基于有限元方法的车架正面耐撞性分析

基于有限元方法的车架正面耐撞性分析
万长东1
摘要：车架在非承载式车身结构中发挥了非常重要的碰撞吸能作用。

采用有限元分析方法进行车架结构优化改进，改善了车架的刚度和变形，增强了车架对碰撞过程能量的吸收，降低了加速度峰值，延长了碰撞时间。

分析结果为整车碰撞性能改善提供了很好的参考。

关键词：车架；有限元方法；碰撞性能
0 引言
汽车正面碰撞事故率及正面碰撞伤亡率在整个汽车碰撞事故中占有主要比例，非承载式车身结构的汽车发生正面碰撞时，车架是主要的吸能结构[1]，提高汽车车架正面碰撞的吸能特性具有重要的现实意义。

目前国内对车架碰撞安全性的研究还不足，随着计算机技术的发展，以及有限元分析方法的完善，采用计算机仿真来进行车架正面碰撞研究成为一种非常必要的研究方法。

1 有限元模型建立
利用三维造型软件CATIA和UG建立的几何模型，经过合理简化形成符合有限元分析的几何模型，然后通过IGS格式转换到ANSYS/DYNA和FEMB中，进行有限元分析的前处理。

本文有限元分析的后处理软件采用LSPOST。

整个车架由钢板冲压成型，通过铆接及焊点连接而成；BT壳单元在计算效率上要大大高于HL单元，碰撞过程采用BT壳单元模拟钢板；网格划分时，变形较大或可能失效的部位网格密度较高，而变形较小或基本不变形的部位可以采用较大的网格密度尺寸[2]，车架前端网格划分的平均单元尺寸控制在5mm左右，车架中部及尾部网格平均单元尺寸控制在10mm左右；
车梁采用高强度合金钢；纵梁钢板厚度4mm，横梁钢板厚度第一根到第六根分别为：2.92mm，3.5mm，6.1mm，3.05mm，3.68mm，3.43mm；
边界条件处置：将刚性墙所有自由度都约束，车架与刚性墙碰撞初始速度参考C-NCAP碰撞要求，定义为50km/h；接触算法采用LS-DYNA程序中自动单面滑移接触算法，这种算法是罚函数接触算法中的一种，该算法不会产生严重的穿透现象，同时使用方便，但它计算所需的CPU时间相对其它罚函数接触算法要长些。

最终建立了车身有限元模型，如图1所示，本模型包括节点约76867个，单1作者简介：万长东，男，1978年出生，助教，辽宁铁岭人，工学硕士。

主要从事CAD、CAE等方向研究。

元58561个。

在碰撞过程中，定义求解时间为100ms。

图1 车架有限元模型
2 正面碰撞安全性分析
2.1 碰撞过程加速度评价分析
碰撞加速度曲线如图2所示，碰撞时加速度峰值为526.3 m/s2，发生在碰撞后的20ms，加速度峰值较高，对驾乘人员的伤害比较大。

碰撞过程持续36ms，持续时间比较短，不利于对碰撞过程能量的吸收。

图2 车架碰撞过程加速度曲线
2.2 车架应力分析及吸能分析
车架Von-Miss等效应力分布如图 3示，从图中可以清楚看出车架各处的应力值分布情况：车架前端保险杠碰撞部位应力在320Mpa~541Mpa之间，发生了较大塑性变形，达到了材料屈服极限。

车架边梁最前端也达到了塑性变形，变形区域长度10mm左右，变形长度很小。

车架其它位置基本没有达到塑性变形。

车架前端刚度较大，对能量的吸收并不充分。

图3 车架等效应力云图
3 车架结构改进及其仿真结果
3.1 改进措施
在不影响其它结构性能的情况下，充分利用车架变形吸收撞击能量，以提高整车的耐撞性。

1）为提高整车碰撞性能，改善车梁前端吸能区，纵梁前端进行腹板形式弱化，弱化形式如图4所示。

2）车架刚度和变形量是一对矛盾，降低刚度必然导致变形量增大，因此在降低刚度的同时，需要控制车架吸能区长度、变形顺序，不能使变形侵入乘员空间。

3）兼顾工艺性、质量、改进成本等因素，要求采用结构改动最少的方案。

图4 纵梁前端腹板弱化
3.2 改进后碰撞过程加速度评价分析
改进后的加速度曲线如图5所示，碰撞时加速度峰值为123.8 m/s2，加速度峰值比改进前下降402.5 m/s2，下降非常明显。

碰撞持续时间68ms，持续时间比改进前也延长32ms。

加速度峰值的降低，碰撞持续时间的延长，将使驾乘人员在碰撞过程中伤害程度得到非常明显的改善。

图5 改进后车架碰撞过程加速度曲线
3.3 改进后车架应力分析及吸能分析
改进后车架Von-Miss等效应力分布如图 6示，车架前端保险杠碰撞部位应力在342Mpa~547Mpa之间，发生了较大塑性变形，达到了材料屈服极限。

车架边
梁最前端应力在340Mpa~686Mpa，发生了较大塑性变形。

车架其它位置基本没有达到塑性变形，可以有效地保护驾乘人员的安全。

改进前后碰撞结束时纵梁前端变形如图7所示，改进后变形长度70mm左右，变形量比改进前增长60mm。

车架前端发生了更多较大的塑性变形，对能量的吸收有很大的提高。

图6 改进后碰撞结束时的纵梁前端等效应力云图
图7 改进前后碰撞结束时车梁前端变形对比
4 总结
对于非承载式车身结构的汽车，车架结构的优化改进一定程度上可以改善整车碰撞性能。

采用计算机模拟作为辅助手段，发现碰撞过程中出现的问题，对过硬的车架前端进行弱化，可以有效地控制车架刚度、强度、变形，使车架前端吸收足够的碰撞能量，而在驾驶室位置的车架要具有足够的刚度、强度来保护驾乘人员的安全。

计算机模拟仿真可以在很大程度上，降低了开发成本，缩短了开发周期，为汽车安全设计提供了良好的参考。

参考文献
[1] 王大志，等。

轻型客车正面碰撞车架吸能结构优化设计[J]. 公路交通科技，
2004（2）,119-120.
[2] 贾宏波，黄金凌等。

汽车车身碰撞建模影响因素的研究[J]. 设计•计算•研
究，1998(1),12-15.
Frame Frontal Crashworthiness Analysis with
Finite Elements Method
WAN Chang-dong
Abstract:It’s very important for the frame to absorb crash energy in frame far body. Some improving designs on the frame according to Finite Elements Method, can improve the frame’s stiffness and deformation, then the most of crash energy is absorbed by the frame, maximum Acceleration is reduced, the time of crash is extended. It’s useful reference for the safety design of vehicles with the result of analysis.
Key words: Frame; Finite Elements Method; Crashworthiness。