车身碰撞安全的若干关键技术

保振安 靳育平

1.上汽通用五菱汽车股份有限公司 广西柳州市 545007 2.柳州五菱汽车工业有限公司 广西柳州市 545007

1 引言

考虑到我国汽车工业技术及社会发展趋势，汽车交通事故在短期内依旧无法完全避免，甚至会出现一定程度的增加趋势，因此，为了进一步提升我国的道路交通安全防控能力，提升对交通事故的可控性，必须加大对汽车安全性的研究，最大程度降低交通安全事故给人民群众来的的生命财产损失。在具体的汽车安全性研究领域中，汽车碰撞实验是研究汽车安全性能必不可少的内容之一，通过碰撞实验能够客观、真实的获取车辆在真实碰撞条件下的变形抵抗能力，从而客观评定车辆的安全性。不论是哪家汽车生产厂商，在研发出一款新车型后，势必会进行全面的车辆碰撞实验，获取车辆抵抗碰撞变形的能力，从而全面评估车辆安全性能。

2 关于车辆碰撞问题的整车碰撞模型仿真技术分析

2.1 关于车辆碰撞问题的仿真模型有限元分析基本流程

在车辆碰撞实验过程中，为了降低实验的投入，实现碰撞实验的精准性，提升实验效率，在具体的车辆碰撞实验前，可以考虑建立有限元模型进行仿真分析，获取碰撞理论值，再将理论值与实验值进行比对，提升实验值的可参考性。在具体的碰撞模型建立过程中，应该遵循以下基本建模流程：第一，先对拟研究对象建立一定比例的缩尺模型，在缩尺过程中必须考虑缩尺后的力学参数的相应削减系数，在建立几何模型的过程中，可以选用CAD软件建立；第二，为了实现模型的有限元分析，必须将几何模型转变为有限元模型，为了实现模型的迁移，必须先将CAD格式的文件转变为igs格式，并将文件导入ANSYS有限元分许软件中；第三，对几何模型划分节点和单元，将几何模型转化为有限元模型，实现网格划分；第四，对模型中各部分赋予真实的力学属性和参数，并施加相应的荷载及边界条件，编写相应的碰撞命令流，运行程序，有限元计算完毕后，进入软件后处理模块，提取碰撞后车体相应的应力、应变分布云图和相应数据，通过分析运算结果和相应云图判定车辆的碰撞情况。

2.2 关于车辆碰撞有限元模型建立的关键问题分析

在车体碰撞过程中，由于剧烈膨胀因素影响，此过程发生的碰撞行为属于大变形动力学过程，由于材料出现大变形，在具体分析中就无法回避运算过程中出现的几何非线性、材料非线性及较为复杂的单元接触问题，由于运算过程涉及到较为明显的非线性，在运算过程中很容易出现运算不收敛问题。因此，为了提升运算的效率和精确性，增加运算收敛的可能性，可以考虑对单元网格进行动态调整，优化各材料的本构关系，尤其是材料在非线性阶段的本构关系。此外，应该选取合理的接触单元，保证接触单元在运算过程中不会出现大变形和单元畸变问题。比如，在分析过程中，汽车的前保险杠部分一般选用铝合金制成，纵梁材质为高强度钢，在具体分析过程中，保险杠和纵梁的接触不能简单选定为绑定，可以添加接触单元模拟纵梁和保险杠之间的连接，从而提升分析的可行性和精确性。

2.3 关于车辆正面碰撞问题分析

关于车辆正面碰撞过程中的能量分析，车辆碰撞从能量角度分析属于能量典型的能量转化过程，为了提升材料的抵抗碰撞能力，可以考虑加强车辆的吸能能力，实现短时间内的能量快速消解，能量吸收可以通过塑性变形来吸收，塑性变形吸收能量可以从碰撞速度方面分配，实现结构的稳定性，能够将能量快速从车头扩散到整车。关于车辆正面碰撞的能量变化曲线分析，在具体的碰撞过程中，车辆的总能量保持不变，伴随车辆突然出现刚性碰撞开始，车身出现局部碰撞大变形，在大变形过程中吸收能力，增加车辆内能，伴随车辆变形的增加，内能呈现非线性增加形式，动能一部分转化为内能，总动能降低，所以在碰撞过程中会出现部分能量耗损的现象。关于车辆的正面碰撞加速分析，在车辆碰撞阶段，车体前半部分是主要的变形部位，车辆B柱以后变形较小。因此，在采集车辆碰撞过程中的加速度值时，可以将传感器安装在支撑B柱下方。

3 关于车辆碰撞过程中的侧面碰撞有限元分析

3.1 关于车辆侧面碰撞过程中的有限元分析模型建立

在具体的车辆侧面碰撞分析过程中，同正面碰撞一致，参照上述流程建立具体的有限元分析模型，并将车辆的几何模型导入到ANSYS有限元计算软件中，并将分析对象的各参数赋予模型中。在具体分析前，编写相应的命令流实现车辆之间的侧面碰撞，在选定具体的侧面碰撞位置时，可以考虑将碰撞点选在前排副驾驶位置的R点位置，上下误差不超过20cm。

3.2 关于车辆侧面碰撞的有限元计算结果分析

关于车辆侧面碰撞的计算结果分析，在有限元计算软件中，车辆侧面碰撞设定的碰撞仿真计算时间为100毫秒，在整个有限元模拟分析阶段，为了保证分析的可视性，通过编写命令流显示全程动画过程，若在输出时间点得到的图像越多，在动画中就越能反馈出车辆侧面碰撞过程中的真实情况。有限元分析过程完毕后，可以获取具体的车辆车身变形情况，在获取的最后一步计算步完成后的变形云图中选取车身变形最严重的侧面进行详细分析，车辆侧面在受到对象车辆的撞击下，将发生较为严重的变形，此种变形可以归结为大变形问题，且部分衔接位置将出现明显的褶皱，通过分析变形云图可以发现，在车辆B柱的上部出现两种褶皱变形，且伴有一定程度的屈曲问题，屈曲位置有出现瞬间脆断的趋势。与100%正面刚性壁障不同，侧碰移动壁障前端是可变形的碰撞块，其刚度根据大量的侧面碰撞交通事故提出的，代表乘用车汽车前端的平均刚度，为了便于比较和评价不同车型侧面结构对乘员保护的能力，故采用同一标准的变形壁障。因此在侧面碰撞中移动壁障作为变形吸能的一部分，对结果具有很大的影响。

此外，为了提高有限元模拟计算的准确性和计算效率，建议在既有模型的基础上进一步改进模型。考虑到在碰撞模拟结果中发现车辆B柱位置的上部出现了较为严重的屈曲问题，且随时有断裂的可能性，可以考虑在该处增加结构强度，加厚柱厚度，为了降低加固成本，可以选用屈服强度为300Mpa左右的钢板，与B柱贴合，该加固操作简便，且易于实现。关于车辆碰撞的安全性能评估分析，在具体的车辆碰撞实验过程中，尤其是在侧面碰撞过程中，为了模拟人员在车辆内部出现的伤害，可以选用假人实验，通过分析实验完成后假人的伤害程度可以间接反应车辆的抵抗碰撞能力。假人在反应车辆安全性能方面主要体现在假人头部、假人胸部及假人的下腹部和骨盆及股骨位置。通常情况下，经过大量实验研究发现，假人碰撞实验后的伤害情况一般反映在假人胸部、下腹部和骨盆位置，在实验中发现，假人头部受伤的指标远低于其他部位，故此次实验不考虑头部受伤问题。实验研究表明，侧向碰撞后，假人在上述三个位置均出现伤害情况，其中下腹部和骨盆的伤害程度最大。

4 结语

伴随车辆保有量的进一步增加，车辆交通事故出现的频率快速上升，交通安全日益被关注，道路交通事故已经成为世界性的一大社会难题。在汽车交通事故中，正面碰撞发生的几率最大，约占汽车碰撞的40%。本文研究整车碰撞和整车侧面碰撞，希望对提高汽车安全性能有所帮助。