胡雪芳

基于有限元法的某SUV后部碰撞分析研究

胡雪芳

(青島黃海學(xué)院 交通與船舶工程學(xué)院，山東 青島 266427)

摘要：基于有限元分析法，以某SUV為研究對(duì)象，建立了其有限元模型，對(duì)后保險(xiǎn)杠中心和車角碰撞過(guò)程進(jìn)行了模擬，通過(guò)分析其吸能特性，評(píng)價(jià)了后保險(xiǎn)杠的碰撞性能，然后根據(jù)法規(guī)要求，對(duì)后部100%和40%重疊低速碰撞進(jìn)行了仿真，分析了碰撞過(guò)程各部件的變形、應(yīng)力分布及能量變化等，驗(yàn)證了設(shè)計(jì)的合理性，為結(jié)構(gòu)的進(jìn)一步優(yōu)化提供了依據(jù)，該方法為研究整車后部碰撞提供了新的思路，對(duì)深入研究后保險(xiǎn)杠、整車碰撞仿真及實(shí)車碰撞試驗(yàn)具有重要的參考價(jià)值.

關(guān)鍵詞：SUV；有限元分析；后保險(xiǎn)杠；低速；后部碰撞

0引言

隨著電子計(jì)算機(jī)硬件、軟件技術(shù)的不斷發(fā)展，在提高汽車安全性能方面，有限元法起著越來(lái)越重要的作用，在這方面，外國(guó)尤其歐美等國(guó)已取得較大的成效，并形成了比較成熟的處理碰撞技術(shù)的經(jīng)驗(yàn)，國(guó)內(nèi)雖然也取得了一定的成就，但是由于起步較晚，技術(shù)有待完善，因此，有限元在汽車碰撞安全性方面的研究具有非常廣闊的前景.汽車的耐撞性能最終都需要通過(guò)實(shí)車碰撞試驗(yàn)來(lái)檢驗(yàn)，但前期一般通過(guò)有限元法進(jìn)行模擬，有限元模擬能夠節(jié)省成本、縮短開(kāi)發(fā)周期，為汽車設(shè)計(jì)或改進(jìn)提供一些基本規(guī)律和指導(dǎo)方向.

汽車的碰撞主要分為正面、側(cè)面和后面的碰撞，發(fā)生的比例正碰約49%，側(cè)碰約25%，后碰約22%，其他類碰撞占4%[1]，由于后碰發(fā)生頻率低且造成的后果輕，所以對(duì)其研究相比前兩者較少，筆者就此以某SUV為研究對(duì)象，對(duì)其后部碰撞進(jìn)行了詳細(xì)分析，從局部和整體兩方面進(jìn)行研究，提出研究車輛后部碰撞的新思路.

1整車參數(shù)及有限元模型

為了使計(jì)算結(jié)果更加精確，筆者對(duì)整車的參數(shù)進(jìn)行了詳細(xì)的了解及確認(rèn)，同時(shí)在建立有限元模型時(shí)采取了最低限度的簡(jiǎn)化，這樣一來(lái)計(jì)算精度越高，對(duì)實(shí)際的指導(dǎo)意義越大.整車的詳細(xì)參數(shù)如表1所示.

表1　整車詳細(xì)參數(shù)

筆者選用Hypermesh對(duì)整車進(jìn)行前處理，對(duì)車身、梁等鈑金件使用殼單元，發(fā)動(dòng)機(jī)、變速器等剛性結(jié)構(gòu)采用實(shí)體單元.通過(guò)設(shè)置密度參數(shù)賦予其質(zhì)量；通過(guò)設(shè)置不同材料屬性定義零部件的材料特性；整車的裝配連接關(guān)系根據(jù)實(shí)際的連接方式，使用了點(diǎn)焊單元(spotweld)、剛性單元(rigid)和各種形式的運(yùn)動(dòng)副，保證碰撞過(guò)程中各部件的變化能夠反映真實(shí)的運(yùn)動(dòng)情況[2].最終的有限元模型如圖1所示，該模型包含單元數(shù)1 876 153個(gè)，節(jié)點(diǎn)數(shù)1 846 723個(gè)，根據(jù)要求對(duì)網(wǎng)格質(zhì)量進(jìn)行檢查，使其滿足碰撞分析的要求.

圖1　整車有限元模型

為了保證后面分析結(jié)果的正確性，對(duì)有限元模型進(jìn)行了驗(yàn)證，筆者采用模態(tài)試驗(yàn)法進(jìn)行驗(yàn)證.根據(jù)某公司提供的試驗(yàn)?zāi)B(tài)結(jié)果，與有限元模態(tài)分析結(jié)果進(jìn)行對(duì)比，試驗(yàn)得到的振型與計(jì)算得到的振型基本一致，計(jì)算得到的固有頻率與試驗(yàn)得到的固有頻率存在一定的誤差，主要是因?yàn)橛?jì)算結(jié)果是建立在對(duì)實(shí)際模型簡(jiǎn)化的基礎(chǔ)上，同時(shí)，試驗(yàn)?zāi)B(tài)是采用線性分析，忽略了部分會(huì)出現(xiàn)非線性的情況，所以，存在一定的誤差是合理的.計(jì)算模態(tài)與試驗(yàn)?zāi)B(tài)基本一致，驗(yàn)證了所建有限元模型的可靠性.

2后保險(xiǎn)杠低速碰撞分析

由于在后碰撞時(shí)，首先接觸的是后保險(xiǎn)杠，其是最主要的承力部件之一，可以吸收低速撞擊的能量，緩和外界對(duì)車身的沖擊，對(duì)車體結(jié)構(gòu)起著主要的防護(hù)作用，所以筆者對(duì)后保險(xiǎn)杠在后碰撞過(guò)程中的特性進(jìn)行了分析，在Hypermesh中進(jìn)行前處理之后得到其有限元模型，有限元模型包括16 958個(gè)單元，75 362個(gè)節(jié)點(diǎn)，主要由CTRIA3、CQUAD4和CTETRA單元組成[3].

2.1后保險(xiǎn)杠強(qiáng)度和剛度分析

為了了解后保險(xiǎn)杠抵抗外部載荷的能力及其剛度特性，對(duì)其強(qiáng)度和剛度進(jìn)行分析，分析時(shí)后保險(xiǎn)杠與車身連接處約束全部自由度.

靜態(tài)下后保險(xiǎn)杠在汽車縱向(X方向)、橫向(Y方向)受到來(lái)自車身的力很小，垂向(Z方向)受到車身重力較大，根據(jù)汽車保險(xiǎn)杠設(shè)計(jì)的經(jīng)驗(yàn)，對(duì)后保險(xiǎn)杠進(jìn)行了3種載荷工況的靜強(qiáng)度分析：分別對(duì)其施加沿X方向的加速度5 g，沿Y方向的加速度5 g，沿Z方向的加速度10 g.由Nastran求解后得到的后保險(xiǎn)杠不同零部件的應(yīng)力分布[4].3種工況下后保險(xiǎn)杠的靜強(qiáng)度特性如表2所示.

表2　3種工況下的后保險(xiǎn)杠靜強(qiáng)度特性

材料的安全系數(shù)為0.9，所以從分析結(jié)果可以看出，后保險(xiǎn)桿各部件的最大應(yīng)力遠(yuǎn)小于材料的屈服極限，所以后保險(xiǎn)杠能夠滿足強(qiáng)度要求.

剛度分析時(shí)采用的方法是：在后保險(xiǎn)杠較為平坦的區(qū)域布置一定數(shù)量的測(cè)點(diǎn)，然后在測(cè)點(diǎn)位置分別施加垂直于其表面的100 N載荷，利用Nastran進(jìn)行求解，計(jì)算出各測(cè)點(diǎn)的侵入量，最后得出后保險(xiǎn)杠的剛度值.筆者在選取測(cè)點(diǎn)位置時(shí)，沿邊緣向內(nèi)約50 mm，Y向間隔約100 mm，Z向間隔約100 mm，共選取42個(gè)測(cè)點(diǎn)，如圖2所示.

經(jīng)過(guò)計(jì)算之后，得到各個(gè)測(cè)點(diǎn)的位移變化量，計(jì)算后得到各個(gè)測(cè)點(diǎn)的剛度值，表3是具體的分析結(jié)果.通過(guò)分析結(jié)果可以看出，所有測(cè)點(diǎn)的剛度值都大于12 N/mm(設(shè)計(jì)時(shí)目標(biāo)值)，所以，后保險(xiǎn)杠的剛度特性能夠滿足要求.

圖2　剛度測(cè)點(diǎn)分布圖

序號(hào)位移/mm剛度/(N·mm-1)序號(hào)位移/mm剛度/(N·mm-1)16.615.15221.566.6724.323.26232.245.4532.343.48242.343.4847.812.82252.737.0452.934.48264.124.3961.952.63274.223.8174.223.81284.223.8185.318.87294.223.8193.826.32304.323.26105.219.23311.758.82113.826.32322.934.48123.826.32335.219.23133.727.03344.124.39143.528.57353.330.30156.216.13363.727.03167.213.89372.343.48174.124.39383.231.25184.920.41393.727.03198.413.10401.566.67204.721.28412.441.67212.441.67422.540.00

2.2低速中心碰撞和車角碰撞

由于整車結(jié)構(gòu)相對(duì)于保險(xiǎn)杠質(zhì)量要大得多，低速碰撞過(guò)程中，可認(rèn)為車體基本不發(fā)生后移.考慮到計(jì)算的時(shí)效性，分析過(guò)程中只取后部結(jié)構(gòu)進(jìn)行分析，在保險(xiǎn)杠系統(tǒng)與車身連接部位進(jìn)行剛體耦合約束，將保險(xiǎn)杠與車體連接部位統(tǒng)一用剛性單元連接，并約束此剛性單元的自由度，同時(shí)給此剛體賦予整車的質(zhì)量、慣量等.根據(jù)法規(guī)ECE R42中關(guān)于中心碰撞試驗(yàn)和車角碰撞試驗(yàn)要求進(jìn)行相關(guān)設(shè)置，碰撞模型如圖3所示.

圖3　中心碰撞和車角碰撞模型

碰撞時(shí)分為整車整備質(zhì)量碰撞和加載試驗(yàn)車質(zhì)量碰撞，由于后者的碰撞能量更高，所以筆者只對(duì)加載試驗(yàn)車質(zhì)量碰撞進(jìn)行了研究[5].為了更好地模擬實(shí)際情況，分析過(guò)程中，碰撞器的速度分別為4.25 km/h(中心碰撞)和2.6 km/h(車角碰撞)，計(jì)算碰撞時(shí)間為250 ms.經(jīng)過(guò)Lsdyna仿真模擬后得到相應(yīng)結(jié)果.圖4～5分別為具體的仿真結(jié)果.

圖4　能量平衡曲線

能量曲線表征碰撞過(guò)程中動(dòng)能向內(nèi)能轉(zhuǎn)化的過(guò)程，從碰撞能量曲線可以看出：總能量基本保持不變，沙漏能與總能量的比例控制較好.中心碰撞和車角碰撞分別在92 ms和220 ms左右內(nèi)能達(dá)到最大，之后構(gòu)件發(fā)生彈性回彈.隨著碰撞器能量的衰減，保險(xiǎn)杠各構(gòu)件變形逐漸穩(wěn)定，發(fā)生永久塑性變形.

圖5　加速度變化曲線

由加速度曲線可知，中心碰撞加速度最大值約為2.5 g，發(fā)生在內(nèi)能最大時(shí)刻，最大值持續(xù)時(shí)間約15 ms，且92 ms之后碰撞器開(kāi)始回彈；車角碰撞加速度最大值約為0.72 g，發(fā)生在內(nèi)能最大時(shí)刻，最大值持續(xù)時(shí)間約30 ms，且220 ms之后碰撞器開(kāi)始回彈.由于碰撞器動(dòng)能大多轉(zhuǎn)化為保險(xiǎn)杠內(nèi)能，因此模型開(kāi)始稍做反彈振蕩后，碰撞器與保險(xiǎn)杠開(kāi)始分離，至此碰撞結(jié)束.

2.3仿真結(jié)果分析

參照碰撞法規(guī)ECE R42的要求，對(duì)后保險(xiǎn)杠系統(tǒng)進(jìn)行了兩種工況下(中心碰撞及車角碰撞)的低速碰撞仿真分析，從分析結(jié)果可以看出：

1)碰撞過(guò)程中，能量的主要傳遞途徑是：通過(guò)結(jié)構(gòu)的彈塑性變形吸收一部分能量(內(nèi)能)；通過(guò)試驗(yàn)車輛與碰撞器之間的速度再分配保留一部分碰撞動(dòng)能.總能量基本守恒，主要由動(dòng)能、內(nèi)能和沙漏能組成，其中沙漏能較小.

2)碰撞過(guò)程中，變形主要發(fā)生在后保險(xiǎn)杠等可拆卸部件上.保險(xiǎn)杠后部結(jié)構(gòu)(包括保險(xiǎn)杠橫梁以及后地板縱梁后端)幾乎沒(méi)有變形，這樣能大大降低維修成本.

3)雖然保險(xiǎn)杠系統(tǒng)產(chǎn)生了較大的塑性變形，但仍保持較好的完整性.碰撞能量主要被后保險(xiǎn)杠系統(tǒng)吸收，其具有較好的低速耐撞性能.

3整車后部低速碰撞分析

3.1100%重疊低速碰撞

根據(jù)GB 20072—2006《乘用車后碰撞燃油系統(tǒng)安全要求》[6]法規(guī)的要求，設(shè)置后部100%重疊低速碰撞條件.分析過(guò)程中，剛性移動(dòng)壁障的質(zhì)量為1 100 kg，初速度為50 km/h，方向?yàn)閄軸負(fù)向，計(jì)算碰撞時(shí)間為100 ms.能量平衡曲線如圖6所示.

從能量曲線可以看出：總能量基本保持不變，沙漏能與總能量的比例控制較好.由于試驗(yàn)車的初速度為零，開(kāi)始只有臺(tái)車具有動(dòng)能.碰撞發(fā)生后，總能量轉(zhuǎn)化為試驗(yàn)車和臺(tái)車的動(dòng)能，及試驗(yàn)車發(fā)生彈性變形和塑性變形的內(nèi)能、系統(tǒng)具有的沙漏能和摩擦能.

圖6　100%重疊碰撞能量平衡曲線

在碰撞仿真過(guò)程中，確定碰撞結(jié)束后能否在規(guī)定作用力下正常開(kāi)啟車門難度較大，但可以通過(guò)對(duì)門框變形量的分析對(duì)其進(jìn)行間接評(píng)價(jià)[7].分析時(shí)取門框上有代表性的點(diǎn)，測(cè)出各點(diǎn)碰撞過(guò)程中最大變形量.表4為各測(cè)點(diǎn)的最大變形量,圖7為各測(cè)點(diǎn)的位置分布.

表4　各測(cè)點(diǎn)最大變形量

注：LH—左側(cè)門框；RH—右側(cè)門框

圖7　后門框各測(cè)點(diǎn)變形曲線

碰撞過(guò)程中，在縱向沖擊力的作用下門框主要表現(xiàn)為縱向壓縮.當(dāng)門框變形量足夠大，以致于與車門發(fā)生擠壓，使車門發(fā)生變形.在變形力的作用下會(huì)出現(xiàn)門框與車門之間的卡死現(xiàn)象，是導(dǎo)致車門不能開(kāi)啟的主要原因.由分析結(jié)果可以看出，后門框左/右側(cè)的最大變形量分別為17.33 mm和16.52 mm，按照設(shè)計(jì)要求一般低于30 mm，所以能夠滿足目標(biāo)要求.

圖8是碰撞過(guò)程燃油箱應(yīng)力應(yīng)變分布云圖.

通過(guò)觀測(cè)油箱的塑性應(yīng)變來(lái)評(píng)估碰撞過(guò)程中油箱是否開(kāi)裂，如果塑性應(yīng)變超過(guò)材料的斷后伸長(zhǎng)率，則會(huì)造成材料失效而產(chǎn)生破壞.從分析結(jié)果可以看出，碰撞過(guò)程中油箱的最大塑性應(yīng)變幾乎為0，因此，油箱能夠滿足燃油泄露的要求.

圖9是后碰過(guò)程中的牽引處失效部位.通過(guò)分析碰撞時(shí)牽引處的變化過(guò)程，得出A、B連接處螺栓軸向力未收斂，所以后碰過(guò)程中，牽引機(jī)構(gòu)與后縱梁的連接螺栓失效，避免了油箱處縱梁的過(guò)大變形.

圖8　油箱應(yīng)力和塑性應(yīng)變?cè)茍D

圖9　牽引處失效位置

3.240%重疊低速碰撞

根據(jù)RCAR法規(guī)的要求，設(shè)置后部40%重疊低速碰撞條件，分析過(guò)程中，臺(tái)車的速度為16 km/h，方向?yàn)閄軸負(fù)方向，與試驗(yàn)車輛重疊率為40%，計(jì)算碰撞時(shí)間為140 ms.經(jīng)過(guò)計(jì)算得到碰撞能量的分布[8].圖10和表5反映了不同部位的吸能量.

圖10　后部主要吸能部位

測(cè)點(diǎn)吸能量/J總內(nèi)能/J吸能百分比/%A870.73B150.13C179215.09D13421187211.30E125610.58F3022.54G1951.64

后部40%碰撞過(guò)程中C～G點(diǎn)是主要的吸能部件，吸收能量約占總內(nèi)能的41%左右，變形主要在后保險(xiǎn)杠、吸能盒等可拆卸部件上，其中吸能盒吸收能量最大，發(fā)生了軸向壓潰，吸能充分，變形較理想，其截面力的變化情況如圖11所示.A、B為車身后圍，僅有較小的變形，變形吸能只占總內(nèi)能的0.86%，碰撞結(jié)束后塑性應(yīng)變較小，這樣能大大降低維修成本.由臺(tái)車與后背門的相對(duì)位置關(guān)系可知，后碰時(shí)不會(huì)造成后背門的損壞，減小了維修量及維修成本.

圖11　吸能盒截面力變化曲線

綜上所述，該SUV具有較好的后部低速耐撞性能，分析結(jié)果為SUV車型結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)提供參考依據(jù)，同時(shí)為研究汽車后部碰撞分析提出了一種新的思路和方法，該方法較全面而有效地模擬了汽車后部碰撞的過(guò)程，給實(shí)際中經(jīng)常發(fā)生的追尾等交通事故提供了仿真分析的方法.

4結(jié)論

筆者利用有限元法，首先對(duì)某SUV后保險(xiǎn)杠的耐碰撞特性進(jìn)行了分析，利用3個(gè)方向強(qiáng)度和有規(guī)則分布的測(cè)點(diǎn)剛度反映整體強(qiáng)度及剛度特性，然后從100%重疊和40%重疊兩個(gè)方面研究了整車后部低速碰撞特性，最終驗(yàn)證了該SUV后部結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的合理性，提出了局部和整體結(jié)合研究汽車后部碰撞的新思路和方法，為進(jìn)一步研究SUV結(jié)構(gòu)優(yōu)化提供了依據(jù).在研究中，如果能夠進(jìn)行實(shí)車試驗(yàn)，得到的試驗(yàn)結(jié)果與仿真結(jié)果進(jìn)行對(duì)比分析，對(duì)整車的碰撞分析具有更好的指導(dǎo)意義.

參考文獻(xiàn)：

[1]吳海京.某SUV高速追尾碰撞結(jié)構(gòu)安全性優(yōu)化研究[D]. 秦皇島:燕山大學(xué)車輛與能源學(xué)院, 2014:31-40.

[2]HANS Z,MANOAR P.Implicitly parametric crash and NVH Analysis model in the vehcle concept design phrase[J].Modellierung LS-DYNA , 2005,12:61-69.

[3]AXEL S.New optimization strategies for crash design[J]. Keynote-Votrage LS-DYNA , 2005,18:1-13.

[4]張國(guó)勝,王維.車輛正面碰撞的仿真與試驗(yàn)[J]. 東北大學(xué)學(xué)報(bào), 2011,32(10):15-19.

[5]張樂(lè)平.某SUV正面碰撞仿真分析及其優(yōu)化[D]. 長(zhǎng)沙:湖南大學(xué)機(jī)械與運(yùn)載工程學(xué)院, 2014:36-45.

[6]中國(guó)汽車技術(shù)研究中心.乘用車后碰撞燃油系統(tǒng)安全要求:GB 20072—2006[S]. 北京：中國(guó)標(biāo)準(zhǔn)出版社,2006.

[7]黃世霖,張金換.汽車碰撞與安全[M]. 北京:清華大學(xué)出版社.2000:30-42.

[8]曾應(yīng)龍.提高陸風(fēng)SUV汽車正面碰撞安全性的研究[J]. 汽車工程, 2008,32(10):42-45.

Research and Analysis of a SUV Rear Collision Based on FEM

HU Xuefang

(College of Traffic and Marine Engineering Qingdao Huanghai University,Qingdao 266427,China)

Abstract:The finite element model which takes a SUV as the object is established based on finite element analysis,and this paper simulates the center and angle collision process of the rear bumper.It evaluates the performance of the rear bumper collision by analyzing the energy absorption characteristics.According to the laws and regulations, this paper simulates the 100% and 40% overlap of the rear part low-speed collision and analyzes the collision deformation of every part, stress distribution and energy change, In the end,it verifies the rationality of the design.The results provide a basis for the further optimization of the structure and offer a new idea for the vehicle collision,and they are of great reference value for further study of the rear bumper, the vehicle collision simulation and real vehicle crash test.

Key words:SUV; finite element analysis; rear bumper; low speed; rear collision

收稿日期:2015-04-16；

修訂日期：2015-10-19

作者簡(jiǎn)介:胡雪芳(1965—)，女，福建長(zhǎng)汀人，青島黃海學(xué)院副教授，碩士，主要從事車輛工程方面的教學(xué)及研究工作，E-mail:liuxiangbin560@126.com.

文章編號(hào):1671-6833(2016)01-0054-06

中圖分類號(hào)：U463.1

文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A

doi:10.3969/j.issn.1671-6833.201504040

引用本文:胡雪芳.基于有限元法的某SUV后部碰撞分析研究[J].鄭州大學(xué)學(xué)報(bào)(工學(xué)版)，2016，37(1)：54-59.