王天博 田國富 王濤

摘? 要：為研究某乘用車型在發(fā)生側(cè)面碰撞時(shí)是否滿足國家安全標(biāo)準(zhǔn)，以有限元仿真為基礎(chǔ)，對該乘用車進(jìn)行側(cè)面碰撞安全性分析。首先搭建整車側(cè)面碰撞模型并設(shè)置計(jì)算參數(shù);然后將模型的k文件導(dǎo)入到LS-DYNA軟件中進(jìn)行仿真計(jì)算;最后利用后處理軟件觀察整車碰撞時(shí)序圖及B柱的變形模式，并參照國家側(cè)面碰撞相關(guān)法規(guī)，發(fā)現(xiàn)該乘用車型存在B柱侵入量及侵入速度過大的問題，影響了汽車側(cè)面碰撞的安全性。

關(guān)鍵詞：某乘用車;有限元仿真;碰撞;B柱

中圖分類號：U467.13? ? 文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A? ? 文章編號：1005-2550（2021）01-0082-05

Abstract： In order to study whether a passenger car meets the national safety standard in the event of a side impact， the side impact safety analysis of the passenger car is carried out based on finite element simulation. Firstly， a vehicle side impact model is built and calculation parameters are set. Then the k file of the model is imported into LS-DYNA software for simulation calculation; Finally， the post-processing software is used to observe the collision timing diagram and deformation mode of B-pillar， and referring to the relevant national standard on side collision， it is found that the passenger car has the problem of excessive invasion volume and invasion speed of B-pillar， which affects the safety of side collision.

Key Words： Passenger Car; Element Simulation; Impact; B-pillar

前? ? 言

我國是汽車大國，按照公安部交管局的統(tǒng)計(jì)，截至2020年上半年，全國汽車保有量為2.7億輛，機(jī)動車保有量達(dá)3.6億輛[1]。中國道路交通建設(shè)如社會經(jīng)濟(jì)一樣飛速發(fā)展，但由于一些公民本身缺少對法律的認(rèn)知，且日常生活安全意識不強(qiáng)，導(dǎo)致道路交通事故頻繁發(fā)生。

圖1顯示2019年我國交通事故受傷人數(shù)較2018年同比增長6.4%[2]。雖增速有所減緩，但依舊導(dǎo)致275125人傷亡，損失巨大。

相對于其他碰撞方式而言，側(cè)面碰撞在交通事故中造成的傷亡人數(shù)較多，損失較為慘重，因此提高汽車在發(fā)生側(cè)面碰撞的安全性，對降低我國的交通事故致死率起著重要作用[3]。早期的碰撞試驗(yàn)是通對實(shí)車碰撞來進(jìn)行，需耗費(fèi)大量的金錢和時(shí)間。隨著社會的發(fā)展和科技的進(jìn)步，工程師開發(fā)了有限元分析法[4]，通過計(jì)算機(jī)仿真的方式，來模擬汽車的碰撞試驗(yàn)，此舉可顯著降低汽車的設(shè)計(jì)成本，縮短研發(fā)周期。

1? ? 側(cè)碰有限元模型

1.1? ?整車有限元模型的建立

本文研究的側(cè)面移動壁障碰撞是C-NCAP（中國新車評價(jià)規(guī)程）中評測的主要碰撞工況之一[5]。仿真實(shí)驗(yàn)時(shí)，被測車輛靜止不動，可移動壁障代替對方車輛，并以固定速度和方向撞擊被測車輛。

使用軟件HyperMesh打開某款乘用車的幾何模型，并對模型進(jìn)行幾何清理、網(wǎng)格劃分等必要的前處理工作，對該乘用車白車身等區(qū)域劃分2D網(wǎng)格，對發(fā)動機(jī)等零部件劃分3D網(wǎng)格，Quads殼單元角度控制在45°至135°之間，Trias三角形單元角度控制在20°至120°之間，以保證計(jì)算精準(zhǔn)度，得到該乘用車的CAE模型，該模型共包含958281個2D單元，25230個3D單元，如圖2所示。

1.2? ?MDB有限元模型

依據(jù)我國GB20071-2006的要求，創(chuàng)立MDB可移動壁障的有限元模型，該模型由移動的臺車和蜂窩鋁吸能塊兩部分組成。其中吸能塊部分（由六個蜂窩鋁組成）劃分實(shí)體網(wǎng)格，移動臺車的部分選用剛性材料，并在最外層附加殼單元，以保證碰撞時(shí)的精度，最終形成如圖3所示的MDB有限元模型。

1.3? ?MDB整車側(cè)碰模型

參照GB20071法規(guī)搭建整車MDB側(cè)碰模型。按法規(guī)要求可移動壁障的中心對準(zhǔn)該乘用車前排座椅的R點(diǎn)，壁障的下邊緣與地面的距離為300mm，最終形成如圖4所示的MDB整車側(cè)面碰撞模型，并對該模型施加13889mm/s（50km/h）的碰撞速度，120ms的碰撞時(shí)間。在仿真計(jì)算過程中為保障計(jì)算精度，增加的質(zhì)量與總質(zhì)量的比值（percentage increase）要小于5%[6]，因此需要對計(jì)算的時(shí)間步長做出調(diào)整，以保證最優(yōu)的計(jì)算結(jié)果。本仿真實(shí)驗(yàn)將DT2MS（時(shí)間步長）調(diào)整為-7.5e-7，TSSFAC（時(shí)間步長縮放系數(shù)）設(shè)定為0.9。在設(shè)置完參數(shù)之后，將此模型以k文件的形式提交到計(jì)算軟件LS-DYNA中計(jì)算，計(jì)算時(shí)長大約10小時(shí)。

2? ? 側(cè)面碰撞的仿真分析

2.1? ?側(cè)碰模型的驗(yàn)證

LS-DYNA在碰撞仿真分析過程中采用了質(zhì)量縮放的方法來提高計(jì)算的效率，但在實(shí)車碰撞過程中，需要符合質(zhì)量守恒定律。增加過多的質(zhì)量將會使仿真的結(jié)果失去真實(shí)參考意義，要保證質(zhì)量增加量與總體質(zhì)量的比值不大于百分之五。在后處理軟件HyperView中查看質(zhì)量增加曲線，如圖5（a）所示，圖中顯示其增加的質(zhì)量約為19kg，遠(yuǎn)小于模型總質(zhì)量（約2.057t）的5%，所以該計(jì)算結(jié)果可靠。

圖5（b）為能量變化曲線，從圖中能夠看出，隨著碰撞的進(jìn)行，總能量基本保持不變;而動能逐漸減小，內(nèi)能不斷增大。整個碰撞過程中系統(tǒng)的動能轉(zhuǎn)換成系統(tǒng)的內(nèi)能，但總能量保持不變，遵循能量守恒定律。從圖中可以看出，總能量約為88KJ，其中沙漏能最大值約為0.5KJ。參照李晨、陳昌明等人的研究可知，為使沙漏能對計(jì)算結(jié)果影響不明顯，保證仿真與真實(shí)碰撞結(jié)果較吻合，沙漏能與總能量的比值不能超過5%[7]。根據(jù)圖中的數(shù)據(jù)計(jì)算可知，沙漏能與總能量的比值約為1.7%，小于總能量的5%，證明該仿真結(jié)果可靠。

2.2? ?變形時(shí)序圖

變形時(shí)序圖能夠反映該乘用車在側(cè)碰仿真過程中不同時(shí)刻的變形情況。在計(jì)算中由于步長設(shè)置較小，所以只截取整車在0ms、30ms、60ms、90ms、120ms的變形圖。從圖6中可以明顯看出，在0ms-30ms時(shí)，左側(cè)車身結(jié)構(gòu)發(fā)生向內(nèi)凹陷的變形，與此同時(shí)，MDB的吸能塊發(fā)生壓縮變形，此時(shí)車身其他部位的變形并不明顯;在30ms-60ms時(shí)，左側(cè)車身變形劇烈，吸能塊逐步被完全壓縮;在60ms-90ms時(shí)，碰撞力達(dá)到峰值，車體結(jié)構(gòu)的變形量也在這一時(shí)間段內(nèi)達(dá)到峰值，吸能塊完全壓縮，車身左側(cè)變形充分，導(dǎo)致右側(cè)變形;90ms-120ms碰撞持續(xù)，車和壁障向相同的方向移動。

2.3? ?碰撞速度分析

該乘用車與可移動壁障的碰撞速度曲線如圖6所示，在t=0s時(shí)刻，MDB的初始速度為13889mm/s，即50km/h。隨著碰撞的進(jìn)行，MDB的速度因?yàn)槭艿杰圀w的阻礙而持續(xù)下降;同時(shí)，車體的速度因?yàn)槭艿組DB的撞擊而持續(xù)增加。大約在t=0.66s時(shí)刻，二者曲線相交，此時(shí)兩者移動速度相同;然后MDB的移動速度繼續(xù)下降，車體的移動速度繼續(xù)增加。當(dāng)MDB的移動速度小于該乘用車的移動速度時(shí)，該乘用車與MDB分離。

2.4? ?B柱變形分析

2.4.1 侵入量分析

當(dāng)汽車受到側(cè)面撞擊時(shí)，防撞桿能通過分散力的方式，顯著削弱碰撞側(cè)的變形程度，從而減少對車內(nèi)乘員的傷害。當(dāng)側(cè)碰發(fā)生時(shí)，前門將力通過前側(cè)門防撞桿傳遞到A柱和B柱，后門將力通過后側(cè)門防撞桿分散到B柱和C柱?？梢夿柱是側(cè)碰過程中的關(guān)鍵部件，其侵入量對車內(nèi)乘員的安全起著重要作用，因此在側(cè)面碰撞仿真分析中，觀察B柱侵入量可以作為一個重要的側(cè)碰安全性評價(jià)因素。

本文選取四個參考點(diǎn)，從上到下依次對應(yīng)車內(nèi)乘員身體的四個位置：頭部、胸部、腹部和骨盆。四個參考點(diǎn)均位于撞擊側(cè)的B柱內(nèi)板上，同時(shí)沿Y方向在非撞擊側(cè)的B柱內(nèi)板上對應(yīng)選取四個參考點(diǎn)，兩組參考點(diǎn)之間的相對位移，即可代表四個位置在發(fā)生側(cè)面碰撞時(shí)的真實(shí)侵入量。具體測量點(diǎn)的分布情況及B柱的侵入量如圖8所示：

由侵入量曲線能夠看出，除了對應(yīng)著車內(nèi)乘員頭部位置的節(jié)點(diǎn)之外，其他三個部位的侵入量曲線的最大值，都超過了該車型B柱與座椅之間150mm的裝載距離。

2.4.2 侵入速度分析

B柱產(chǎn)生大小不同的侵入量因占據(jù)了乘員的生存空間而造成傷害，但其伴隨著的在每個點(diǎn)不同的侵入速度，對乘員的損傷更是關(guān)鍵性的[8]。GB20071標(biāo)準(zhǔn)中，還對胸部傷害粘性指標(biāo)做出了規(guī)定，粘性指標(biāo)由侵入速度和相對擠壓變形量二者相乘獲得，可由以下公式進(jìn)行計(jì)算[9]。

由公式可見，粘性指標(biāo)除了與侵入量有關(guān)外，還與侵入速度的大小有關(guān)，因此，也必須將侵入速度作為一個重要的研究對象。由上一節(jié)可知，侵入量是位移和時(shí)間的函數(shù)，所以利用后處理軟件將侵入量曲線求導(dǎo)，即可獲得對應(yīng)節(jié)點(diǎn)的侵入速度曲線，如圖9所示：

根據(jù)張學(xué)榮、蘇青祖等人的研究發(fā)現(xiàn)，當(dāng)把側(cè)面結(jié)構(gòu)的侵入速度控制在8000mm/s以下時(shí)，能夠較好的滿足側(cè)面碰撞發(fā)生時(shí)車內(nèi)乘員安全性能的要求[10]。由圖中可以看出，除了頭部以外，胸部、腹部和骨盆三個部位的侵入速度都超過了8000mm/s。

3? ? 結(jié)論

本文依照GB20071-2006《汽車側(cè)面碰撞的乘員保護(hù)》及C-NCAP（中國新車評價(jià)規(guī)程）等標(biāo)準(zhǔn)，采用有限元仿真的方法，對路面上的某款乘用車型進(jìn)行側(cè)面碰撞的仿真實(shí)驗(yàn)，對下述幾個方面進(jìn)行詳解：

（1）使用后處理軟件獲得質(zhì)量增加曲線和能量變化曲線，通過計(jì)算增加質(zhì)量與總質(zhì)量、沙漏能與總能量的比例，證明了該仿真結(jié)果的可靠性。

（2）以動態(tài)的型式輸出變形時(shí)序圖，觀察了不同時(shí)刻的碰撞變形程度，進(jìn)一步展示了該乘用車側(cè)面碰撞的情況。

（3）分析了側(cè)碰發(fā)生時(shí)B柱的變形模式：B柱的侵入量及侵入速度，結(jié)果顯示肩部、腹部和骨盆的侵入量大于標(biāo)準(zhǔn)值150mm，侵入速度大于8000mm/s的安全值，值得進(jìn)一步優(yōu)化。

此結(jié)論對B柱的優(yōu)化及汽車側(cè)面碰撞的試驗(yàn)均有著重要的指導(dǎo)意義。

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