某乘用车的车身正面碰撞性能仿真分析

贺路　张琰

中图分类号：U467.14 文献标识码：A

0引言

在正面碰撞研究中，重点考虑的是发动机舱和乘员舱的结构变化。根据车辆碰撞安全性规则，正面碰撞中最好的碰撞结果，是通过发动机舱发生变形来吸收来自碰撞中产生的动能，发动机舱吸能值要超过总能的50%。同时要尽量减少乘员舱的变形，如果在碰撞中对驾乘人员的空间侵入量过大，会对驾乘人员的生存空间造成严重影响，进而威胁到驾乘人员的人生安全。正面刚性壁碰撞中对车辆安全性能的分析，通常会从汽车保险杠的变形分析、汽车前围板的变形分析、汽车前纵梁的变形分析以及A柱在碰撞中变形分析入手。

1正面碰撞模型的建立

建立车辆有限元模型之前，一般会将车辆的三维模型进行预处理，将部分结构进行简化，例如省略一些诸如雨刮器、后视镜等汽车辅助零件，删除一些倒角、倒圆的几何特征。其次，对碰撞后变形较小的零件进行材料上的简化处理。接着把简化处理后的整车几何模型导入Hypermesh软件中，然后根据汽车真实情况分别设置各构件之间的连接方式等参数，对碰撞进行接触设置，对运算结果进行输出控制等。然后利用LS-DYNA求解器对提交过来的最后生成的K文件进行求解处理，再利用Hyperview中读取求解后的文件，以此来获得数据的图像和曲线。最后，利用Hyperview查看仿真结果并针对该次结果进行有关的分析。碰撞模型的建立如图1所示。

2部分结构变形结果分析

2.1A柱变形分析

在正面碰撞中，发动机舱的动能会通过A柱进行传递，继而造成车身变形。因此A柱会更容易发生变形，此变形形式以折弯为主。这样的变形会使驾驶舱内的乘客受伤概率增加、受伤程度加重。同时A柱变形过大的话，会造成驾乘人员无法打开车门逃生或由于腿部挤压无法离开事故现场的情况。因此从保护驾乘人员生命安全的角度出发，对A柱进行折弯变形分析意义重大。图2所示为A柱变形后折弯角度测量图，选取A柱上3个点，可以测量其角度变化。

利用HyperView得到A柱折弯角度变化曲线（图3），从曲线中可以看出，折弯角度的变化整体呈现上升趋势。测量角度初始数值约为169.0°，碰撞中0.11s时折弯角度达到最大值175.5°，随后A柱发生弹性形变产生一定程度的回弹，回弹后最终角度约为175.2°。对比碰撞前后状态，A柱所测角度最终变化量约为6.2°。结果显示A柱的折弯变形角度变化不大，对驾乘人员的生存空间保护作用明显。

2.2前保险杠变形分析

保險杠作为在正面碰撞中汽车最先接触到刚性墙的部分，它的变形对于缓冲和吸能都会起到作用，是车辆被动安全的第一道门。保险杠吸能效果对于车辆的行驶安全起到了重要作用。在正面碰撞中，保险杠基本呈现出被挤压破损或者完全压溃的状态。图4所示为碰撞前后保险杠的位移云图，对图示可以看出，前端区域变形区成环状均匀分布。从变形效果看，保险杠处于被压溃缩的状态，说明在碰撞中对能量的吸收非常充分，保险杠的正面碰撞安全性能良好。

2.3前纵梁变形分析

前纵梁在车辆正面碰撞时的主要动能吸收部件中扮演着重要角色，尤其是行驶速度比较高时，前纵梁的作用更加明显。在车身前部的吸能结构中，当车辆发生正面碰撞时，保险杠总成被压溃失效之后，前纵梁是通过发生塑性变形来吸收碰撞动能的第二个部件。前纵梁最佳的变形吸能模式是发生褶皱变形，这样可以通过最小的变形量吸收更多的碰撞能量。通过前纵梁的变形情况，可以较好地分析出车辆碰撞时的被动安全状态。通过设置对应参考点，可以得出前纵梁位移云图（图5）。

图5中左侧部分为前纵梁诱导槽段，此部分通常被设计成吸收第一波较大能量的主要区域，该部分压溃严重，变形量在330.0～430.0mm。在前纵梁的诱导槽部分，主要发生的都是褶皱变形，说明此部分在前纵梁吸能过程中作用良好。中段位置的变形以折弯为主，未见明显压溃现象。折弯变形在碰撞中会产生较大的入侵量，而且这种变形对于能量吸收效果较差，不利于对其后面驾驶舱的空间保护。该段部分的变形形式可以在后期的设计中进行改善，减少折弯变形。

2.4前围板变形分析

在汽车碰撞中，驾驶员的生存空间保障非常重要。其中腿部生存空间的多少决定了驾驶员在碰撞之后，能否及时被救出或安全离开事故车辆避免二次伤害。在正面碰撞中，车辆发动机舱的零件都会向后移动，进而导致前围板向后发生变形，威胁到驾乘人员空间特别是腿部的生存空间，带来安全隐患。因此在汽车车身碰撞性能的研究中，需要对前围板的变形量进行分析，而前围板的侵入量需要小于150.0mm，才能满足碰撞规则中对于腿部伤害的要求口]。最终的碰撞后前围板的位移云图如图6所示。

通过位移云图可以看出，整个前围板的变形量呈环形分布，从内向外的变形量逐渐增加。造成该现象的原因则是，汽车发动机舱的零部件在碰撞中整体后移，对前围板产生了挤压作用，尤其是整体刚性较大的发动机和变速器部分，挤压效果更为明显。所以前围板中对应该部分的区域受挤变形量较大。变形量最大的红色区域中，最大位移值为142.7mm，小于碰撞规则中对于腿部入侵量应小于150.0mm的要求。因此在该次碰撞仿真中，前围板可以起到对前排驾乘人员腿部空间的保护作用，展现了良好的结构件碰撞性能。

3仿真变形结果对比分析

针对本车型的仿真结果与执行同样碰撞标准的同车型实车碰撞试验结果进行比对。通过对碰撞试验车发动机舱内部和对应底盘部分观察，可以看出发动机缸盖罩和油底壳部分依然保持完好（图了）。发动机舱内零部件位置与正常发动机舱内布置相比，可以看出发动机舱内各部件间的间隙完全被压缩，刚度较小的部分，如水箱、冷凝器等部件产生较大挤压变形，动力总成部分向后发生一定位移。发动机与防撞横梁的距离以及与前围板的距离，在碰撞后几乎全部被压缩消失。动力总成部分在碰撞后自身没有形变，但是受到前段零部件挤压，发生一定倾斜并整体后移，对前围板造成了一定的挤压效果。这一表现与碰撞试验表现较一致。

4结束语

总体而言，本款汽车在正面碰撞中具有较好的碰撞性能，在车辆发生碰撞事故时可以对驾乘人员起到较好安全保护的作用。汽车车身碰撞性能研究是一项耗时长、系统性强并要求细致的工程，主要涉及的都是一些非线性大位移变形。车辆本身包含很多零部件，本文主要针对在100%正面碰撞过程中A柱的变化、保险杠的变化以及前纵梁的变化进行分析，对很多其他重要零部件和重要结构变形和数据变化的研究分析，都具有一定的借鉴意义。

作者简介：

贺路，硕士，讲师，研究方向为机械工程。

张琰，本科，助教，研究方向为控制工程。