1 概述
本文研究的是上汽股份汽車工程院的一款改型車，因此需要進(jìn)行碰撞安全性分析。本文通過有限元方法建模，采用了特殊的處理方法和技術(shù)，模擬整車碰撞過程，最后將分析結(jié)果與實(shí)驗(yàn)做對(duì)標(biāo)分析，調(diào)整驗(yàn)算后的有限元模型對(duì)于整車結(jié)構(gòu)安全校核提供了很好的優(yōu)化工具。
2 理論
汽車碰撞是一個(gè)動(dòng)態(tài)的大位移和大變形的過程，接觸和高速?zèng)_擊載荷影響碰撞的全過程，系統(tǒng)具有幾何非線性和材料非線性等多重非線性。對(duì)于汽車碰撞過程的模擬計(jì)算需采用動(dòng)態(tài)大變形非線性有限元法。
接觸問題是汽車碰撞模擬計(jì)算中的一個(gè)重點(diǎn)。接觸不僅發(fā)生在車與外界環(huán)境之間、汽車的各個(gè)部件之間，汽車的某個(gè)部件也可能發(fā)生碰撞。全自動(dòng)接觸分析是接觸碰撞的技術(shù)突破，目前可求解40多種的接觸問題。本文采用全自動(dòng)接觸中的對(duì)稱罰函數(shù)法，該算法簡(jiǎn)單，很少激起網(wǎng)格的沙漏效應(yīng)，沒有噪聲，動(dòng)量守恒準(zhǔn)確，不需要碰撞和釋放條件。
此外，在汽車仿真碰撞計(jì)算問題中，接觸碰撞界面的搜索和計(jì)算占用整個(gè)計(jì)算時(shí)間的1/4～1/3。本文根據(jù)改型前車型碰撞的實(shí)驗(yàn)結(jié)果合理地選擇了接觸搜索區(qū)域，提高了接觸計(jì)算效率。
3 整車有限元模型
整車有限元模型分為三部分：車身、懸架、輪胎。車身有限元模型的建立在前處理軟件
Hyper Mesh中完成，懸架和輪胎采用汽車仿真分析軟件Virtual Proving Ground(VPG)中的模型，并根據(jù)汽車真實(shí)結(jié)構(gòu)做相應(yīng)的調(diào)整得到。
3.1 車身有限元模型的建立
對(duì)于做碰撞分析，網(wǎng)格的大小一般為10×10mm。在正碰過程中，A柱前部分的車身結(jié)構(gòu)是變形吸收能量的主要部分，變形的模式極為復(fù)雜，而B柱之后的部分在碰撞過程中幾乎不發(fā)生變形，故在車身的前部單元?jiǎng)澐州^密，B柱之后較稀。本文使用Hyper Mesh建立七座小客車車身模型，單元總數(shù)為374774。
整車裝配焊接在MEDINA軟件中完成，使用休斯—?jiǎng)⒘簡(jiǎn)卧M車身焊點(diǎn)鏈接。這種焊接形式不需要兩層焊接單元完全匹配，每?jī)蓪影彘g的焊點(diǎn)都垂直對(duì)齊，同時(shí)用語句，*CDNTACT_TIED_SHELL_EDGE—T0_SURFACE_ID實(shí)現(xiàn)焊接單元與被焊部件的連接。焊接原理如圖1所示。
總共焊接點(diǎn)個(gè)數(shù)為4236個(gè)，自動(dòng)焊接成功個(gè)數(shù)為4219個(gè)，有17個(gè)焊接點(diǎn)失敗，最終通過手動(dòng)重新焊接。車身焊接點(diǎn)如圖2所示。
3.2 懸架和輪胎有限元建模
七座小客車的麥弗遜式懸架在VPG軟件中建模，根據(jù)實(shí)車結(jié)構(gòu)對(duì)該懸架模型進(jìn)行調(diào)整，修改各關(guān)鍵點(diǎn)的坐標(biāo)，得到與真實(shí)惠架相一致的有限元模型，如圖3所示。輪胎模型直接使用VPG中的有限元模型。將車身和懸架輪胎裝配成整車有限元模型，如圖4所示，單元總數(shù)為39.53萬個(gè)。
圖1 焊接原理圖
圖2 車身焊接圖
圖3 麥弗遜式懸架模型
圖4 整車有限元模型
3.3 整車中的約束施加
為了真實(shí)模擬車身的實(shí)際連接關(guān)系，除了用焊點(diǎn)模擬各部件連接關(guān)系外，還采用了轉(zhuǎn)動(dòng)鉸、外部連接點(diǎn)等連接方式對(duì)整車零部件間進(jìn)行連接。
發(fā)動(dòng)機(jī)罩板通過一個(gè)四連桿結(jié)構(gòu)和車身相連接，其中發(fā)動(dòng)機(jī)罩板和輪胎罩板各通過一個(gè)有旋轉(zhuǎn)自由度的銷釘和四連桿相連。本文中將四連桿機(jī)構(gòu)簡(jiǎn)化成剛體，將其之間的運(yùn)動(dòng)和連接關(guān)系用轉(zhuǎn)動(dòng)鉸來實(shí)現(xiàn)。車門和立柱的鉸鏈鉸接，也是通過轉(zhuǎn)動(dòng)鉸來實(shí)現(xiàn)。
輪胎、懸架與副車架和車身的連接關(guān)系通過外部連接點(diǎn)來模擬，如圖5所示。前懸架通過a和b點(diǎn)與車身前輪罩處相連，后懸架通過c和d點(diǎn)與車身后輪罩處相連，后懸架與地板在h和i點(diǎn)處相連接；轉(zhuǎn)向機(jī)在g點(diǎn)與前圍板相連；橫向穩(wěn)定桿在e和f點(diǎn)與副車架相連。
圖5 懸架和輪胎的連接
3.4 質(zhì)量點(diǎn)約束的施加
在整車有限元模型中整車整備質(zhì)量對(duì)碰撞結(jié)果精確度的影響不容忽略，因此需要考慮前后座椅、備用輪胎、儀表盤和隨車工具等的質(zhì)量。本文以質(zhì)量點(diǎn)的方式將這些質(zhì)量加到整車有限元模型中，質(zhì)量點(diǎn)的坐標(biāo)分g，j按各自的質(zhì)心位置創(chuàng)建，劃、按實(shí)際質(zhì)量施加，其通過節(jié)點(diǎn)剛體與白車身相連，如圖6所示。
4 計(jì)算結(jié)果
本文采用美國(guó)正面碰撞法規(guī)(FMVSS 208法規(guī))，設(shè)置汽車初始速度為11.39m/s，終止時(shí)間為l00ms，求解器采用軟件LS-DYNA970；求得整車碰撞過程的變形仿真結(jié)果，并對(duì)照了七座小客車在清華大學(xué)汽車安全與節(jié)能國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室的碰撞實(shí)況。詳細(xì)試驗(yàn)數(shù)據(jù)參閱相關(guān)文獻(xiàn)。
圖6 質(zhì)量點(diǎn)約束的實(shí)現(xiàn)
圖7 能量曲線圖
圖7為能量曲線圖，從中看出：碰撞過程中動(dòng)能減少而內(nèi)能增加，總能量守恒；沙漏能控制得很好，遠(yuǎn)小于5%，模擬分析結(jié)果準(zhǔn)確。
5 結(jié)論
通過本文的有限元建模處理方法，準(zhǔn)確地模擬了整車碰撞過程，不僅減小了實(shí)車碰撞實(shí)驗(yàn)次數(shù)，降低成本，還為工程人員提供了結(jié)構(gòu)安全優(yōu)化的設(shè)計(jì)依據(jù)。
