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    1、整车正碰中计算机模拟仿真技术研究的意义

    交通安全是一个世界性的难题，据统计，每年因为车祸有70多万人死亡，1000多万人受伤。汽车安全性分为主动安全性和被动安全性，前者是指汽车防止发生事故的能力；后者是指当事故发生时汽车本身对乘员及行人提供保护的能力。调查的结果表明，汽车的主动性能再好，也只能避免很少量的事故，汽车的被动安全性实际上主宰着汽车的安全性能。

    随着我国汽车保有量的不断增加，交通事故呈上升趋势，如图1所示，而汽车的正碰是发生概率最多的一种，且对车内司乘人员生命财产安全最具危害性。随着我国正碰安全法规的颁布实施，汽车的被动安全性问题是汽车研究和设计人员必须面对的新课题，所开发车型的耐撞性能最终要通过实车碰撞试验来检验。但是此类的试验对车辆进行的是破坏性试验，为了检验一项设计目标往往需要反复的碰撞试验，试验费用相当昂贵，因此，通过CAE模拟仿真计算来指导和部分取代试验工作，成为汽车被动安全性研究的一种必然趋势。通过模拟仿真计算，可以在汽车设计和改进的过程中经济有效的提供一些基本规律和指导方向，减少试验次数，避免大量尝试性工作，这样既能减少研发成本，也能缩短开发周期。本文以某车型为例介绍了汽车正面碰撞有限元模型分析方法。

图1 整车正碰中计算机模拟仿真技术研究的意义 

    2、计算模型的建立

    2.1 网格划分

    应用有限元前处理软件Hypermesh对整车进行网格划分，整车模型共有402058个单元，以矩形单元为主，在绘制完白车身网格以后，进行白车身的模态分析，顺便检验一下是否有忘记连接的焊点。

    另外，在建模时省去了一些对整车结构碰撞性能（即整车结构撞击变形）影响不大的部件，如车门、座椅及内饰件等，这些部件的质量通过集中质量单元加到了车身上。整车碰撞有限元模型如图2所示。

图2 整车碰撞有限元模型 

    部件在碰撞吸能过程中作用不同，单元划分的尺寸也不同。正碰时整个车前端是主要变形区，因此，网格划分的尺寸比较小，以提高模拟精确度，也减少了沙漏能量的损失。

    2.2 材料模型

    在对整车进行前碰撞仿真时，关键问题是材料模型的正确选用。同一个零件在进行不同条件（撞击速度和承受载荷不同）下的计算分析时，都可能需要选用不同的材料模型。对于主梁的碰撞计算，由于梁本身所采用的是低碳钢，在以50km/h的速度撞击时，主梁发生较大变形，材料会发生应变率硬化的问题。计算时采用动态弹塑性材料模型，动态屈服应力、静态屈服应力与应变率之间满足下列经验公式：

    式中：σds，σs——材料的动态屈服应力和静态屈服应力；

    ε——应变率；

    C，P——应变率参数。

    应变率不同，材料的应力曲线也不同。对钢材可取C=40，P=5。

    2.3 碰撞的边界条件

    按照法规项的要求来模拟整车正碰，计算时碰撞速度为50km/h，固定刚性壁障。

    3、汽车正碰试验和仿真结果分析

    对正面碰撞仿真结果的真实性和准确性评价，通常采用定性和定量的评价方法。定性评价的方法主要是检查和比较试验在仿真中，撞击区域的变形形状和各主要部件的撞击特征；定量评价则集中在汽车的车身加速度和能量变化等等。汽车正碰仿真和试验结果对比如图3所示。

图3  汽车正碰实验与有限元分析结果对比 

    由于整车的碰撞性能取决于零部件的吸能性能，要改善整车的碰撞性能，必须改善零部件的吸能特性，车辆的前部吸能部件中，主梁起着至关重要的作用，图4是随着时间历程，主梁的变形特性。

图4 中间几个时刻仿真计算变形结果 

    变形结果可以从表面上来判断部件吸能性能的好坏，比如同一个部件发生轴向压缩变形比发生弯曲变形时吸收的能量多。但许多情况下，变形的差别不是非常明显，这个时候需要根据变形的内能来判断部件吸能多少。图5是主梁的变形内能和整车变形内能的曲线对比；图6是整车的内能、动能和总能量随时间历程的变化情况。

图5 主梁的变形内能和整车变形内能曲线对比

图6 整车内能、动能和总能量随时间历程的变化情况 

    实车试验是模型检验的基础，采用的指标是B柱加速度曲线。计算曲线和试验曲线的对比见图7。从图7中可以看到2条曲线比较相似，曲线的走势、波峰波谷的变化及峰值点都比较接近，基本可以认为仿真模型是正确的。

图7 B柱加速度曲线仿真和实验结果对比 

    4、正面碰撞车身结构抗撞性研究

    汽车的被动安全性能研究主要包括2大部分，第一是车身结构变形吸能的研究，因为安全车身的作用而使得在碰撞过程中冲击的能量得到最佳的分布和吸收；第二是乘员约束系统的研究，通过乘员约束系统的作用使得一次碰撞过程中乘员分得的能量能够在二次碰撞中（乘员与驾驶室内物体的碰撞）得到有效的释放，从而达到保护乘员生命安全的目的。在整车的正面碰撞过程中，乘员所处的驾驶室内叫做生存区，要求变形非常小，以保证乘员的生存空间。车身主要的变形吸能部分是汽车前围板之前的部分，因此，合理的布置汽车正碰变形吸能区的梁系结构十分重要，图8即为汽车正碰梁系结构的力和能量传递路径分析。

图8 汽车正碰梁系结果的力和能量传递路径 

    汽车的前部变形区主要有2个区域：第1个区域较软，是汽车的保险杠，也就是防撞梁外面的塑料壳子，主要是保护行人；第2个区域是吸能区，其中吸能区主要吸能的是汽车主梁。主梁的变形吸能主要有2个部分：第1部分从保险杠加强板一直到发动机悬置之前，主要通过压溃吸能；第2部分叫第二硬化区，从发动机悬置以后一直到前围板之前，主要通过弯曲变形吸能。主梁尽量用一些盒状且封闭的结构。在主梁的前部，还有一些诱导槽，来诱导压溃，以保证车身在有足够安全空间的情况下能吸收更多能量，以此达到使传递到乘员的碰撞能量最小的目的。

    5、结论

    这次的分析结果，正面碰撞车身加速度的峰值大约是41g，一般的共识是，车身加速度的峰值在40g～50g时，被认为在结构变形方面是没有问题的。在此基础上，安全带和气囊等约束系统也比较好匹配，也比较容易达到法规对人体损伤值的要求，这次整车的整备质量设定略高于实车，因此，实车的正碰结构变形也应该没有问题。

    从碰撞结果来看，发动机盖的铰链还存在一点问题，在碰撞中变形太大且失稳，可能存在一定的安全隐患。通过分析，改变铰链形状（见图9），从图9中可以看出，铰链设计更改后，碰撞的结果有了很大改善。