基于虚拟试验场技术的汽车侧面碰撞仿真分析

陈 克,高 洁,何浩然,白雪峰

(1.沈阳理工大学 汽车与交通学院,辽宁 沈阳 110159;2.锦州美联桥汽车部件有限公司,辽宁 锦州 121000;3.沈阳华晨汽车控股有限公司,辽宁 沈阳 110159)

对汽车侧面碰撞的研究,一般采用实车碰撞试验、台车碰撞试验和零部件台架试验3种方法[1,2].实车碰撞试验法需进行反复试验,研究周期长、成本高且结果不理想;台车碰撞试验法是1种近似的试验方法,虽然用台车取代实车节约了成本、提高了利用效率,但分析结果误差较大、准确性不高.

鉴于上述研究方法的局限性,采用计算机仿真技术进行汽车碰撞模拟仿真,已成为汽车碰撞安全性研究的重要发展趋势[3].通过在计算机上建立汽车的虚拟模型并进行仿真试验,可以在汽车研发阶段对其进行模拟分析,实现实车试验无法进行的碰撞形式,缩短开发周期、降低研发成本.此外,常用碰撞仿真软件MADYMO,LS-DYNA3D,VPG等[2,4]的不断更新和完善,使得汽车碰撞安全性能研究更加合理、快速、准确.

本文基于VPG技术建立了整车侧碰有限元模型,采用LS-DYNA对模型进行求解,并参照ECE R95安全法规对仿真结果进行分析,实现了基于虚拟样机技术的汽车碰撞研究,对提高车辆安全性、降低生产成本和提高生产效率有重要的现实意义.

1 碰撞仿真分析的基本原理及方程

在汽车碰撞研究中一般采用非线性有限元法,将连续的空间系统离散化,通过节点将汽车的各个部件联系在一起,创建整车建模,经过计算得到各个部件中的变形、速度、加速度和应力-应变变化曲线.而为了提高计算效率,目前多采用多刚体动力学和非线性有限元法的混合建模方法.

1.1 碰撞系统的变形理论

在有限元中,物体是由质点组成的,物体的变形过程是指某质点A由初始时刻的位置坐标xA,经t时刻,物体发生变形后,转换为 xB(xA,t)的过程,其中 xB是坐标xA和时间t的函数.

1.2 碰撞系统的动量方程

对于该物体任意部分,都满足动量守恒定律.由柯西动量方程,有如下等式成立[5]:

式中:σij为柯西应力张量;xj为质点坐标;ρ为物体瞬时密度;fi为体积力为加速度.

1.3 碰撞系统的能量方程

汽车碰撞过程中总能量由下式确定[5]:

式中:v为车速;m为质量.

汽车碰撞过程中塑性应变能由下式确定:

式中:V为体积;Sij为应力偏张量;ε·ij为应变速率张量.

1.4 接触碰撞有限元理论

在汽车碰撞模拟计算中接触问题的处理是1个重点,接触问题的处理实质上就是接触力的计算,主要采用罚函数法与拉格朗日乘子法[6].

由下式求解汽车接触碰撞问题:

2 仿真模型的建立

VPG是专门应用于汽车工程的软件,它保留了大型通用非线性软件LS-DYNA的全部功能,并拥有丰富的模型数据库和强大的建模能力.在建模过程中,充分考虑了整车各零部件的柔性体和刚形体特性,详细描述了元件材料、连接方式及约束的选择,提高了仿真模型精度和仿真结果的准确性.本文将基于VPG技术建立碰撞试验模型.

2.1 整车侧碰有限元模型的建立

将CAD系统创建的三维模型导入VPG软件中,进行有限元模型创建.

定义模型单元类型.轿车车身主要由薄板冲压后经焊接拼装而成,车身采用薄壳Shell 163单元建模,采用Topology技术对车身进行网格划分,单元采用5点积分的S/R Hughes-Liu算法.其他零部件等采用实体Solid 164单元建模.网格划分后,共有130000个节点,124266个单元.

定义模型材料属性.根据车身结构强度的要求,轿车车身主要为较高拉伸特性的低碳钢薄钢板,采用LS-DYNA中的分段线性塑性材料模型,采用Cowper-Symbols模型考虑应变率的影响[7],其应力-应变曲线如图1所示.

车窗玻璃定义为脆性材料,碰撞车前部的吸能材料使用泡沫材料.几种材料的基本参数见表1.

汽车车身覆盖件、汽车骨架一般是通过点焊连接在一起的.在作碰撞仿真时,焊点的位置及其失效条件对碰撞结果的可信度有一定影响.在VPG中,通过SPOT-WELD单元来定义焊点.整车焊点数量为2505个.

定义模型单元类型、材料属性及连接方式后,整车有限元模型如图2为所示.

图1 分段线性塑性材料应力-应变曲线Fig.1 Strain and stress curve of piecewiselinear-plasticity material

2.2 移动壁障车模型的建立

根据ECE R95法规建立移动障壁车模型[8],如图3所示.

表1 材料参数Tab.1 Material parameter

图2 整车有限元模型Fig.2 Vehicle model

图3 移动壁障车模型Fig.3 Motion counterguard vehicle model

2.3 模型接触界面的建立

图4 汽车仿真模型Fig.4 Vehicle simulation model

接触定义一般分为单面接触和面-面接触两种接触方式.定义移动壁障车和车身之间的接触为自动面-面接触类型,由于移动壁障车前部的吸能材料刚度较小故定义为从面,汽车定义为主面.汽车车身自身接触定义为单面接触类型.采用罚函数法确立接触界面并求解接触碰撞问题[6].

定义接触后的碰撞模型如图4所示.

3 仿真结果及分析

依据ECE R95安全法规建立的碰撞模型如图4所示.试验车辆静止放置,设移动壁障车以50 km·h-1的速度撞击试验车,整车的满载质量为1470kg,碰撞仿真过程为90ms,得到碰撞过程中的应力分布和车身变形云图,以及能量和加速度曲线,从而对仿真车辆的安全性进行评价.

3.1 车身应力分析

图5为碰撞模拟中车身在20,60,90 ms的应力云图.由图5可知,该车在侧面碰撞过程中外部覆盖件的应力分布比较合理,最大应力发生在90ms时,应力值为532MPa.通过与图1和表1所述内容的比较可知,车身发生了局部屈服破坏.

图5 碰撞过程应力云图Fig.5 Stress nephogram of vehicle crash

图6为B柱在72 ms时刻的应力云图.由图6可知,B柱所受最大应力值为412.2MPa,说明B柱中部最容易发生破坏,使壁障车侵入车体内部造成人员伤害.

3.2 车身变形分析

试验车在20,60,90ms的变形云图,如图7.由图7可知,该车发生侧碰后,左车门发生了很大的变形,其中间部分变形最大,最大位移量为250mm.在20～60ms内变形位移和变形量不断增大,在60～90ms内变形和位移量逐渐减少,说明汽车在Y方向发生了整体的刚性位移.

综上所述,由碰撞系统的能量方程可知,在碰撞过程中,系统的动能逐渐转化成内能.

图6 B柱应力云图Fig.6 Stress nephogram of B column

图7 碰撞过程变形云图Fig.7 Aberration nephogram of vehicle crash

3.3 能量分析

图8为整车在碰撞过程中的能量变化曲线.该车在碰撞过程中动能和内能的变化趋势基本上符合此消彼长的趋势,而总能量曲线略有下降,说明在碰撞过程中有一部分能量损失,但总体趋势还是守恒的.

依据能量守恒定律,说明本次试验所建仿真模型符合实车标准.

3.4 加速度分析

B柱在碰撞过程中的加速度曲线,见图9由图9a可知,B柱上部加速度的峰值出现在6,15,35ms处,其可能出现的破坏时间应该在0～35ms内,在35ms后加速度曲线幅值衰减,说明碰撞接近结束.由图9b可知,B柱中部加速度的峰值集中出现在30～75ms内,其变形主要集中在这个时间段.该测量点加速度曲线的波动幅度较其他测量点的幅度要大,且作用时间比较长,这和3.1节应力分析中在该点出现应力集中的现象相吻合.由图9c可知,B柱下部加速度曲线总体趋势比较平缓.其峰值加速度出现在0.5ms时刻.说明在碰撞过程中,底部是最先接触上碰撞车的.由图9的3条曲线分析可知,在碰撞过程中,汽车加速度是在围绕0线上下波动的,车身结构在不断地变形然后回弹,说明该车结构具有一定抵抗变形和衰减冲击的能力[4,9].

综上所述,所建仿真模型符合实际情况.

图8 能量变化曲线Fig.8 Energy curves

图9 B柱加速度曲线Fig.9 Acceleration curve of B upper

4 结论

(1)基于VPG技术建立汽车虚拟模型,用LS-DYNA对仿真结果进行计算,通过对汽车碰撞过程中应力、变形云图和能量、加速度曲线的研究表明:基于VPG技术建立的整车侧碰有限元模型具有较高的精度,能够真实地反映实车试验工况,可在一定程度上取代实车碰撞试验,有效地缩短研发周期,具有重要的现实意义.

(2)在碰撞过程中,车身的应力分布较合理,变形主要集中在车门中间位置,只有B柱中部存在应力集中现象,因此应改进B柱的结构设计,使作用力分散到整个车身.车身在碰撞过程中加速度曲线的幅值有所衰减并波动,说明汽车侧面结构有一定抵抗撞击的能力.

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