燃料电池车车架正面碰撞模拟试验分析

1、燃料电池车车架正面碰撞模拟试验分析*宗玉州1左曙光1王晓华2(1同济大学汽车学院,上海200092(2上海燃料电池汽车动力系统有限公司,上海201804An analysis on the front crash simulation test of a fuel cell car frameZONG Yu-zhou 1,ZUO Shu-guang 1,WANG Xiao-hua 2(1Automotive Engineering College of Tongji University ,Shanghai 200092,China (2Shanghai Fuel Cell vehicle P

2、owertrain Co.,Ltd ,Shanghai 201804,China 文章编号:1001-3997(200810-0197-03【摘要】为了在碰撞事故中有效的保护乘客的生命安全,汽车的车架必须符合一定的要求。特别是前部车架必须能够吸收一部分的能量,同时保证乘员能有足够的生存空间。针对一款燃料电池小车的车架,利用Hypermesh 和Ls -Dyna 软件,进行正面碰撞的计算机仿真模拟,分析得到的计算结果,提出相应的改进方案,并对改动前后的相关数据进行比较和验证。关键词:燃料电池车车架;正面碰撞;仿真;改进【Abstract 】The design of car frame shou

3、ld follow some principles to protect the passengers efficientlyin the car accidents.Especially ,the front part of the car frame should be capable to absorb most of the crash energy ,and enough surviving space must be guaranteed for the passengers.It focuses on a front crash simulation test of a fuel

4、 car frame ,and analysis the results by using the Hypermesh and Ls-Dyna softwares.Then ,a primary improvement is suggested.Comparing the data with the previous one ,the ultima improve-ment is brought up and validated.Key words :Fuel cell car frame ;Front crash ;Simulation ;Improvement!*来稿日期:2007-12-

5、28*基金项目:国家863计划电动汽车重大专项资助(2005AA501000中图分类号:TH16文献标识码:A1前言21世纪,面对日益紧张的传统石油能源供给,飞速飙升的原油价格,不断恶化的大气环境质量和居高不下的汽车碰撞事故伤亡人数,环保、节能和安全性已经成为所有汽车厂商最关心的三大主题。燃料电池汽车已作为新世纪最有前途的产品,得到了全球性的关注。随着人们对汽车安全性能的要求越来越高,燃料电池车的安全问题也更加引起了大家的重视。燃料电池车由于车载氢气燃料系统和电池系统的存在,就不可避免地会对车辆的动力系统、总布置做了很多的改进,使其具有许多特有的安全性问题。因此,非常有必要对其进行碰撞安全性分

6、析。但由于现阶段对燃料电池汽车的开发仅为动力系统的研究和在原型车上的总布置设计,所装的样车还不能做实车碰撞试验。因此,本文是采用有限元法,通过计算机模拟分析燃料电池车车架的正面碰撞安全性。2正面碰撞安全法规目前,汽车被动安全性法规有两大体系;美国联邦机动车安全标准(FMVSS 和欧洲经济委员会标准(ECE 、欧洲经济共同体指令(EEC 。这两种法规都制定了相应的碰撞试验方法和评价标准。美国在1986年率先颁布的FMVSS 208法规乘员碰撞保护,统一规定车辆碰撞速度为48.3km/h ,固定障碍壁为刚性表面。正面碰撞试验以下面三种方式进行:(1车辆纵轴线与障碍壁表面垂直。(2障碍壁前放置30的

7、楔形块,碰撞时车辆左前端先接触楔形块。(3障碍壁前放置30的楔形块,碰撞时车辆右前端先接触楔形块。文中的碰撞形式,采用车辆的纵轴线与障碍壁表面垂直,障碍壁为固定刚性平面,车辆的碰撞速度为50km/h 。测量B 柱减速度,用以代表乘员头部减速度;测量前围板的侵入量,衡量乘员的生存空间。3车架的计算模型的建立3.1车架有限元模型的建立首先,几何模型的导入和清理,这里可以采用UG 或CATIA 软件,这两种软件都是侧重于几何实体建模,在几何实体建模方面功能强大,使用方便。采用的是CATIA 软件。与一般静态有限元分析不同,碰撞分析主要是计算结构的变形,因此,建模时主要考虑的也是可变形部件。要求是,必

8、须准确反映结构的几何特征,尤其注意保证曲面的正确过渡、面与面之间不出现裂缝等。建好车架的CATIA 模型(因为分析的车架是国家863电动汽车重大专项燃料电池轿车项目中的一款车架,涉及到保密问题,这里就不提供完整的车架结构模型。导入Hypermesh 中,划分单元网格,基本上都是采用壳体单Machinery Design &Manufacture 机械设计与制造第10期2008年10月197-元。因为,车架绝大部分都是由薄壁金属件焊接而成的,壳单元最能描述薄壁金属件的弯曲变形效应;另外,采用壳单元可以大大降低计算所需的时间,节省内存。网格划分的质量好坏会很大程度上影响到有限元模型计算的精度和效率

9、。网格划分一般的原则是:变形较大或可能失效的部位,网格密度应较高,单元尺寸应选的较小;变形较小或基本不变形的部位,网格可以较稀疏,单元尺寸可以选的较大。由于研究的是车架的碰撞特性,因而单元划分原则上采用四边形单元。但由于车架零部件结构形状非常复杂,单使用规则的四边形单元会产生在边界和结构形状突变处的单元过于狭小,长宽比过大等问题,所以在定义网格时,允许在局部(非平面处使用内角大于45的三角形单元。不过,应该尽量少用三角形单元,因为三角形单元比例过高,会导致模型的刚度偏高,而且会大大降低计算的速度。三角形单元比例为0.3%,远低于要求的10%。网格划分还应包括下列单元检查和修改:(1消除重合节点

10、和重合单元。(2检查自由边和自由面,防止模型中含有裂缝。(3坐标系统和单元连接检查,以保证壳法线的一致。(4单元形状的检查,包括翘曲度、长宽比、最大及最小内角、渗透等。建立车架的有限元模型。建出的车架有限元模型,包括114154个节点,111442个壳单元,1044个杆单元。3.2连接的模拟连接的模拟。在碰撞模拟中采用杆单元来模拟车身钣金件之间的点焊连接。零件之间的螺栓连接其实也可以简化为杆单元连接的方式,因为螺栓的失效表现为剪切和拉断,只要定义此处焊点在这些方向上的失效就能代替螺栓连接。3.3材料模型汽车零部件所使用的材料多种多样,在进行碰撞仿真分析计算时,赋予单元的材料模型应与部件本身的材

11、料以及变形特性相对应。车架材料采用的类型是*MAT_PIECEWISE_LINEAR_ PLASTICITY。塑性曲线,如图1所示。图1材料塑性曲线图3.4接触类型在碰撞仿真计算中,碰撞接触是需要事先定义好的。接触形式可以分为三大类:节点对面的接触、面对面的接触以及单面自动接触。车架与刚性墙的接触定义为面对面的接触;车架内部各零件间的接触定义为单面自动接触,即采用的接触类型为*CON-TACT_AUTOMATIC_SINGLE_SURFACE。接触参数,如穿透厚度、惩罚系数、摩擦系数等的定义,则均通过多次模拟结果与试验数据对比获得。4车架碰撞仿真结果分析和改进在LsDyna中,进行车架的正面碰

12、撞模拟,汽车的碰撞时间一般也就大概在0.1s左右。为了节省计算时间,分析了(00.08s 这段时间的碰撞情况(车架在0.08s时已经发生回弹现象,已经可以反映出车架的真实碰撞情况了。碰撞模拟结束时,车架的VonMiss等效应力分布云图,如图2所示。图2改进前的车架VonM iss等效应力分布云图纵梁发生折叠的A处应力值最大,在465MPa左右,明显超过了材料的许用应力值,产生了塑性变形。前车架很多地方的应力值都不是很大,在150MPa左右,没有很好的起到缓冲吸能的作用。驾驶员座位下部的斜支撑梁,应力值最大达到了300MPa,发生了塑性变形。该车碰撞主要吸能件的吸能空间较小,在碰撞的中后期已经没

13、有能力吸收碰撞冲击能量,使得能量沿纵梁及其相关部件向车体中部、后部传递,其正面碰撞的耐撞性能令人十分不满意。改进方案:首先,A处已经出现了弯折断裂,导致前围板的侵入乘员舱的量非常大,这会严重影响到乘员的生存空间,所以,后面的改进时,在A处特别添加了加强筋,如图3所示。车架前部的零部件基本没怎么发生压缩变形,没起到缓冲吸能的作用,这主要是因为前围板处横梁B的刚度太低,因此,改进时,在横梁B 中间部位,加焊了一根支撑梁,如图4所示。在乘员舱前部的地板下的斜支撑梁C处也发生了比较大的弯曲变形,这会影响到乘员的生存空间,改进时,也分别增加的一根支撑梁,如图5所示。另外,前纵梁在碰撞中,最好能够发生压溃

14、变形,从而起到缓冲吸能的作用,但是,这里明显没有发生压溃变形,后面的改进时,我在前纵梁的局部开槽和挖孔,使它成为变截面梁,因而会比较容易产生压溃变形,如图6所示。图3车架局部改进图图4前围板改进图AA支撑梁支撑梁B第10期宗玉州等:燃料电池车车架正面碰撞模拟试验分析* 198-图5前舱地板支撑梁改进图图6前纵梁改进图改进后的车架Von Miss 等效应力分布云图,如图7所示。图7改进后的车架Von-M iss 等效应力分布云图从图7可以看出,车架前部的应力值已经变的很大,在300MPa 左右,很好的起到了缓冲吸能的作用。乘员舱前部地板下纵梁处的应力值大大减小了,只有180MPa 左右了,还在弹

15、性变形范围内。整个乘座舱的应力值很小,基本在150MPa 左右,因而乘座舱的变形变的很小。只有一小部分的碰撞能量沿纵梁传到了车架的后部。从整体车架来看,能量的分布非常合理,绝大部分的碰撞能量被车架的前部所吸收,车架的碰撞安全性大大提高了。车架前部的变形已经很理想,虽然前纵梁很大部分还只是弯曲变形,但是前纵梁前端完全发生了压溃变形,这样缓冲吸收的能量大大增加。改进后,前围板的侵入乘员舱的量也变的很小,会大大保证乘员的生存空间。为证明这点,可以在车架的前围板和后围板上各取一点,在Ls-Prepost 软件中追踪这两点的距离的变化,如图8所示,如图9所示。图8改进前乘员舱前后两点距离变化图图9改进后的乘员舱前后两点距离变化图因为在碰撞法规中,B 柱减速度是衡量乘员伤害的一个很重要的指标。这里,取B 柱中部一个节点,在Ls-Prepost 软件中进行减速度的跟踪分析,并和改进前进行比较,如图10、图11所示。图10改进前B 柱减速度随时间变化图图11改进后B 柱减速度随时间变化图从上面两个图可以看出,改进后B 柱的减速度出现第一次峰值的时间明显往后移了,说明前车架吸收了一大部分的碰撞能量;另外,减速度的峰值大大减小,而且成一个矩形波的趋势分布,这些都更加符合碰撞法规对B 柱减速度的要求。5结论通过上面的例子,可以得到结论:(1碰撞