汽车侧面碰撞有限元模型的建立

摘要:文章以国内某企业生产的混合动力轿车为研究对象,探讨了有限元模型的建立对于汽车侧面碰撞研究的意义,建立并验证了符合我国侧碰法规标准要求的侧面碰撞有限元模型。

关键词:汽车侧面碰撞;有限元模型;变形壁障;系统总体能量

中图分类号:U465文献标识码:A

文章编号:1009-2374 (2010)25-0020-02

1有限元模型的建立对于汽车侧面碰撞研究的意义

20世纪50年代,欧美开始汽车碰撞试验研究,随着轿车在汽车中所占比例增多,开始出现对汽车侧面碰撞的研究。刚开始时采用实车碰撞试验方法,再根据碰撞试验的分析研究结果,改进设计。随后发展了台车试验和试验台冲击试验等模拟碰撞技术,这两种试验方法是以实车试验的结果为基础确定试验条件。随着计算机技术的发展,出现了计算机仿真技术。采用虚拟模型代替实际模型,利用计算机进行分析计算得出安全结论,已成为汽车安全技术发展的一个重要方向。

通过建立汽车碰撞模型,乘员模型及保护系统模型,进行计算分析,评价汽车安全性能和保护系统作用。代表性的模拟软件可以分为两类:一类是CVS碰撞伤害模拟软件,该类软件采用多刚体系统动力学理论建模,主要用来模拟碰撞事故中乘员与环境的相互作用,CAL3D和MADYMO就属于这一类;另一类是采用显式有限元理论建模,主要用来描述车身结构的抗撞性,这类软件以LS-DYNA3D和PAM-CRASH为代表。其中采用多刚体系统动力学理论建模的软件可以模拟碰撞事故中乘员与环境的相互作用,能很好地再现事故过程,而采用显式有限元理论建模的软件可以用来描述车身结构的抗撞性,处理很多异常复杂的结构大变形问题。这些软件的模拟结果能与实车碰撞结果大致吻合,尤其是对于车身结构的改进,可以使用这些软件和算法在短时间内对多种方案做出比较,得到满意的改进方案。

2汽车侧面碰撞有限元模型的建立

汽车侧面碰撞与正面碰撞计算机仿真的最大区别在于,除了要建立整车模型外,还必须建立移动变形壁障模型。本文整车有限元模型和移动变形壁障模型的开发均根据我国汽车侧面碰撞标准《汽车侧面碰撞的乘员保护》(GB2007-2006)的要求进行。

2.1可变形移动障碍壁结构特性及仿真模型的建立

(GB2007-2006)标准中,可变形移动障碍壁(MDB)主要由移动车和可变形碰撞块两部分组成。碰撞块由连在一起的6个部分组成,其形式及位置如图1所示:

2.2移动变形壁障的建立

根据(GB2007-2006)法规,从模拟的角度出发,通过IGES图形数据交换格式将CAD模型转入有限元分析前处理软件Hypermesh中,对所建立的移动变形壁障模型进行了网格划分和定义各个部件的材料、属性,及各部件间的联接关系,最后对模型施加载荷、约束或边界条件。在移动变形壁障有限元模型中,主要模拟的部件是移动台车模型、变形吸能块模型、胶水和前后连接面板。移动台车用壳单元模拟,由于它在碰撞过程中不会发生变形,采用的材料是刚性材料(MAT_RIGID);变形吸能块用实体单元模拟,采用的是铝蜂窝材料(MAT_HONEYCOMB);胶水用梁单元模拟,采用非线性塑性离散弹簧材料(MAT_NONLINEAR_PLASTIC_DISCRETE_BEAM)。台车模型以车架为基体,一些部件(如车轮、后连接板、配重点质量等)通过CONSTRAINED_RIGID_BODIES的定义建立其与车架的联接,最后部分的吸能块是通过TIED接触与后连接板连接在一起。基于以上的建模思路,最终得到移动变形壁障有限元模型。

3整车有限元模型的建立与相关验证

3.1轿车侧面碰撞整车有限元建模技术流程

汽车侧面碰撞有限元模型与其它类似碰撞模型建模思路大体是一致的,不同之处在于因分析的目的的差异而对汽车车身部件的关注不同而已。在建立整车有限元模型时,首先应核对设计部门提供的车辆实际结构3D数模以及3D焊点,并重点关注所有影响碰撞分析的一些结构部件。之后,将整车各零部件的CAD三维模型存成IGES格式文件,通过Hypermesh软件的格式数据转换接口输入零件的几何外形,利用其线和面进行网格的划分,划分时应保留主要特征线,网格要与几何保持良好的贴合。整车各子系统和零部件的建模方法取决于结构特点和碰撞过程中的响应特点。

一般来说,侧面碰撞建模中,可以分成三类部件的建模:一是车身薄壁件,如侧围部件车门门槛是变形吸能和承载的主要部件,它们是车体碰撞后变形的主要表现体;二是底盘和动力总成系统,它们的质量和刚度相对车身结构件来说比较大,虽然它们多数在侧面碰撞中不发生接触和大变形,但是其惯性特性不容忽视;三是车身附件,它们的变形吸能能力很小,但其质量所占的比例大,对车身运动响应影响较大。在侧面碰撞建模中还尤其重要的有前后悬架的弹性/阻尼特性,橡胶悬置的刚度特性等因素都影响碰撞过程中车身的俯仰、侧倾等运动响应,这是侧面碰撞与正面碰撞仿真的重要区别。整车模型的装配是按照汽车制造的工艺流程进行,首先应是各个小总成之间的连接关系,然后组装各个分总成,最后总装完成整车模型。整车模型的装配通过在其联接位置增加相应的联接单元(焊点铰接短梁)或约束(如刚性约束)来实现。最后通过定义边界条件以及碰撞时部件之间的各种接触问题。

轿车侧面碰撞整车有限元建模技术流程根据工作性质不同可以分为以下几个阶段:

(1)建立几何模型,构建用于碰撞模拟分析的有限元模型。

(2)有限元网格划分(考虑精度与效率的关系,处理好关键部位和非关键部位的网格)。

(3)部件之间的联接设定边界条件约束以及各部件之间的各种接触。

(4)求解。

(5)与试验结果进行比较,如果不满足验证条件,修改模型直到模型合格。

3.2侧面碰撞仿真验证

计算机仿真结果的正确与否最终需要试验来检验,对仿真结果的真实性和准确的评价,通常采用定性和定量的评价方法。参照我国正式颁布实施的《汽车侧面碰撞的乘员保护》(GB20071-2006)进行该款车的碰撞仿真模拟。碰撞位置为:移动变形壁障的沿纵轴的中垂面与车辆上通过碰撞侧前座椅R点的横断面重合。

3.2.1能量关系碰撞总能量变化趋势如下图2所示。碰撞完成后,系统总体变形能(内能)和动能各占约47.5%,其余的5%能量为碰撞界面能和数值计算过程中的沙漏能。其中,沙漏能只占总能量的2%。所以,由图及数据可以看出,此仿真模型是可信的。

3.2.2车身加速度比较图3为被撞侧B柱下端的加速度-时间曲线比较,从图中可以发现,试验峰值的时刻是39.6ms,其值为18.6g。仿真峰值时刻是34.7ms,其值是17.7g。图3.26所示为车体中央通道处的加速度对比,试验加速度的第一个峰值为-15.1g,仿真结果为-14.8g,二者的时间点基本相同,试验加速度的最大值为18.4g,仿真结果为19.1g。以上测得两处加速度曲线的变化基本相同,仿真的变化趋势一致。

4结语

按照我国正式颁布实施的《汽车侧面碰撞的乘员保护》(GB20071-2006)进行了该款车的侧面碰撞计算机仿真,将仿真结果与实车试验结果进行了分析、比较,结果显示汽车车体变形与试验基本一致;被撞侧B柱下端的加速度和车体中央通道处加速度的仿真曲线在整个时间历程内与实车试验曲线的大小以及变化趋势相吻合,证明了本文所采用的虚拟试验方法的正确性和所建立的汽车侧面碰撞有限元模型的准确性。

参考文献

[1] 肖悦.汽车侧面碰撞结构仿真方法的研究[J].合肥工业大学学报,2007,(30).

[2] 游国忠,陈晓东,程勇,等.汽车侧面碰撞有限元仿真建模[J].江苏大学学报,2005,(26).