应用计算机仿真技术改善商用车吸能结构的研究.doc

应用计算机仿真技术改善商用车吸能结构的研究金先龙，张晓云 艾伟权 孙毅 祁文国 周长英 王世达 （1上海交通大学，上海 200030，中国；2上海汽车工业技术中心）摘要本文主要描述了通过非线性有限元的分析方法来模拟仿真商用车前方正面撞击的结果。当汽车以50km/h的速度和80km/h的速度正面撞击时，动态响应就能显示出来。在设计的发展阶段，前保险杠的结构是经过优化的，因此它在碰撞中吸收的能量也是有显著增加的。在整车的测试阶段，仿真的数据预测到发动机盖的铰链在碰撞过程中会发生断裂，这也已经在测试环节被验证。发动机罩上的铰链失效对司机和行人来说都是危险的。因此，根据仿真，发动机盖铰链的设计要从结构和原材料上进行修正。发动机盖的变形模式得到显著改善。关键词：防撞性、仿真、改善、有限元分析方法1引言纵观全球交通事故是严重的社会问题，但是在中国尤其严重，尽管在中国汽车的人均占有率不高，但是交通事故引发的意外伤亡事故却出奇的高。因此提高汽车的安全性能是迫不及待的事情。汽车结构必须适应驾驶者的生理和心理特征并且汽车的整体结构必须根据人体的特殊性来设计。而且车身结构应该有能力吸收足够多的碰撞能量。当使用传统方法时，为了找出一些特殊零件的缺陷时不得不执行许多测试，然后才能对它们进行改进。为了消除带来的这种误差，需要改进这种方法，这是很耗费时间的。汽车工业关于碰撞事件的仿真起始于16年前，大众polo正面碰撞在一台CRAY计算机上用PAMCRASH成功进行了仿真。几乎在同一时间，所有的主流汽车制造企业都使用碰撞仿真方法来评估他们汽车防撞性的设计。计算机仿真技术可以有效的在汽车设计的初期阶段和后期的设计改善阶段为其提供充足的的数据。在本文中，应用非线性有限元方法对一辆商用汽车进行了了计算机仿真。通过两种不同速度下的碰撞仿真获得了，车身的整体变形量、主要零件的碰撞特性和车身的减速度等数据。通过分析这些数据，可以找到一些故障以及对其实施相应的改进。正面碰撞测试和转向系统测试的真实测试结果与仿真出来的结果表现出了合理的一致性。2有限元模型汽车碰撞是一个相当复杂的机械问题。在1985年之前，由于计算机软硬件条件的限制，计算机仿真大多使用简单的模型来仿真，所以仿真结果不能满足汽车设计者的实际需要。计算机技术的非线性有限元软件飞速发展，使得整车碰撞仿真成为可能。2.1车身的有限元模型车辆模型是先拆解成几个主要团体分组：车架，前内空间，前挡风，驾驶舱，车门，车底盘等。每个组件的三维几何数据，可使用Unigraphicsl6.0和CaTIA获得。接下来，这些数据被导入到HYPERMESH 5.0来进行模型组合。最后，该模型被翻译成LS-DYNA的输入文件。众所周知，我们整车建模的工作量是非常巨大的，汽车总的结构超过100件，它们由接头连接（包括点焊，电弧焊接），螺栓连接，铆钉连接和粘合剂粘合。 许多类型的元素被用来描述几何形状，连接性能等，包括壳单元，梁单元，杆单元，六面体单元，弹簧单元，当一具体情况出现时，刚性节点和具体的焊接节点可能失效。在这个模拟仿真中没有涉及到发动机的变形，此时把发动机当做刚性零件。车门和身体经过铰链和门锁连接。图1是该商用车的有限元模型。图1 商用车的有限元模型 图2假人有限元模型2.2乘员约束系统FE模型3-D假人模型用于模拟在完全正面碰撞中乘员是的动态行为。模型的所有部件都用球形和旋转接头来连接。图2显示了假人的有限元模型。3 仿真结果与仿真依据国家碰撞标准，仿真应在两种不同的速度下来进行。3.1低速（8km/h）碰撞仿真作为主要吸收能量的一部分，保险杠在碰撞安全中起着巨大的作用，尤其是在低速碰撞更为重要。保险杠的动力学响应指的是，位移（或变形），速度，加速度和冲击力等参数的时间历程。 LS-DYNA在这项研究中的使用对分析和估价保险杠在低速碰撞时的动力学响应是非常有帮助的。据保险杠碰撞标准，制动必须在碰撞时释放，这意味着，在模拟仿真中沿撞击方向的运动是完全不受约束的。在开始的时候，车辆行驶速度为2。 2米/秒（8公里/小时）不同形状的保险杠变形的图形如图3和图4所示的。 虽然可看出保险杠主要变形是的塑性变形（最大相对于车身的位移约110毫米），并主要变形在保险杠支架，模拟结果表明，碰撞后保险杠系统仍然是可用的。这意味着，这辆车耐撞性是相当不错的。从上面的图4可看出，变形主要发生在保险杠和保险杠支架上，在其他部件上仅是有些刚性位移。因此，可以断定在低速碰撞过程中保险杠吸收大部分的能量。3.2高速碰撞仿真3.2.1 车身碰撞分析图3 保险杠变形 图4低速碰撞时的车身变形通过计算机模拟，它可以清楚地看到，在车体的前端有一个重大的变形在A柱后有轻微的变形（见图5）。所以在碰撞安全性设计时主要应该考虑车架前部结构的能量吸收能力。此外，由图显示的汽车结构变形中，发动机向后和向下部移动了，这有利于保障驾驶室的完整性。图5 汽车前部构造的变形3.2.2乘员约束系统的碰撞分析3D假人模型被用于碰撞仿真中，假人的动态特性如图6所示。随着FE软件功能的不断拓展，内部成员的主要部位的位移，速度，加速度都能通过仿真获得，然后假人的HIC数据也能通过软件被计算出来。图6 假人的动态响应4 基于碰撞安全性改善结构设计依据仿真的结果可以通过重新设计车体结构，选择合适的断面形状和选择合适的材料来对汽车的结构进行优化。4.1改善汽车前纵梁的设计车身结构的安全性能在于维持冲击力，碰撞变形和吸收碰撞能量的能力。一个“好”车身结构意味着在变形的初始阶段，该结构可承受相当大的冲击力和吸收足够多的碰撞能。这也意味着，它能够满足国家乘员碰撞条例并且能在车身发生变形后，可以给乘员足够的生存空间。 一些研究表明，前部构造吸收碰撞能和减速度控制的能力的关键点在于合理的碰撞顺序。这意味着，第一保险杠系统将有一个塑性变形吸收一定的能量并且前纵梁碰撞过程中的完全变形，这些都使得身体中部结构变形很小或者不发生变形。在设计的发展阶段，前纵梁的变形模式与仿真模拟的结果不相符。碰撞变形只在少有的几个部件上发生，在其余部件上发生的是褶皱变形，这不利于碰撞能量的吸收。由于前纵梁的空间和形状的限制，设计上做较大的改动是不可能的。为了提高碰撞能量的吸收特性，不同种类的的变形应按下图所示加以控制：在发生折叠变形地方通过增加钢板厚度和施钢加强筋，这样可以减少变形的形状，这种方法在国内和国外都已成功的加以应用。 结构的改善是一个审慎的和持续的纠错过程。在确保重新设计成本最低的前提下，需要尝试不同的设计，并且做比较，选择最好的一个。之后应进行碰撞试验对该设计方案进行评估。应该提到的是前纵梁的重新设计不应影响发动机在碰撞过程中的运动方向，这意味着发动机不应该进入驾驶室。以这辆商用车为例，改善车辆设计的主要方法如下：1）在发生折叠变形的地方，控制弯曲的变形2）通过在容易发生折叠变形的地方增加钢板的厚度或者应用加强筋来改善前轮吸收变形能量的能量。因为考虑到发动机位置的限制，可行的方法是在前轮罩的上方和前方的部位之间放置加强筋。图7展示了上述改善设计。当把改善之后的设计与之前的设计做比较时，前纵梁吸收碰撞能的不同特性如图8所示。加强筋不仅自身可以吸收碰撞能，而且还能改善前轮罩和前纵梁吸收碰撞能量的能力。图7 前纵梁的改善设计 图8吸收能量的比较4.2发动机罩的改善设计尽管前纵梁的设计已经得到改善，但是在制造整车后仍能发现一些影响安全性的不良因素（1）如图9所示，在车辆跟刚性墙碰撞后的25ms后，发动机罩铰链发生断裂，这一现象已经被实验所证实。（2）发动机罩的变形模式并不理想，因为由于它本身具有较大的刚度，导致没有主要的变形发生。 T=19ms T=26ms图9铰链断裂过程的仿真铰链的断裂会以如下两种方式影响汽车的安全性：首先，因为撞击的速度很高，在发动机罩铰链断裂后，发动机罩会直接飞入到驾驶室，这对汽车里面乘员的生命来说师是个巨大的威胁。其次，铰链的断裂会影响碰撞能量的吸收，这可能会导致加速车体分离的危险。McNa等人发现，像前纵梁，前端面板和引擎盖这样的金属板材，在车辆正面碰撞过程中是主要吸能的部件 。这些部件吸收的碰撞能量占总数的近50。尤其是在正面碰撞的初始阶段，大部分的能量都被这些部位吸收。因此，铰链的断裂，会使发动机罩的变形不完全，大大影响汽车安全性能。T=55ms图10 车辆变形的模拟仿真有两个主要原因，导致铰链断裂。一个是发动机罩外部和内部钢板有巨大的刚度，另一个是铰链的强度低。4.2. 1改进和比较 为了使得安全性能更好，对原设计在结构上和材料上作出了一些改进。通过计算机仿真对很多种情况做进行了比较。（1）结构上的改进：减少发动机罩面板外脊的高度，并在其内部的一些面板剪裁材料，以减少刚度。 （如图11）首先批准处理的可行性，然后ANSYS软件的结构模块被用来计算刚度（静态）在不同情况下（不同的开孔和在内部面板上各自不同的位置和方向），最后选择最优的模式来替代之前的设计方案。（2）零件材料的改进：用高强度钢板改变铰链的材料（其在更高的高速撞击下的动态参数由供应商提供）仿真结果表明结构的改善，可以使发动机罩在碰撞过程中的碰撞变形模式更好，并且可以推迟铰链断裂时间。对材料的改进，可以确保铰链不会断裂，如果在铰链附近有明显弯曲，这意味着变形模式没有改变。 （图12.(a）（a）原设计内部面板的FE模型 （b）新设计内部面板FE模型图11改善内部面板T=96ms T=90ms图12车辆变形仿真当同时结合两方面的改进时，图表明，弯曲从前面的引擎盖三分之一处出现（图12（b）。模式变形得到了很大改善，而且铰链不再断裂了。 改进后吸收的能量也显著增加。图13是碰撞力与时间在以下三种不同情况下的示意图：（1）原结构与原材料（2）新结构与原材料（3）新结构与新材料。 由此可以看出，当结合两方面的改进时，吸收的能量大增、将近100% 。与此同时变形持续的时间从30ms增加到65mS。 改进后车身受到的力量也大大减少，如图所绘在图14中，三个情况几乎在同一时间出现最大力值，表明车身前端结构的失效模式几乎是相同的。结构设计好或不好，通过碰撞力峰值的数量级会反映出来。从图14可以看出，与原设计相比第三种情况峰值力下降将近40。图13 吸收碰撞能的比较 图14车身受力的比较5 结论利用有限元方法，本文研究了商用车的正面碰撞仿真。分析了不同速度下两个不同的吸收碰撞能量的部件的性能，保险杠和前纵梁。在这些研究的基础上，对前纵梁进行了优化设计。另一方面，通过计算机仿真发现了发动机罩铰链断裂的安全隐患，这一点在汽车碰撞试验中得到了验证。发动机罩铰链的断裂不仅威胁司机和乘客的生命安全，同时也降低了发动机罩对碰撞能量的吸收。 对车辆设计在结构和材料上进行改进。仿真结果表明，改进可以防止铰链断裂也可以改变发动机罩的变形模式，对碰撞能量的吸收增加了将近100%。 当利用计算机仿真方法时，可以在设计的初始阶段发现问题。同时碰撞测试的时间也减少了，因此也节省了费用。从本文可以得出以下结论，仿真技术具有重大的理论意义，应充分应用到汽车的设计过程中。致谢笔者想感谢中国国家自然科学基金（编号60174023）和中国教育部博士点基金（编号：20010248008）的财政支持。参考文献【1】Zhong Zhihua. Finite Element Method in crashworthiness Analysis of AutomobilesJ. Automotive Engineering, 1994, 16(1)6.【2】Zhu Xichan. An Analysis on Automotive Frontal Crash Test Regulation and its TendencyJ.Automotive Engineering, 2002, 24(1):1 5.【3】Marc Philipps，Lothar Patberg, Ralph Dittmann. Structural Analysis and Testing of Composites in Automotive Crashworthiness Application. SAE, 981140.【4】Sabah U, Stan G. Chris A, et al. A Study of Commercial Vehicle Safety Alliances Out of Service CriteriaJ. Accident Analysis and Prevention.1998, 30(1):6167【4】Bahig Fileta, Xinxin Liu. Intrusion Factors and Their Effects on Steering Column Movements During Vehicle Frontal Impact Testing. SAE, 970573.【5】Ragland C, Klemer G. Intrusion Effects on Steering Assembly Performance in Frontal Crash TestingA. Proceedings of