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)果與實驗做對標分析，調(diào)整驗算后的有限元模型對于整車結(jié)構(gòu)安全校核提供了很好的優(yōu)化工具。

　　2　理論

　　汽車碰撞是一個動態(tài)的大位移和大變形的過程，接觸和高速沖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。對于汽車碰撞過程的模擬計算需采用動態(tài)大變形非線性有限元法。

　　接觸問題是汽車碰撞模擬計算中的一個重點。接觸不僅發(fā)生在車與外界環(huán)境之間、汽車的各個部件之間，汽車的某個部件也可能發(fā)生碰撞。全自動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。本文采用全自動接觸中的對稱罰函數(shù)法，該算法簡單，很少激起網(wǎng)格的沙漏效應(yīng)，沒有噪聲，動量守恒準確，不需要碰撞和釋放條件。

　　此外，在汽車仿真碰撞計算問題中，接觸碰撞界面的搜索和計算占用整個計算時間的1/4～1/3。本文根據(jù)改型前車型碰撞的實驗結(jié)果合理地選擇了接觸搜索區(qū)域，提高了接觸計算效率。

　　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劃分較密，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—劉梁單元模擬車身焊點鏈接。這種焊接形式不需要兩層焊接單元完全匹配，每兩層板間的焊點都垂直對齊，同時用語句，*CDNTACT_TIED_SHELL_EDGE—T0_SURFACE_ID實現(xiàn)焊接單元與被焊部件的連接。焊接原理如圖1所示。

　　總共焊接點個數(shù)為4236個，自動焊接成功個數(shù)為4219個，有17個焊接點失敗，最終通過手動重新焊接。車身焊接點如圖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)實車結(jié)構(gòu)對該懸架模型進行調(diào)整，修改各關(guān)鍵點的坐標，得到與真實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。

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

　　為了真實模擬車身的實際連接關(guān)系，除了用焊點模擬各部件連接關(guān)系外，還采用了轉(zhuǎn)動鉸、外部連接點等連接方式對整車零部件間進行連接。

　　發(fā)動機罩板通過一個四連桿結(jié)構(gòu)和車身相連接，其中發(fā)動機罩板和輪胎罩板各通過一個有旋轉(zhuǎn)自由度的銷釘和四連桿相連。本文中將四連桿機構(gòu)簡化成剛體，將其之間的運動和連接關(guān)系用轉(zhuǎn)動鉸來實現(xiàn)。車門和立柱的鉸鏈鉸接，也是通過轉(zhuǎn)動鉸來實現(xiàn)。

　　輪胎、懸架與副車架和車身的連接關(guān)系通過外部連接點來模擬，如圖5所示。前懸架通過a和b點與車身前輪罩處相連，后懸架通過c和d點與車身后輪罩處相連，后懸架與地板在h和i點處相連接；轉(zhuǎn)向機在g點與前圍板相連；橫向穩(wěn)定桿在e和f點與副車架相連。

圖5　懸架和輪胎的連接

　　3.4　質(zhì)量點約束的施加

　　在整車有限元模型中整車整備質(zhì)量對碰撞結(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)量點的方式將這些質(zhì)量加到整車有限元模型中，質(zhì)量點的坐標分g，j按各自的質(zhì)心位置創(chuàng)建，劃、按實際質(zhì)量施加，其通過節(jié)點剛體與白車身相連，如圖6所示。

　　4　計算結(jié)果

　　本文采用美國正面碰撞法規(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，并對照了七座小客車在清華大學(xué)汽車安全與節(jié)能國家重點實驗室的碰撞實況。詳細試驗數(shù)據(jù)參閱相關(guān)文獻。

圖6　質(zhì)量點約束的實現(xiàn)

圖7　能量曲線圖

　　圖7為能量曲線圖，從中看出：碰撞過程中動能減少而內(nèi)能增加，總能量守恒；沙漏能控制得很好，遠小于5%，模擬分析結(jié)果準確。

　　5　結(jié)論

　　通過本文的有限元建模處理方法，準確地模擬了整車碰撞過程，不僅減小了實車碰撞實驗次數(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)計依據(jù)。