車輛碰撞過程中金屬材料應(yīng)變率范圍分析

閆海濤 張文超 張桂賢

（1.中國第一汽車股份有限公司天津技術(shù)開發(fā)分公司；2.中國汽車技術(shù)研究中心）

汽車耐撞性分析是一個(gè)涉及幾何非線性、材料非線性及邊界非線性的動力學(xué)問題[1]，在汽車開發(fā)過程中，各個(gè)車企都花費(fèi)大量人力物力進(jìn)行整車結(jié)構(gòu)耐撞性仿真分析。整車碰撞過程中，材料變形是一個(gè)高應(yīng)變率的響應(yīng)過程[2]，其應(yīng)變率效應(yīng)對整車碰撞仿真精度有較大影響[3-4]。目前主要通過近似本構(gòu)方程和應(yīng)變率曲線組2種方法對材料應(yīng)變率效應(yīng)進(jìn)行模擬[5-6]，而這2種方法均需要n條不同應(yīng)變率下的應(yīng)力應(yīng)變曲線作為輸入。因此材料拉伸試驗(yàn)的應(yīng)變率選取對應(yīng)變率效應(yīng)模擬的準(zhǔn)確性至關(guān)重要，這也直接影響到碰撞仿真分析的準(zhǔn)確性?；诖?，文章分別對正面和側(cè)面碰撞工況下關(guān)鍵部件的應(yīng)變率范圍和分布進(jìn)行分析，綜合分析結(jié)果，可以為車身關(guān)鍵部件的應(yīng)變率拉伸試驗(yàn)提供參考依據(jù)，從而提高整車結(jié)構(gòu)耐撞性仿真分析精度。

1 碰撞工況和仿真模型

基于C-NCAP（2015版）碰撞工況，搭建了整車碰撞模型，如圖1所示。模型中設(shè)置動畫輸出間隔為1 ms，涉及的高強(qiáng)鋼包括 SAPH440，DP780，DP590，DP1180，B1500HS等。

圖1 整車碰撞模型

2 正面碰撞應(yīng)變率范圍和分布

2.1 100%正面碰撞應(yīng)變率分析

對于正面碰撞工況（包括100%正碰和40%偏置碰），關(guān)鍵部件包括防撞梁、吸能盒、前邊梁、shotgun、前圍板及機(jī)蓋等，如圖2所示。應(yīng)用LS-PrePost分別對這些部件進(jìn)行后處理，并刪除局部導(dǎo)致應(yīng)變率劇增的單元，得到其在變形過程中應(yīng)變率范圍和分布云圖。圖3示出防撞梁應(yīng)變率最大時(shí)刻云圖，從圖3中可以得到其變形過程中最大應(yīng)變率約為358 s-1。

圖2 正面碰撞關(guān)鍵部件

圖3 防撞梁應(yīng)變率最大時(shí)刻云圖

圖4示出防撞梁在變形過程中參與不同應(yīng)變率范圍的單元網(wǎng)格分布。由于防撞梁中間位置強(qiáng)度對其承載能力影響較大，因此，需重點(diǎn)關(guān)注該位置應(yīng)變率的變化。從圖4可以看出，防撞梁中間位置應(yīng)變率主要分布在200 s-1以內(nèi)。

圖4 防撞梁不同應(yīng)變率范圍的網(wǎng)格單元分布

應(yīng)用相同方法對其它關(guān)鍵部件的鈑金進(jìn)行應(yīng)變率范圍與分布分析，對稱位置鈑金以應(yīng)變率最大為準(zhǔn)則得到其最終結(jié)果。圖5示出正面碰撞關(guān)鍵部件18塊鈑金的分析結(jié)果。從圖5中可以得到100%正面碰撞過程中，應(yīng)變率值較大的鈑金主要是吸能盒、前邊梁、防撞梁和前圍板，最大值為570 s-1，主要分布在400 s-1以內(nèi)；其余部件應(yīng)變率最大值均小于100s-1，主要分布在50s-1以內(nèi)。

圖5 100%正面碰撞主要部件應(yīng)變率范圍和分布

2.2 40%偏置碰撞應(yīng)變率分析

40%偏置碰撞過程中，主要是左邊部件發(fā)生變形，因此，只需對左側(cè)關(guān)鍵部件進(jìn)行應(yīng)變率分析，其結(jié)果如圖6所示。

圖6 40%偏置碰撞主要部件應(yīng)變率范圍和分布

在40%偏置碰撞開始階段，由于可變形壁障吸收了一部分能量，傳遞到車身上的沖擊力減小，所以關(guān)鍵部件應(yīng)變率范圍和分布小于100%正面碰撞工況。從圖6可以得到，偏置碰撞過程中，應(yīng)變率值較大的部件與100%正面碰撞相同，最大值也發(fā)生在吸能盒，為423 s-1，應(yīng)變率主要分布在350 s-1以內(nèi)；其余部件應(yīng)變率最大值大多小于100 s-1，主要分布在50 s-1以內(nèi)。

3 側(cè)面碰撞應(yīng)變率范圍和分布

側(cè)面碰撞工況下，主要變形部件為駕駛員側(cè)的中柱、車門、門檻及地板等，如圖7所示，對于前后車門內(nèi)板、外板及車門防撞梁等，以應(yīng)變率最大值為準(zhǔn)則得到最終結(jié)果。

圖7 側(cè)面碰撞關(guān)鍵部件

分別對這些部件的鈑金進(jìn)行應(yīng)變率分析，得到其側(cè)碰工況下關(guān)鍵部件的應(yīng)變率范圍和分布，如圖8所示。從圖8中可以得到側(cè)碰工況下，應(yīng)變率最大值發(fā)生在地板，為270 s-1，主要分布在200 s-1以內(nèi)；其余部件應(yīng)變率大多數(shù)小于100 s-1，主要分布在50 s-1以內(nèi)。

圖8 側(cè)面碰撞主要部件應(yīng)變率范圍和分布

對于以上結(jié)果，以鈑金應(yīng)變率為樣本進(jìn)行分析，如圖9和圖10所示。從圖9和圖10中可以看出，應(yīng)變率最大值大多數(shù)小于200 s-1，且主要分布在100 s-1以內(nèi)。

圖9 車身鈑金應(yīng)變率最大值比例

圖10 車身鈑金應(yīng)變率主要分布比例

4 結(jié)論

通過對汽車碰撞工況下關(guān)鍵部件應(yīng)變率分析得到：1）該平臺車型在C-NCAP（2015版）碰撞工況下，鈑金應(yīng)變率大多數(shù)小于200 s-1，主要分布在100 s-1以內(nèi)；2）吸能盒、防撞梁、前邊梁及前圍板的材料，其應(yīng)變率范圍較大，最大值可以達(dá)到500 s-1，主要分布在400 s-1以內(nèi)；3）側(cè)碰的關(guān)鍵部件應(yīng)變率值偏小，最大值為270 s-1，主要分布在50 s-1以內(nèi)。

對該平臺車型鈑金材料進(jìn)行動態(tài)拉伸試驗(yàn)時(shí)，可以參考以上分析結(jié)果，有針對性地選擇加載速度，避免過高加載速度，從而得到更準(zhǔn)確的應(yīng)變率參數(shù)，提高該平臺車型碰撞仿真分析準(zhǔn)確性。