连续加载变形CAE技术在商用车后下防护中的应用

张新华 ， 徐 莉 ， 徐鸣涛 ， 李文凤

（江铃汽车股份有限公司，江西 南昌 330100）

各种重/轻型商用卡车占领了中端物流的主导地位，为了尽可能降低复杂环境下发生交通事故的概率，后防护装置可以很好避免乘用车追尾商用车造成的重大损失。据调查[1]，追尾事故在交通事故中发生的频率仅次于正面碰撞与侧面碰撞，在追尾事故中伤亡率较高的为乘用车与商用车之间的追尾碰撞。研究小组结合实际交通事故追尾碰撞情况和国家法规标准GB 11567－2017《汽车及挂车侧面和后下部防护要求》[2]，对某商用车后下防护装置在碰撞过程中的侵入量进行分析和研究。值得注意的是，GB 11567－2017附录B3.3.1明确强调，试验顺次进行三点加载、两点加载；在试验过程中，使用同一试验样品。本文提出的连续加载变形CAE技术，就是在后下防护安全性CAE分析中，将变形后的P1模型作为P2模型的基础，依此类推，最后获得3个加载点的位移分析数据。这种处理方式更加接近法规中规定的要求。

1 连续加载变形方法

本文所述的连续加载变形方法，首先要基于商用车后下防护的基础设计。获得商用车后下防护的基础CAD设计数据及其对应的BOM信息后，有两项工作需要在CAE分析之前完成：1）对CAD数据进行网格构建；2）根据BOM信息完成后防护所有子零件的材料力学性能测试。网格构建和材料卡标定的关键事项将在本文第4部分详细描述。

图1所示为连续加载变形方法流程图，由图可以看出，P1变形后模型作为P2加载CAE分析模型的基础是本文关键所在，此时，P2模型在加载之前，后防护本体及其支架自身已经产生残余应力和应变，也就是说，连续加载变形方法与法规规定的使用同一试验样品无限接近。连续加载变形方法对于P2点更加恶劣，CAE计算出来的结果也将更接近真实物理试验。

图1 连续加载变形方法流程图

在P1点加载CAE分析结果满足法规要求后，才能进行P2点的有限元模型设置和CAE分析，如果P1点加载失效，则需要重新回到设计方案，对其进行方案修改和优化，优化后的方案网格重构后，继续对P1加载CAE分析。

P2模型接到P1变形后的输入，保留P1变形的残余应力应变，在CAE前处理软件中参照法规进行边界约束和加载，经过LS-DYNA求解后获得P2加载位移，P2加载位移满足法规要求后，依此类推继续P3加载CAE分析，过程中有任何一个加载点的位移不满足法规要求，都要重新回到后防护设计方案，直至所有加载点的位移满足法规要求。此时，后防护的方案方可被认为是符合设计要求的。

2 确认加载点和加载力

根据GB 11567－2017要求，如果后下部防护装置以车辆纵向中心平面为轴对称，则两点加载和三点加载的两端加载点可以只测试左右两侧中的一个点，此时两点加载、三点加载的加载点应位于同一侧[2]。本文所研究的商用车后下防护装置符合上述法规要求，在静态加载试验时只对同一侧的3个点进行静态加载试验。

2.1 加载位置

静态加载试验分为两点加载和三点加载。两点加载时，两个作用点之间的距离在700 mm ~1 000 mm之间，两个作用点相对于后下部防护装置纵向中心线或车辆纵向中心线对称，加载点位置如图2中P2 点所示。三点加载时，左右两边外侧两个作用点，分别距离车辆后轴车轮最外端300 mm±25 mm；第三个作用点位于上述两点连线之间、并且处于车辆中心垂直平面上。加载点位置如图2 中P1点、P3 点所示。根据法规要求，加载点的位置由制造商在最初设计时给定，本文所研究的商用车，其后下防护离地高度为450 mm，在整车坐标系下，后下防护的X向坐标为4 550，其后轴轮胎最外端横向水平距离为1 958 mm。因此，可给定左侧点P1、P2、P3 的位置坐标分别为（4 550，-704，450）、（4 550，-500，450）、（4 550，0，450） 。

图2 P1/P2/P3加载位置示意图

2.2 加载载荷

按照法规要求，两点加载时，P2加载相当于车辆最大设计总重力的50%的水平载荷，但不超过100 kN。三点加载时，P1/P3加载相当于车辆最大设计总重力25%的水平载荷，但不超过50 kN[2]。由此可知，加载载荷与车辆的设计总质量关系密切。

在确认加载载荷之前，有必要整理一张如表1所述的商用车车辆信息配置表。经过理论计算，可得到如表2所述的加载位置和加载力。

表1 某商用车车辆信息配置表

表2 加载位置和加载载荷矩阵表

如表2所述，安全系数指的是在CAE仿真技术中的计算余量，一般定义在1.05~1.0之间，定义了安全系数，CAE分析结果合格的情况下，实物试验时出现失误的可能性会非常小。表2还给出了最大允许变形量，这是连续加载变形CAE技术分析结果的一个评判标准，按照规定的载荷加载，后防护本体的位移量不超过311.4 mm，方可认为CAE分析结果是合格的。

3 CAE模型简要说明

目前，建立商用车后防护这种零部件级的有限元模型及其分析技术已经非常成熟[3-4]。本文所述的后防护结构CAD数据由设计部门提供，后防护结构CAD数据示意图如图3所示。

图3 后防护结构CAD数据示意图

在网格构建之前，需要根据材料信息来确定网格类型。这是因为如果是一般钢材，按照一定精细化要求，使用Shell类型网格对数据进行划分，计算后的应力应变图基本能真实反映后防护的变形情况，钢材在试验加载受力后的应力集中位置相对明确，只要在CAE分析中的定义准确，计算后的结果与试验吻合度可高达95%以上。如果是复合材料[5]，情况相对复杂，复合材料由于材料本构模型自身的各向异性，试验加载受力后的失效位置和形态并不完全一致。因此，需要在CAE中使用Solid类型来划分网格单元，并根据其内部纤维的各向异性排布定义不同的Solid材料和属性，这样计算出来的失效位置和形态才具有代表性。

本文所述的法规工况属于准静态范畴，虽然没有汽车碰撞高速动态情况复杂，但在CAE分析之前，后防护材料卡的标定仍然至关重要。这是因为在CAE中最后判定零部件是否失效无非是最大应力值、最大应变值和延伸率这三个指标，而这三个指标的来源就是材料本构。材料的LS-DYNA卡片标定可以通过单向拉伸试验、剪切试验和十字拉伸试验等方式获得原始材料力学性能曲线，经过一系列转换和处理之后，可以生成LS-DYNA计算所需要的后防护材料key文件。

4 CAE分析及优化设计

4.1 基础设计方案仿真分析

根据本文第3部分所述的加载位置和加载载荷，在CAE分析前处理软件中，对构建好了网格的模型进行处理，设置加载边界、约束条件、初始状态等参数。提交给LS-DYNA软件进行计算，图4~图6是P1、P2、P3这三个点的计算结果。

图4 P1点应力云图（左）、应变云图（中）、位移云图（右）

图6 P3点应力云图（左）、应变云图（中）、位移云图（右）

其中，P2点由于防护支架破坏失效，只能读取应力云图，其应变云图和位移云图已经失去意义。根据上述云图可知，后防护结构基础设计方案在P2点加载时失效，不符合设计要求。总体结果如表3所述。

表3 后防护基础设计方案CAE分析结果

4.2 优化方案仿真分析

针对上述不合格的设计方案，结合图5所示的应力云图，不难发现，后防护支架在受力方向上呈单一片状结构，加载方向稍微变化，支架就容易发生扭转，而单一片状结构其抗弯扭能力是非常弱的。参考一些其他的公开设计方案[6-7]，本文提出加强后防护支架刚度及其与后防护本体的连接强度优化方案。出于数据保密的要求，本文不对优化后的方案数据做展示。优化后P2点的计算结果如图7和表4所示。

图5 P2点应力云图

图7 优化后P2点应力云图（左）、应变云图（中）、位移云图（右）

表4 后防护优化设计方案CAE分析结果

5 结论

1）采用连续加载变形方法进行商用车后下防护CAE分析，与实际物理试验的情况最为接近，可以真实地反映后下防护加载后的变形和失效情况。

2）采用连续加载变形方法，最关键的是将P1点变形后的模型作为P2点的基础，此时，P2模型已经包含了残余应力应变值。

3）采用连续加载变形方法，直到全部P1、P2、P3点都满足要求，方可确认后下防护的设计方案是可靠的。

4）经过优化设计方案后，P2点加载可以满足法规要求，同时对于P1、P3点，其最大应力、最大应变和位移量有细微变化，这些变化量均在合理的数值误差范围之内。