【《汽车车身侧翻仿真分析及轻量化方案验证案例》2600字】

汽车车身侧翻仿真分析及轻量化方案验证案例目录TOC\o"1-3"\h\u25981汽车车身侧翻仿真分析及轻量化方案验证案例 1321991.1侧翻试验方法 1181511.1.1侧翻试验台及过程 1122911.1.2侧翻临界角度与撞击角速度 2306981.1.3生存空间的建立 4257151.2侧翻仿真结果及分析 5103131.2.1侧翻仿真模型结果验证 5322301.2.2侧翻过程车身变形分析 685471.2.3轻量化前后B柱侵入量对比 8294051.2.4轻量化前后车门变形量对比 8近年来客车的安全性越来越受到人们的重视。小型乘用车速度快、体积小且重心较低。在发生碰撞安全事故中，造成最大破坏力的一般为正面和侧面碰撞。而客车由于体积大且重心较高，侧翻事故往往会对乘员造成巨大伤害。近年来，国内外发布了针对客车侧面翻滚的安全标准如ECER66法规和的GB/T17578-2013对乘员生存空间以及侧翻过程中客车上部的侵入变形量做出了规定[68]。在车身轻量化分析中，车身侧面部件厚度的改变不仅会影响车身的模态和刚度，还会对于侧翻性能造成影响。由于车身碰撞分析是一个高度非线性的过程，将车身侧面翻滚指标作为多目标优化约束或者目标值时计算成本过高。因此，采用对车身进行尺寸优化，然后进行侧翻性能验证的方法。1.1侧翻试验方法1.1.1侧翻试验台及过程本文仿真建模按照GB1758-2013中对于侧翻试验台的规定进行仿真设置，图1.1为实验平台示意[69]。试验的设置方法为：图1.1侧翻试验平台Fig.1.1Rollovertestplatform1）一个可以抵抗变形以及控制翻转速度的试验台；2）汽车固定平面和撞击平面台阶高度落差为800±20mm；3）翻转时，汽车固定平面应有足够约束防止车辆侧滑；4）接触表面应为坚固无变形的刚体平面，如混凝土地面；5）车辆翻转轴线应与翻转平面的中心线平行；6）车辆翻转过程中应不受其他外力作用且角速度不超过5/s。采用这种实验方法的侧翻过程属于准静态，将车辆一侧使用挡板固定在可绕轴转动的平面上。缓慢平稳向右倾斜，达到临界倾斜角度后，车辆在重力的作用下发生翻滚并与撞击平台发生碰撞。1.1.2侧翻临界角度与撞击角速度汽车停放在一定角度的斜坡上而保持稳定的最大角度为汽车侧翻临界角。此角度的大小与汽车自身的重心高度有关。根据能量守恒定律，在理想状态下车辆从倾斜一定高度的平台上发生翻滚。其作用力为重力，其重力势能完全转化为车辆功能，从而形成车辆在触地前的旋转速度。在车辆与撞击平台发生接触后，车辆全部的动能转化为其车辆内能，使车体发生塑性变形。而车辆重心高度的变化量需要通过侧翻临界角计算而得。通过临界角可计算出车辆在发生侧翻运动前一刻所处的重心高度与触地前一刻高度之差即为重力势能变化量[70]。首先根据如下公式计算侧翻临界角。 (1.1)式中，Fzi为车辆与翻转平台接触的垂向作用力，B为轮距，hg为重心高度。当侧翻发生时，Fzi=0。侧翻临界角的公式为： (1.2)根据车型参数计算得到侧翻临界角为48.23°。车辆固定在斜坡上时，其底部与地面接触并用挡板固定。根据车辆翻转前一刻和接地前一刻重心位置可计算出车辆重力势能的变化，其重心位置变化示意图如图1.2所示。根据重力势能计算公式计算其重力势能变化量为31.2kj。根据能量转移定律，由公式1.3可以计算出重力势能变化量； (1.3)其中，I为车体的转动惯量，ω为角速度。计算结果为角速度为11.2°/s。此结果为后续有限元仿真边界条件设置提供了依据。图1.2侧翻过程重心位置变化Fig.1.2Changeofcenterofgravitypositionduringrollover1.1.3生存空间的建立根据GB/T17578-2013客车上部结构强度的规定。客车生存空间是指在车厢内建立一个垂直横截面，按照图1.3的方式将此横截面沿车身轴线延伸，穿过整个车身长度。图1.3生存空间Fig.1.3vivosphere1.2侧翻仿真结果及分析1.2.1侧翻仿真模型结果验证在车辆侧翻过程中，能量一直在以不同的形式进行转移。由于质心高度的变化以及车辆翻转速度的变化，引起了重力势能向动能转移，并且在与地面接触的过程中，动能减小转化为内能，整个侧翻过程应该是总能量守恒的过程。由于在显示计算过程中可能存在零能量单元现象即沙漏能，故需要对翻转过程中的能量变化曲线进行分析。图1.4所示为侧翻仿真能量变化曲线如，其中沙漏能总量占总能量的比例小于5%，有限元模型结果可信。图1.4侧翻仿真能量曲线Fig.1.4Rolloversimulationenergycurve1.2.2侧翻过程车身变形分析本次翻转过程设置时间为250ms，时间步长设置为5ms。设置地面和车辆跌落所在平台为刚性平面。跌落方式为在右侧车轮处设置挡板，从距离地面高度为800mm的平台上向右侧自由翻转。为缩短仿真计算时间，参考文献将车辆接触地面前一刻设为初始位置。图1.5分别截取车辆在0ms、25ms、50ms、75ms、100ms、125ms时刻的车身结构变形图；图1.6为车辆在150ms、175ms、200ms、250ms时刻的车身结构变形图。可以看出，在车辆向右侧翻滚接地后，首先接触地面的部件为车顶右侧上部纵边。且由于车辆前部质量较重，在车辆发生了绕质心向车身前部的旋转，造成前部顶部以及右侧A、B柱变形较大，成为可能入侵生存空间的危险位置。a）0ms时刻b）25ms时刻c）50ms时刻d）75ms时刻e）100ms时刻f）125ms时刻图1.5不同时刻车辆变形图Fig.1.5Deformationdiagramofvehiclesatdifferenttimesa）150ms时刻b）175ms时刻c）200ms时刻d）250ms时刻图1.6车辆不同时刻变形图Fig.1.6Deformationdiagramofvehiclesatdifferenttimes如图1.5及1.6所示，在变形达到最大后，车体在地面上发生了相对滑行运动，且由于材料具有弹性特性，使变形量有所减小。同时，此车型在右侧有供乘客出入的门，若变形量超过安全范围侧车门不能顺利打开，故应同时对右侧车门变形量进行分析。1.2.3轻量化前后B柱侵入量对比在右侧B柱上分别选取上、中、下三点分别为p1、p2、p3，测量其与生存空间的最短距离。车身轻量化前后对比结果如图1.7所示，根据结果显示，在侧翻开始时，B柱变形开始，与生存空间的距离逐渐减小。当达到最小值时，由于车辆在地面上存在滑动，且B柱材料具有一定弹性特征。变形量又稍微减小，符合侧翻变形特征。轻量化前后B柱三点均未侵入生存空间。且三点几乎同时在130ms处达到最大入侵量，其中变形量大小顺序为，上测量点>中间测量点>下测量点，轻量化前B柱距离生存空间的最小距离为11.44mm，轻量化后B柱距离生存空间的最小距离为10.51mm。验证了上述轻量化方案的可行性。a）优化前b）优化后图1.7优化前后B柱侵入量Fig.1.7TheinvasionofB-pillarbeforeandafteroptimization1.2.4轻量化前后车门变形量对比为保证在发生侧翻后，右侧乘客车门能够顺利打开，根据企业标准，对右侧车门门框的上中下分别测量其变形量，测量位置及车门变形示意图如图1.8所示。根据云图显示，由于在A柱和车门之间有三角窗的存在，使得门框变形量减小。轻量化后，门框的变形量并未明显减小，分析三个位置的最大变形量如表1.1所示。结果显示，改变部分梁类部件的厚度并未对侧翻工况下的车门变形量造成明显影响。轻量化后的车门在侧翻到240ms时刻变形量基本不变。图1.8轻量化前后240ms时刻位移云图对比Fig.1.8Comparisonofdisplacementcloudimagesat240msbeforeandaft