汽车正面碰撞前纵梁变形仿真分析

王丽萍 宁钰球 覃钰杰

摘 要：在汽车正面碰撞中，前纵梁是主要的吸能部件，对汽车的碰撞性能与安全性有重要的影响。为研究汽车前纵梁的性能，对某车100%正面碰撞中前纵梁的变形吸能进行仿真分析，利用HyperMesh建立有限元模型，使用LS DYNA得到计算结果，在HyperView中对计算结果进行后处理获得了前纵梁的变形情况、前纵梁尾端某一节点X向位移变化曲线，进而分析前纵梁在整车正面碰撞中的变形情况。

关键词：汽车碰撞；前纵梁变形；仿真分析

中图分类号：U461.91 文献标识码：A

汽车的需求就越来越多，致使我国的汽车行业飞速地发展。汽车安全问题便随之而来，而且伤害是巨大的。据统计，在全世界范围内由于车祸造成的死亡人数每年有100万，而中国这样的伤害每年超过60000人，由于交通事故，中国的死亡人数占世界的16%[1]。这引起有关部门的深切重视，汽车安全性为重中之重。其中被动安全是保护乘员生命安全的最直接有效的方法。而汽车前纵梁的碰撞特性很大程度上影响整车正面碰撞安全性，因此研究汽车前纵梁的碰撞特性，对降低碰撞事故中乘员的伤害值具有重要的意义[2]。

1 汽车安全性理论

汽车在发生交通事故时，最重要的是保证乘员的安全，将乘员的伤害值降到最低。最有效的方式就是保证车辆整体的完整性，避免车体前部部件侵入乘员舱过量。

1.1 限制整车正面碰撞的变形

为了控制车身前部的最大变形量，可以在车辆许可的变形区的后部设置一个变形截止结构，这种变形截止结构是一个刚度、强度均较大的区域，从而强制性的将汽车车身前部的变形控制在变形截止结构内，终止变形，保证乘员舱完整性，如图1中①所示。

1.2 改变变形的模式

车辆在碰撞后其变形模式主要是褶皱、弯曲和断裂。前纵梁作为车身前部的主要的碰撞承载部件，对其褶皱变形的控制是非常重要的。如图1中的②③所示汽车前纵梁的理想状态。前纵梁要有一定的抗弯性，使前纵梁能够保持稳定的褶皱变形。并且在碰撞过程中前纵梁的强度要一次向后增強，保证结构变形的次序是从前向后依次变形，如图1中的④所示。由此可见前纵梁的变形分析在研究汽车正面碰撞中的重要地位。

2 汽车前纵梁有限元模型的建立

利用有限元软件对汽车前纵梁碰撞模型进行仿真试验一般有三个步骤，即利用Hyper Works的前处理软件Hyper Mesh进行前处理工作； LSDYNA软件进行计算的中处理； Hyper Works的后处理软件Hyper View进行后处理工作。前处理Hyper Mesh软件是对已有的CAD模型进行网格化分完成有限元模型，以及对有限元模型的清理和简化等；中处理就是分析计算：后处理Hyper View则是对汽车碰撞结果进行分析处理，并对相应的结果做出评价与分析。对于汽车碰撞有限元分析流程可以用图21简略表示。

2.1 导入模型

将前纵梁CAD模型导入到Hyper Works软件中的Hyper Mesh前处理模块，并在Hyper Mesh软件中进行几何清理和网格化分。

2.2 几何清理和网格划分

导入的前纵梁CAD模型还要进行修补和优化，使其达到要求[3]。主要的工作是删除重复和多余的面、创建缺失的面等，可以按设置的间距来实现边的清理。通过改进和优化短边和小孔、重新布置共享边和固定点，得到符合要求和质量更好的网格。

所建立的整车模型中，网格密度相对大些的是变形较严重的部分。所以车身的前部分，如前纵梁，其网格密度要大些。设置为5mm，并且三角形的单元数应控制在整车单元数的10%以内。前纵梁有限元模型如图22所示。

2.3 设置边界条件

2.3.1 设定碰撞初速度

设置碰撞速度为56km/h。在HyperMesh中设置整车的初速度利用Load Collectors按钮，其工作界面如图23所示。

在card image中选择initialVel，输入初速度名称，单击右侧的create/edit按钮，创建并打开初速度关键字菜单，如图24所示。

2.3.2 设置重力加速度

通过HyperMesh中的Tools菜单，选择creat cards选项，选取*DEFINE_CURVE打开Curve editor定义曲线的界面，如图25所示。在此界面中，单击New建立新的重力加速度曲线，分别在X和Y的下方填写X轴和Y轴的坐标值，从而完成加速度曲线的定义。

2.3.3 设置时长

碰撞模拟的时间长度通过Hyper Mesh中的Tools菜单，选择creat cards选项，选取关键字为*CONTROL_TERMINATION，打开关键字菜单，如图26所示。在该次碰撞仿真中，设置仿真时长为150ms。

3 前纵梁变形分析

递交LSDYNA 软件进行计算得到仿真结果。利用HyperView查看分析结果得到前纵梁在0～150 ms之内的变形过程如图31所示。

由图31（a）碰撞初始时刻、（b）t=10s 时变形图、（c）t=20s时变形图、（d）t=30s时变形图、（e）t=40s时变形图可知：前纵梁的变形并不理想、吸收能量的效果比较差。前纵梁沿轴线产生了一定的扭曲。t=10s 时前纵梁只产生了微笑的变形，然后在t=20ms前就开始塌陷，应力集中于纵梁前部。待20s后前纵梁就发生了十分明显的弯曲变形。从图中可看出前纵梁的尾部呈下弯趋势，且比较严重。这样的弯曲变形导致了前纵梁接受力的能力变差，并不能充分地去吸收碰撞的力。由于前纵梁的失效使得它不能吸收的力传递到乘员舱，使乘员舱变形加大，没有保证乘员舱的完整性，造成的后果就是对乘员造成了极大的伤害，乘员被困，甚至威胁到乘员的生命安全。

如图32所示，前纵梁尾端节点最大位移约为450mm左右，这样的位移结果可以看出前纵梁的弯曲变形是比较大的。

4 总结

通过对前纵梁变形和入侵量的分析可知，汽车在碰撞刚性故障壁时，首先受到碰撞的是保险杠，但保险杠的抵抗能力有限，很快就会崩溃，所以接下来的前纵梁就会继续接受碰撞的力，所以前纵梁能否接受这样的撞击力，不产生弯曲这样的失效变形就变得尤为重要。使用有限元仿真方法对汽车前纵梁进行了正面碰撞模拟仿真计算，对计算结果中的前纵梁变形图、前纵梁入侵量曲线进行分析，进而对前纵梁的安全性与重要性做出了评价与分析。

参考文献：

[1]王东海，郭超.依维柯车身正面碰撞仿真研究[J].信息化调查，2013.3.24.

[2]田国富，杨成国.汽车前纵梁正面碰撞仿真分析研究[J].机械工程师，2017.11.10.

[3]黄峥.某轿车侧面碰撞安全性能优化改进研究[D].安徽农业大学，2012.

作者简介：王丽萍（1987），女，黑龙江齐齐哈尔人，硕士，研究方向为载运工具运用工程。