%BD车偏置正面碰撞的数值仿真及结构改进

第22卷　第5期2009年9月中　国　公　路　学　报China Journal of Highway and TransportVol.22　No.5Sept.2009文章编号:100127372(2009)0520118204收稿日期:2008211219基金项目:“十一五”国家科技支撑计划项目(2006BA F02A02)作者简介:江　建(19772),男,安徽黄山人,工学博士,博士后,E 2mail :jiangjian @mail.t 。

汽车偏置正面碰撞的数值仿真及结构改进江　建1,陈宗渝2,段广洪1,向　东1(1.清华大学精密仪器与机械学系,北京　100084;2.重庆特克汽车设计有限公司,重庆　401120)摘要:以某类型汽车为研究对象,建立了正面40%偏置碰撞的有限元模型,基于欧洲正面碰撞法规ECE R94.01《关于车辆正面碰撞乘员保护认证的统一规定》,应用PAM 2CRASH 有限元软件进行仿真;通过对仿真结果的分析并针对原车耐撞性能的不足,在车架纵梁前部设计导引槽式吸能结构,以改进前纵梁吸能变形模式;增加A 柱加强件及乘员舱区域车架纵梁的宽度和高度,以提高车架纵向刚度和乘员舱的强度。

结果表明:以上改进使整车耐撞性能得到了显著改善;改进后乘员舱变形量明显减小,车架第4横梁的加速度峰值降低了7g 。

关键词:汽车工程;偏置正面碰撞;有限元法;结构耐撞性;数值仿真中图分类号:U461.7 文献标志码:ASimulation of Automobile Off set Frontal Impact andStructure ImprovementJ IAN G Jian 1,CH EN Zong 2yu 2,DUAN Guang 2hong 1,XIAN G Dong 1(1.Department of Precision Instruments and Mechanology ,Tsinghua University ,Beijing 100084,China ;2.Chongqing TEKE Auto Design Co.,L td ,Chongqing 401120,China )Abstract :Aimed at a kind of automobile ,t he finite element model of 40percent off set f rontal impact of t he automobile was established.According to t he standard of ECE R94.01,U ni f ormProvisions Concerni ng t he A p p rov al of V ehicles w it h Regar d to t he Protection of t he Occu p ants i n t he Event of a Front al Collision ,applying PAM 2CRASH software ,t hrough analysis ofsimulated result and deficiency of original automobile crashwort hiness ,guided 2trough st ruct ure on f rame f ront carling was designed.The energy 2absorbing deformation mode of f ront carling was imp roved.The fortified part on A column was increased.The widt h and height of f rame carling under cabin were increased.It imp roved t he longit udinal rigidity of f rame carling and t he st rengt h of cabin.Result s show t hat t he automobile crashwort hiness is significantly improved and deformation of cabin is obviously reduced after st ruct ure is improved.The peak acceleration of a point on t he 4t h beam of automobile reduces 7g .K ey w ords :auto motive engineering ;off set f rontal impact ;finite element met hod ;st ruct ural crashwort hiness ;numerical simulation0引　言据中国道路交通事故统计资料,2005年中国共发生道路交通事故450254起,造成98738人死亡,469911人受伤,直接财产损失18.8亿元。

其中,汽车正面碰撞约占总交通事故的三分之一,正面碰撞事故造成的死亡人数最多,因此在碰撞试验研究中,正面碰撞形式被作为主要研究对象[122]。

中国也推出了适合其国内汽车市场的新车安全评价规程(C 2NCA P ),对正面100%重叠刚性壁障(100%RB )碰撞试验和偏置40%重叠可变形壁障(40%ODB )碰撞试验都有严格的评分规则[324]。

汽车碰撞是个瞬态的大位移和大变形的过程,具有很强的几何非线性和材料非线性[527]。

目前各汽车公司大多采用新材料并通过改进车身结构,提高整车在2种正面碰撞中的耐撞性能。

国外对偏置正面碰撞仿真与改进的研究开展较早[8211],中国对车身碰撞性能仿真与改进的研究主要是针对100%RB 碰撞[12],对轿车偏置正面碰撞耐撞性的仿真研究较少,但实际发生的事故大多数属于此类。

因此,本文中笔者以某类型汽车为研究对象,采用有限元理论建立了整车有限元模型,基于G B 11551—2003、ECE R94.01和EuroNCA P 进行正面40%ODB 偏置碰撞的数值仿真,并从整车变形、车架前纵梁吸能、碰撞加速度、部件对乘员舱侵入等方面进行分析、评价,改进了前纵梁吸能变形模式,增加A 柱加强件,提高了乘员舱的强度,从而提高了整车在偏置正面碰撞中的耐撞性能。

1整车有限元模型利用IGES 图形数据交换格式将CAD 模型导入有限元软件HyperMesh 中进行网格划分,对整车正面碰撞变形起决定作用的部件,如车架前纵梁,保险杠等,采用精确的几何模型和细化的网格尺寸。

为保证求解速度,以10mm 为网格尺寸的基准,最小单元尺寸不能小于5mm ,其他参数如翘曲度、长宽比、梯度、雅可比等参照汽车碰撞通用规范。

整车有限元模型如图1所示,由70万个不同的单元组成,以板壳单元为主,焊点采用RIGID 单元模拟。

图1整车有限元模型Fig.1Finite E lement Model of Automobile2正面40%ODB 碰撞的有限元仿真 图2所示为正面40%ODB 碰撞的有限元模型,可图2正面40%ODB 碰撞模型Fig.2Frontal 40%ODBImpact Model变形壁障模型主要包括主蜂窝障碍块、缓冲器构件、背片、覆面、缓冲器覆面。

主蜂窝障碍块高为650mm ,宽为1000mm ,深度为450mm ,材料型号为铝3003。

按ECE R94.01《关于车辆正面碰撞乘员保护认证的统一规定》的要求,整车以64km ・h -1的速度从正面40%偏置撞击可变形壁障,应用PAM 2CRASH 有限元软件进行仿真,仿真时间为160ms 。

仿真结果如图3(a )所示,图3(b )为该车实际碰撞试验结果。

仿真结果与样车的试验结果比较表明,碰撞数值仿真结果基本正确。

通过对结果的分析,发现原有结构设计在安全性方面存在以下不足:图3正面40%ODB 碰撞仿真与试验结果的对比Fig.3Comparison of Simulated R esult and Experimental R esult on F rontal 40%ODB Imp act(1)车体左前侧变形过大。

车架前纵梁纵向刚度不足,纵梁产生很大的弯曲变形。

(2)前部结构吸收碰撞能量不足。

车架纵梁前段缓冲吸能区域未产生理想的纵向皱折式吸能变形模式,使得前部结构不能有效地吸收碰撞产生的能量,较早达到吸能极限。

(3)乘员舱被侵入量过大。

碰撞冲击能量沿左911第5期 江　建,等:汽车偏置正面碰撞的数值仿真及结构改进前纵梁传递到仪表板和乘员舱下部,严重侵入前围板,转向盘中心后移量过大,达到300mm 以上,离合踏板后移量过大,对乘员生命造成威胁。

(4)车身A 柱变形严重,后移量过大。

碰撞冲击荷载一部分由轮罩加强件传递到A 柱,通过轮罩加强件传递到A 柱的冲击荷载过大,车身A 柱产生严重变形,这说明轮罩加强件纵向刚度过大。

(5)车门、前挡风玻璃及车顶变形偏大。

3耐撞性的结构改进通过对正面碰撞的仿真与分析,确定车体结构改进的目标:使车体前部构件、车架前纵梁通过纵向皱折式吸能变形模式吸收更多的能量,并降低车身加速度第一峰值。

通过增加车架前纵梁的纵向刚度,降低A 柱的冲击荷载,减少A 柱的变形量和后移量,以及仪表板、转向盘的后移量,增加乘员舱的强度,以确保乘员的生存空间。

根据以上的改进目标,进行了以下的结构改进:(1)在车架纵梁前部设计导引槽式吸能结构,如图4所示,使纵梁前部在碰撞过程中发生足够的皱折式压溃变形,以吸收更多能量。

图4改进后纵梁的导引槽Fig.4Improved G uided 2trough of C arling(2)增加在乘员舱区域的车架纵梁宽度和高度,如图5所示。

提高该区域车架纵梁的横向弯曲刚度,使该区域车架在碰撞时不产生变形,虽然质量有所增加,但可以很好地确保乘员舱得到应有的保护。

图5乘员舱区域纵梁的改进设计Fig.5Improved Design of C arling U nder C abin R egion(3)降低轮罩加强件的纵向强度,在轮罩加强件上沿纵向增设导引槽,降低传递到A 柱的冲击荷载,并使轮罩加强件在碰撞时吸收较多的能量。

(4)为了提高A 柱结构刚度,在A 柱上增加加强件,将门框设计成有完整骨架的结构,提高抗冲击荷载的能力,采用高强度钢板B420L 代替原来的低碳钢钢板。

4耐撞性改进的验证为了验证以上改进,在图2的有限元模型的基础上,构造新的有限元模型。