吳家福，盧 平，王合關，王世文

（貴陽學院 機械工程學院，貴州 貴陽 550005）

汽車A柱是左右前方連接車頂和前艙的連接柱的俗稱，是汽車發(fā)生碰撞事故時的關鍵安全部件，在汽車碰撞實驗中A柱的變形破壞程度是一項重要評價指標。為保障駕乘人員的安全，研究通過結(jié)構改進以提高汽車A柱的強度具有重要的現(xiàn)實意義。

早期一般用實車進行汽車安全實驗，隨著模擬技術的發(fā)展，現(xiàn)在一般采用實車碰撞實驗和數(shù)值模擬仿真相結(jié)合的方式開展實驗。夏伯雄等提出了獲得基于全面實驗數(shù)據(jù)分析的質(zhì)量彈簧模型的參數(shù)的方法。李巖等開展了基于汽車低速碰撞的前保險杠系統(tǒng)安全性能研究。劉利等提出一種帶有蜂窩結(jié)構的保險杠橫梁，抗撞性能得到提高的同時減輕了重量。萬鑫銘等進行了基于仿真與試驗的鋁合金汽車碰撞橫梁設計與成型研究，獲得了優(yōu)化后橫梁截面和成型方法。而一些學者結(jié)合算法開展碰撞實驗，林翔等采用BP（Back Propagation）神經(jīng)網(wǎng)絡機器學習算法建立全速度域下汽車碰撞代理模型，通過有限實驗得到全速度下的碰撞力-位移曲線。REDHE等采用D-最優(yōu)試驗設計方法選取樣本點，并在 LS-DYNA 中對方形管和汽車前縱梁與剛性墻的碰撞過程仿真。FORSBERG等研究了傳統(tǒng)響應面法和 kriging法的車身的防撞性和輕量化問題。姜強等研究了汽車正面碰撞駕駛員安全氣囊仿真與優(yōu)化。

以上文獻從多角度研究汽車碰撞安全問題，但有關汽車A柱結(jié)構設計的有限元研究鮮有人問津?，F(xiàn)代汽車的A柱截面結(jié)構的選擇需要考慮安全、經(jīng)濟、外觀、風阻、安裝等因素，諸多因素中無疑以安全為最重要，通過模擬仿真結(jié)果對比選擇最優(yōu)結(jié)構，是本文研究的主要工作內(nèi)容。

1 碰撞過程數(shù)值模擬實驗

1.1 汽車A柱變結(jié)構及實驗方案設計

由模擬仿真的需要，對汽車A柱進行簡化，如圖1所示，板厚為1 mm，軸向長度統(tǒng)一取300 mm，中間無筋板為傳統(tǒng)結(jié)構（簡稱結(jié)構1，圖1(a)），其他三種分別為加橫向筋板結(jié)構（簡稱結(jié)構2，圖1(b)）、縱向筋板結(jié)構（簡稱結(jié)構3，圖1(c)）和交叉縱橫向筋板結(jié)構（簡稱結(jié)構4，圖1(d)）。

模擬汽車A柱受兩種撞擊方式，一種A柱直接垂直撞擊到物體上（簡稱垂直碰撞），另一種是汽車撞擊物體后力量從汽車前方沿軸向傳導到A柱（簡稱軸向碰撞），實驗方案如表1所示。

1.2 有限元模型的建立

Johnson-Cook模型是廣泛應用于工程實踐的高溫大變形、高應變速率動態(tài)本構經(jīng)驗模型，經(jīng)過修正的方程為

式中，為初始屈服應力；為硬化常數(shù)；為應變率常數(shù)；為硬化指數(shù)；為熱軟化指數(shù)。

通過高溫拉伸實驗獲得材料應力應變曲線，經(jīng)計算后得到仿真實驗用的Johnson-Cook參數(shù)：為244 MPa，為400 MPa，為0.039，為0.36，為0.7，該材料密度為7.85 g/cm，泊松比為0.3，彈性模量為210 GPa。采用動態(tài)顯示分析步，time period為0.01 s，鈑金件為3D可變形shell，撞擊物為3D可變形solid，經(jīng)剛體約束后賦予參考點重量，分別定義四種速度場。

建立如圖2所示的模型，圖2中上方四圖模擬汽車A受垂直碰撞，下方四圖則模擬汽車A柱受軸向碰撞。垂直碰撞時固定約束鈑金件兩端，約束撞擊物5個自由度，保留撞擊方向移動自由度。軸向碰撞時鈑金件一端固定，另一端自由，約束撞擊物5個自由度，保留撞擊方向移動自由度，并碰撞鈑金件自由的一端。

2 結(jié)果與分析

2.1 碰撞位移

模擬仿真中，在剛體的相同質(zhì)量和速度下，碰撞后關鍵點的位移能直觀表現(xiàn)變形情況。垂直碰撞方式中，以接觸中點移動距離來評價變形程度，在軸向碰撞中，以剛體參考點位移評價變形程度，剛體碰撞后鈑金件關鍵點位移如圖3所示。

由圖3(a)(c)(e)(g)可以發(fā)現(xiàn)，在垂直碰撞過程中，所有位移隨時間的曲線具有相似性，碰撞以近似線性變化到達最大位置后，碰撞物彈回，而鈑金件也隨之發(fā)生一定回彈。在不同速度下，結(jié)構1到結(jié)構4上點位移均逐漸呈減小，表明結(jié)構1到結(jié)構4的抗垂直碰撞能力逐漸增加；而隨著碰撞速度增加，四種結(jié)構的點位移均相應增大，表明在碰撞物質(zhì)量一定的前提下，速度的增大，給碰撞帶來更大能量，碰撞破壞性更大。從圖3(b)(d)(f)(h)可以看出，在軸向碰撞過程中，四種結(jié)構的位移時間曲線差別較大，結(jié)構3與結(jié)構4點位移最小，剛體碰撞后回彈量較大，表明結(jié)構3和結(jié)構4的軸向強度較大，其中結(jié)構4的軸向強度最大。碰撞速度為30 km/h時，動能沒有使鈑金件發(fā)生嚴重破壞變形，剛體位移從結(jié)構1到結(jié)構4逐漸減??；碰撞速度為40 km/h時，結(jié)構2在第二個筋板處發(fā)生折彎，軸向抵抗力減小，剛體位移沒有阻礙，導致該結(jié)構位移隨時間增大，結(jié)構2位移最大，且剛體無反彈過程；碰撞速度為50 km/h時，結(jié)構2仍是在第二個筋板處發(fā)生更嚴重彎折，結(jié)構2位移時間曲線近似線性；當碰撞速度增加至60 km/h時，結(jié)構1也開始發(fā)生嚴重變形，與結(jié)構2一起位移時間曲線遠高于結(jié)構3和結(jié)構4，并且沒有回彈過程。綜合軸向碰撞位移時間曲線可以發(fā)現(xiàn)，從軸向變形來說，結(jié)構4最優(yōu)，結(jié)構3次之，結(jié)構2最弱。

2.2 碰撞力的影響

從結(jié)果文件中提取接觸力，接觸力的大小反映了剛體與鈑金件之間的作用情況，接觸力越大，剛體對變形體的做功越大。圖4為垂直碰撞和軸向碰撞接觸力。

圖4(a)(c)(e)(g)中，四種結(jié)構垂直碰撞接觸力曲線基本相似，在四種碰撞速度下，結(jié)構4與結(jié)構3較結(jié)構2和結(jié)構1更早產(chǎn)生接觸力，所有接觸力到達高點后，結(jié)構4與結(jié)構3的接觸力也下降較快，所有接觸力在0.006 ms左右歸零，此時正是剛體開始完全離開變形鈑金件，從接觸力曲線看，結(jié)構4到結(jié)構1的抗垂直碰撞能力下降。從圖4(b)(d)(f)(h)可以看出，在各種碰撞速度下，軸向碰撞接觸力曲線相似，隨著速度的變大，接觸力持續(xù)時間延長，即接觸作用時間延長，在碰撞初期，接觸力突然增大，隨后迅速降低到一定值，然后較緩慢降低到零。碰撞速度30 km/h時，所有結(jié)構均未發(fā)生嚴重變形；碰撞速度40 km/h時，結(jié)構4持續(xù)時間最短，通過觀察仿真過程可發(fā)現(xiàn)，在該速度下，剛體碰撞到結(jié)構4后，結(jié)構4沒有發(fā)生變形，剛體直接反彈，而結(jié)構2發(fā)生了變形，導致接觸時間變形長；碰撞速度為50 km/h和60 km/h時，所有結(jié)構均發(fā)生了變形，其中結(jié)構2發(fā)生了折彎后變形，接觸力下降程度較其他結(jié)構更快。在所有碰撞速度工況下，結(jié)構4的接觸力曲線均發(fā)生較強烈的波動，表明該結(jié)構下接觸情況更為復雜，其變形與回彈交替嚴重。

2.3 能量變化

碰撞過程中的能量變化反映了由剛體的快速移動產(chǎn)生的外能轉(zhuǎn)為內(nèi)能及沙漏能等能量的過程，碰撞能量轉(zhuǎn)化如圖5所示。在圖5(a)(c)(e)(g)的垂直碰撞過程中，四種結(jié)構的動能轉(zhuǎn)化為內(nèi)能過程一致，在不同碰撞速度下均是先從結(jié)構4再到結(jié)構3和結(jié)構2，最后才是結(jié)構1轉(zhuǎn)化。在軸向碰撞中，圖5(b)(d)中動內(nèi)能轉(zhuǎn)化曲線與垂直碰撞基本相同，但從圖5(f)(h)發(fā)現(xiàn)，結(jié)構2和結(jié)構1動內(nèi)能轉(zhuǎn)化過程中損失了能量，而且損失能量轉(zhuǎn)多，該能量可能損失在結(jié)構2折彎后剛體與變形體發(fā)生的摩擦中。從圖5能量轉(zhuǎn)換曲線可以發(fā)現(xiàn)，對于垂直碰撞強度，從高到低分別是結(jié)構4、結(jié)構3、結(jié)構2、結(jié)構1；對于軸向碰撞，速度在30 km/h和40 km/h時，軸向碰撞強度從高到低分別是結(jié)構4、結(jié)構3、結(jié)構2、結(jié)構1，而速度為50 km/h和60 km/h時，由于結(jié)構2和結(jié)構1動內(nèi)能轉(zhuǎn)化率低，能量有損耗情況。

2.4 碰撞結(jié)果變形結(jié)果

通過對前面碰撞位移、接觸力、碰撞能量轉(zhuǎn)化分析，較詳細地闡述了各種速度下各結(jié)構的變形情況，為更直觀感受變形，將最大變形情況截圖，結(jié)果如圖6所示。

從圖6可直觀看出，在各碰撞速度下的垂直碰撞，變形從大到小分別是結(jié)構1、結(jié)構2、結(jié)構3、結(jié)構4。對于軸向碰撞，變形程度最大的是結(jié)構2，其次是結(jié)構1，再次是結(jié)構3，最小的是結(jié)構4。因此，從變形大小角度而言，具有橫縱加強筋板的結(jié)構4是最優(yōu)，但考慮加工性和經(jīng)濟性，只有縱向加強筋板的結(jié)構3也是一種性價比很高的結(jié)構。

3 結(jié)論

汽車A柱結(jié)構的選擇需要綜合考慮安全性和加工經(jīng)濟性，從以上分析可以得出如下結(jié)論：

（1）垂直碰撞中，變形抗力從大到小為結(jié)構4、結(jié)構3、結(jié)構2、結(jié)構1；

（2）軸向碰撞中，變形抗力從大到小為結(jié)構4、結(jié)構3、結(jié)構1、結(jié)構2；

（3）考慮變形，優(yōu)選結(jié)構4，綜合考慮經(jīng)濟性和安全性，則優(yōu)選結(jié)構3。