依维柯车身正面碰撞仿真研究

依维柯车身正面碰撞仿真研究

作者：Simwe 来源：Altair发布时间：2013-03-21 【收藏】【打印】复制连接【大中小】我来说两句：(0) 逛逛论坛

依维柯车身正面碰撞仿真研究

王东海1，郭超2

（1.株洲钻石刀具切削股份有限公司，湖南省，株洲市，412007; 2.济南鲁新新型建材有

限公司, 山东省，济南市250000）

摘要：本文以依维柯得意A40为研究对象，运用有限元理论和方法建立“车身-刚性墙”正面碰撞仿真模型，通过图纸查阅、理论推算和CAD建模相结合的方法获取了整车仿真模型的基本参数。进行了车身骨架与刚性墙正面碰撞的仿真及基于薄壁梁碰撞仿真的前纵梁优化设计研究。研究了不同截面形状、不同厚度、有无诱导以及不同诱导形状薄壁梁碰撞特性，结合该车与刚性墙正面碰撞仿真的结果，对该车的前纵梁进行了优化设计。将改进后的车身模型的仿真结果与改进前进行对比，结果表明达到了提高吸能特性和碰撞安全性的目的。

关键词：正面碰撞; 仿真; 碰撞分析; 优化设计; 安全性

1 引言

随着我国经济的不断发展，汽车作为一种便捷的现代化交通工具，在给人们的生活带来便利与好处的同时，也引发了大量的交通事故，给人类的生命和财产带来极大的威胁和伤害。据统计，目前全世界每年死于车祸的人数达100万人，伤残的人数达数千万，而国内每年车祸致死的人数超过6万，致伤人数数百万。每年的汽车交通事故造成了大量的人员伤亡，带来了一系列的经济和社会问题，严重影响了人们的生产和生活，引起了人们的高度重视。至2009年底，我国汽车保有量已达6300万辆，今年将增长至8500万辆，成为全球第二，汽车保有量占世界的3%，但交通事故死亡人数却占世界的16%，中国在迅速跻身世界汽车大国的同时也成为世界上交通最为危险的国家之一。如何提高汽车碰撞安全性能，达到事故无法避免时“车毁人不亡，车损人不伤”，在汽车碰撞事故中最大限度的保护乘员是当前国内外各大汽车公司在汽车设计阶段最关心的安全技术问题[1]。

本文对依维柯得意车型的车身骨架与刚性墙正面碰撞仿真数据表明，基于有限元方法的计算机碰撞模拟仿真分析方法，能够快速、准确地了解汽车在碰撞过程中的变形特点，已经为汽车工业的安全性分析和结构的改进提供了参考和借鉴。

2 依维柯车身骨架有限元模型建立

图1有限元模型建立流程

图2 基于有限元建立的车身模型

汽车碰撞过程一般是一个复杂的瞬间物理过程，它包括成百上千个零部件的复杂变形和相互作用，具有很强的非线性特性，其中包括以大变形和大应变为特征的几何非线性，以弹塑性变形体为特征的材料非线性，以不同零部件表面接触摩擦作用为特征的边界非线性[2]。正是因为这些非线性综合作用才使汽车碰撞过程的设计和分析变得非常棘手，所以早期的汽车安全性设计主要凭工程师的直觉，经验和试验方法来完成。近几十年来，随着计算机技术的发展，计算机仿真碰撞技术迅速发展，在安全性车身的开发、乘员保护措施的优化、人体生物力学、碰撞用假人的开发等领域中发挥了重大作用。这其中有限元法运用离散概念，把连续体分割成有限多个有限大小的多边形或多面体，各单元之间沿单元的边缘本来是整体相连的，通常认为它们彼此之间只在节点处相连，取节点处的位移作为基本未知量。这样就把原来是无限多个自由度的体系简化成为有限多个自由度的体系，一个连续体通过有限元离散后变成一个离散体，它是一个和真实结构近似的力学模型，而整个数值计算就在这个离散化的模型上进行。在每一个单元内运用变分法，从而使原问题的微分方程组转化成为代数联立方程组，使得问题归结为解线性方程组，由此得到数值解答。本文采用Pro/e2.0软件建立了车身和车骨架的有限元数模，车身和车骨架是由多种形状的冲压件组成及其它构件组成，零件的网格模型具体建立流程如图1所示，在网格模型的基础上，通过定义各初值生成有限元模型，进而在碰撞仿真前处理软件Altair/HyperCrash中得到了基于有限元建立的车身模型，如图2所示。

3 碰撞仿真研究

根据我国颁布的汽车被动安全技术法规《关于正面碰撞乘员保护的设计规则》CMVDR294，并参考《美国联邦机动车安全法规》FMVSS208，车身骨架以48.3km/h(13.4mm/ms)的初速度正面撞击刚性墙。在计算完成后对该车身骨架碰撞耐撞性能进行分析。

(a) 40ms (b) 80ms

(c) 120ms (d) 140ms

图3 车身变形分析变形应力云图

由图3可以看出，碰撞发生时车身前部受到猛烈的撞击，在极短的时间内动量迅速变化，

瞬间产生数值极高的冲击力，车身前部的主要变形区包括保险杠、引擎盖、前侧围、前底架以及车门受此冲击力作用，产生的应力远超过材料的屈服应力而发生较大的塑性变形或断裂，其变形形式主要为折叠式压溃，起到了吸收冲击能量的作用。冲击力在碰撞过程中从前部传到后部有一个时间上的延迟，数值上也会发生显著衰减，因此车身的中后部承受的应力较小，没有明显的变形发生。80ms后车头的变形速度开始变缓，变形量锐减，车头的主要变形集中在前80ms；车身中后部因为惯性的作用也开始变形，但直到碰撞结束，这两部分变形都不是很大。另外，在80ms后，车身开始逐渐上翘，但是整个上翘的幅度不大。这主要是

由于刚性墙与骨架前端相互间作用力的中心与整车的惯性中心在车的铅垂方向有一个距离差，导致整车在碰撞过程中的惯性力产生一个绕前端碰撞作用力中心转动的力矩，正是在该力矩的作用下，骨架尾部产生了小幅度上翘现象。车头部分变形严重，前纵梁的折叠式正面压溃，以塑性变形的形式吸收来自车身冲击的能量，如图4所示前纵梁、前侧围、引擎盖

和车门等发生了大的塑性变形，尤其纵梁根部发生较大变形，在图中大部分显示为淡蓝色和绿色，其应力值大部分在175.1MPa～241.9MPa之间；与刚性墙接触的前纵梁根部为橙

色和红色，最大超过296Mpa超过材料的屈服极限，发生塑性变形，吸收了大量的冲击能量。在图3中车身中部主要显示为蓝色和淡蓝色，只有车顶部分有一小块显示为绿色，应

力值在90.4MPa～241.9MPa之间，以弹性变形为主。在车顶的惯性作用下，与车顶焊接的支架产生了较小的塑性变形。车身尾部的应力分布云图显示为蓝色和和浅蓝色，应力值在26.6MPa～90.4MPa之间，低于材料的弹性极限，属于弹性应力范围，因而没有超过弹性极限而发生塑性变形。

图4 前纵梁的变形

图5 能量变化曲线