.整車(chē)側(cè)面碰撞模型如圖2所示.

圖2 整車(chē)側(cè)面碰撞模型

2.2 側(cè)面碰撞過(guò)程的能量變化

側(cè)面碰撞過(guò)程的系統(tǒng)能量變化曲線如圖3所示,碰撞系統(tǒng)的總能量守恒,各個(gè)能量曲線變化平穩(wěn).碰撞開(kāi)始時(shí)的總能量約為93.80 kJ,結(jié)束時(shí)總能量為96.30 kJ,增加了2.50 kJ,沙漏能最大為1.68 kJ,占系統(tǒng)總能量的1.79%,小于總能量的5.00%,滑移界面能最大為3.63 kJ,占系統(tǒng)總能量的3.80%,小于5.00%,可以判定模型的穩(wěn)定性和有效性符合要求[9].

圖3 系統(tǒng)能量變化曲線

2.3 整車(chē)變形分析

整車(chē)在變形最大時(shí)的位移云圖如圖4所示.

圖4 整車(chē)變形位移云圖

從圖4可以看出:側(cè)面碰撞所撞擊的區(qū)域在車(chē)體左側(cè)的中下部分,變形主要集中在與移動(dòng)壁障直接接觸的車(chē)身左側(cè)下部,左前車(chē)門(mén)、左側(cè)B柱以及左后車(chē)門(mén)均發(fā)生了很?chē)?yán)重的變形,車(chē)頭、車(chē)尾及車(chē)身右側(cè)的基本沒(méi)有發(fā)生變形.在側(cè)面碰撞過(guò)程中侵入量最大的區(qū)域集中在B柱及左前車(chē)門(mén)內(nèi)板的中下部,侵入量整體達(dá)到300 mm,嚴(yán)重變形區(qū)域甚至超過(guò)300 mm,顯然會(huì)對(duì)駕駛員產(chǎn)生嚴(yán)重的身體損傷,無(wú)法滿足要求.

3 結(jié)構(gòu)優(yōu)化改進(jìn)

3.1 正交試驗(yàn)設(shè)計(jì)

采用正交試驗(yàn)設(shè)計(jì)方法和多因素權(quán)重優(yōu)化方法對(duì)B柱以及車(chē)門(mén)處進(jìn)行結(jié)構(gòu)優(yōu)化,由于車(chē)門(mén)內(nèi)外板屬于較大的板件,車(chē)門(mén)不適合作為結(jié)構(gòu)優(yōu)化參數(shù),所以選取B柱內(nèi)外板和車(chē)門(mén)加強(qiáng)板作為優(yōu)化對(duì)象.

B柱外板的材料已采用高強(qiáng)度鋼無(wú)需再優(yōu)化,選取B柱內(nèi)板的材料以及厚度、車(chē)門(mén)加強(qiáng)板的材料以及厚度、B柱外板厚度作為正交試驗(yàn)設(shè)計(jì)的5個(gè)優(yōu)化參數(shù),這5個(gè)優(yōu)化參數(shù)分別記為因素A,B,C,D,E.對(duì)于正交試驗(yàn)設(shè)計(jì)中因素水平數(shù)的選取,盡量考慮多的水平因素可以使試驗(yàn)越全面,但是太多因素會(huì)使試驗(yàn)次數(shù)翻倍增加,因此合理安排正交試驗(yàn)設(shè)計(jì)的水平因素很重要.采用L16(45)正交表,分別對(duì)這5個(gè)因素選取4個(gè)水平,根據(jù)上述各因素水平取值如表1所示.

表1 試驗(yàn)因素水平表

在側(cè)面碰撞過(guò)程中側(cè)面結(jié)構(gòu)的整體侵入量是側(cè)面碰撞的重要安全指標(biāo),在側(cè)面碰撞的評(píng)分標(biāo)準(zhǔn)中,胸部的傷害是重要的評(píng)價(jià)項(xiàng)目之一,且假人肋骨的變形量是胸部傷害的重要評(píng)價(jià)指標(biāo)[9].而侵入量是導(dǎo)致假人肋骨變形量的重要因素,因此分析側(cè)面碰撞的侵入量是非常重要的.同時(shí)在側(cè)面碰撞評(píng)分標(biāo)準(zhǔn)中,VC(胸部傷害黏性)也是重要的考察指標(biāo),VC是相對(duì)擠壓變形量與變形速度之積[10].所以VC不僅與結(jié)構(gòu)的侵入量有關(guān),還與結(jié)構(gòu)的侵入速度有著密切聯(lián)系.因此,選取B柱處的胸部對(duì)應(yīng)測(cè)量點(diǎn)的侵入量和侵入速度作為評(píng)價(jià)指標(biāo),通過(guò)分析試驗(yàn)數(shù)據(jù),進(jìn)而找到提高耐撞性能的最優(yōu)組合,從而提升側(cè)圍結(jié)構(gòu)的耐撞性及安全性.

3.2 正交試驗(yàn)結(jié)果

試驗(yàn)采取5個(gè)因素4個(gè)水平,選擇L16(45)正交試驗(yàn)表構(gòu)造樣本空間,一共進(jìn)行16次試驗(yàn),分別根據(jù)每次試驗(yàn)編號(hào)所選擇的材料厚度更改模型,并輸出K文件提交給LS-dyna計(jì)算,從結(jié)果中提取評(píng)價(jià)指標(biāo)侵入量和侵入速度值,得到的正交試驗(yàn)設(shè)計(jì)結(jié)果如表2所示.

表2 正交試驗(yàn)結(jié)果表

3.3 優(yōu)化方案選取

為了便于確定5個(gè)因素對(duì)于側(cè)面安全性能影響的程度,先通過(guò)極差分析法,對(duì)所獲得的結(jié)構(gòu)進(jìn)行整理分析.結(jié)果如表3所示,這5個(gè)因素中B柱內(nèi)板厚度對(duì)于侵入量指標(biāo)的影響最大,而對(duì)于侵入速度指標(biāo)影響最大的因素是B柱內(nèi)板材料,且對(duì)于2個(gè)指標(biāo)分別選擇的最優(yōu)方案也不一致,所以需要對(duì)其進(jìn)行多因素權(quán)重優(yōu)化設(shè)計(jì).

多因素權(quán)重優(yōu)化方法是基于正交試驗(yàn)的多指標(biāo)優(yōu)化方法,其核心是對(duì)各因素水平影響優(yōu)化目標(biāo)的權(quán)重進(jìn)行分析,提升最優(yōu)方案選擇的可信度[8].通過(guò)試驗(yàn)結(jié)果對(duì)2個(gè)指標(biāo)的綜合權(quán)重矩陣進(jìn)行計(jì)算可得公式(1).

表3 各因素水平極差分析

式中：ω總為綜合權(quán)重矩陣；ω侵入量為侵入量權(quán)重矩陣；ω侵入速度為侵入速度權(quán)重矩陣.

對(duì)侵入量和侵入速度2個(gè)指標(biāo)的綜合評(píng)價(jià)影響的主次順序?yàn)锽,A,C,E,D,最優(yōu)方案應(yīng)選取為A2B4C3D2E4,即B柱內(nèi)板材料選擇Q345,厚度為1.6 mm,車(chē)門(mén)加強(qiáng)板材料選擇Q345,厚度為0.9 mm,B柱外板厚度為1.5 mm.

3.4 結(jié)構(gòu)進(jìn)一步改進(jìn)

目標(biāo)車(chē)型沒(méi)有安裝防撞桿,車(chē)門(mén)內(nèi)外板之間只有一塊加強(qiáng)板,且位置較靠上,為了更好地吸收碰撞能量,傳遞碰撞力,考慮在車(chē)門(mén)加強(qiáng)板下方增加防撞桿來(lái)提高車(chē)門(mén)的強(qiáng)度.

原車(chē)型的車(chē)門(mén)結(jié)構(gòu)以及增加防撞桿后的車(chē)門(mén)如圖5所示,在車(chē)門(mén)處只安裝了一塊加強(qiáng)板來(lái)提升車(chē)門(mén)的強(qiáng)度,由于車(chē)門(mén)的中下部變形較大,所以將防撞桿向下傾斜安裝.防撞桿的截面形狀為圓形,材料為DCO4,厚度為1.0 mm.

B柱在整個(gè)側(cè)碰過(guò)程中起到了關(guān)鍵的承力作用,其剛度和強(qiáng)度的好壞對(duì)側(cè)面碰撞的耐撞性和安全性有重要的影響.B柱的變形主要集中在中下部,所以對(duì)B柱的改進(jìn)主要是提高中下部的強(qiáng)度.在前面已對(duì)車(chē)門(mén)結(jié)構(gòu)增加了防撞桿,這樣勢(shì)必會(huì)使車(chē)門(mén)將更多的碰撞力傳遞給B柱下端.所以在B柱下端與門(mén)檻之間新增一個(gè)材料為Q235厚度為1.2 mm的貫通梁,如圖6所示,使其更好地傳遞碰撞力.

圖5 車(chē)門(mén)優(yōu)化前后示意圖

圖6 B柱改進(jìn)后的示意圖

4 改進(jìn)后仿真結(jié)果對(duì)比

將最終優(yōu)化方案應(yīng)用于整車(chē)進(jìn)行側(cè)面碰撞仿真模擬,胸部測(cè)量點(diǎn)優(yōu)化前后的侵入量和侵入速度對(duì)比如圖7所示.

圖7 胸部測(cè)量點(diǎn)優(yōu)化前后的侵入量和侵入速度對(duì)比

從圖7可以看出：測(cè)量點(diǎn)的最大侵入量和最大侵入速度在優(yōu)化后都有了明顯的降低,其中最大侵入量在優(yōu)化前為275.683 mm,優(yōu)化后為222.639 mm,降低了19.25%.該點(diǎn)最大侵入速度優(yōu)化前為8.807 09 m·s-1,優(yōu)化后的最大侵入速度為7.439 02 m·s-1,降低了15.53%.

5 結(jié) 論

采用有限元方法對(duì)某多用途乘用車(chē)進(jìn)行正面碰撞分析并與實(shí)車(chē)試驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行對(duì)比,驗(yàn)證了模型的準(zhǔn)確性.然后對(duì)其進(jìn)行側(cè)面碰撞仿真分析,根據(jù)仿真結(jié)果,采用正交試驗(yàn)設(shè)計(jì)和多因素權(quán)重優(yōu)化方法，對(duì)側(cè)面結(jié)構(gòu)包括B柱內(nèi)外板和車(chē)門(mén)加強(qiáng)板進(jìn)行厚度和材料的匹配優(yōu)化設(shè)計(jì),選取最優(yōu)的組合方案,并針對(duì)薄弱的地方進(jìn)行改進(jìn),在車(chē)門(mén)處增加防撞桿、B柱下端增加貫通梁的措施來(lái)引導(dǎo)碰撞力的傳遞和吸收碰撞能量,將最終的優(yōu)化方案應(yīng)用在整車(chē)中,降低了側(cè)面結(jié)構(gòu)的侵入量和侵入速度.結(jié)果表明優(yōu)化方案可以改善側(cè)面結(jié)構(gòu)的側(cè)面碰撞耐撞性能.