基于LS-DYNA的房车碰撞分析及额头结构优化

朱凤磊， 郭世永， 魏 龙， 李宇吉

(1.石河子大学机械电气工程学院，新疆 石河子 832003；2.青岛理工大学机械与汽车工程学院，山东 青岛 266520)

步入新时代，随着我国经济的快速发展，间接促进了我国的汽车行业的飞速发展，人民对美好生活的需要日益增长已经成为新时代的重要特征和内在动力[1]。且我国在2020年底实现了全面脱贫的历史性进步，社会的发展已经满足了人民的物质需求，人们开始寻求美好的生活。驾驶家用车出游已成为我国人们探索体验美好生活的一大途径，于是旅居房车的数量开始如雨后春笋般递增。旅居房车的数量开始增多，随之而来的旅居房车的安全问题也受到了大众的广泛关注。因此，关于旅居房车的碰撞安全问题也开始受到科研人员的关注，并逐渐对其进行相关的研究[2]。

对于我国自主研发的汽车来说，汽车整体的安全性能问题成为其主要问题[3]。由于我们国家在整车安全性能的研究上相较于欧美国家起步比较晚，缺乏相应的技术与经验，尤其我国自主品牌在碰撞安全方面的研发能力仍和发达国家有很大的差距[4]。由于实车碰撞研发周期长，而整车碰撞仿真分析不但可以缩短研发周期，而且仿真分析结果和实车碰撞试验结果基本一致，除此之外更可以降低研发的费用，故整车碰撞仿真分析是车企努力发展的方向。车辆碰撞分析模型的准确性具有关键的影响，因为这可以影响新款式车辆研发开发进行碰撞试验的次数[5]。旅居房车安全性能进行碰撞仿真研究，提升我国旅居房车的安全性能，减少在交通事故中伤亡的人数，在构建和谐汽车社会层次上来说，意义也非常重大，值得进一步研究[6]。

1 动态显式非线性有限元理论

对旅居房车安全性能进行碰撞仿真研究，需要了解有限元法的基本概念。有限元法是一种可以通过有限的网格单元进行模拟计算物体在受力情况下所产生的应力应变[7]，它分为三个阶段：前处理、模型文件求解和后处理。导入几何模型并进行清理，建立相对应的单元类型，建立几何及单元集并施加载荷和边界条件，最后定义控制卡片，在相关软件中导出后就可以获得求解文件[8]。解决车辆碰撞问题主要建立在机械工程控制与力学基础上，采用一般方法解决碰撞非线性问题比较困难。然而，随着有限元相关理论的发展和仿真软件的进步成熟，通过结合可以较为准确模拟旅居房车碰撞仿真过程，可以方便的查看碰撞后能量、应变、应力等变化，这是实车碰撞所难以实现的[9]。

2 旅居房车有限元模型的建立

2.1 车厢有限元模型的建立

打开HyperMesh软件，在配置框中选择LS-DYNA，旅居房车有限元模型搭建工作的第一步，是导入在SolidWorks软件中三维建模所建立几何模型。在HyperMesh软件中点击File-import-Geometry，在file type选项中选择IGS，其他选项可以默认不用更改，点击import，将IGS格式的文件导入HyperMesh中，车厢有限元模型如图1所示。

图1 车厢有限元模型

在HyperMesh中对房车车厢的参数按照钢的相关参数如密度、弹性模量、泊松比、屈服强度、应力应变曲线(动态应力应变曲线)进行设置[10]，查阅钢的相关材料参数，HyperMesh中选择MAT24号材料，将表1中钢的相关材料参数输入到该材料模型下，旅居房车车厢的材料参数见表1。

表1 旅居房车车厢的材料参数

2.2 底盘零部件有限元模型的搭建

底盘零部件主要包括横纵梁、车架、驾驶室、车门、发动机、轮胎等零主要部件，部件所采用的材料均可通过相关硕士论文查询得到。旅居房车底盘的材料参数见表2。其他如刹车片、左右摆臂等零部件，均采用Q235材质[11]。

表2 旅居房车底盘的材料参数

选择恰当的单元不但可以提高仿真结果的准确性，还可以缩短计算时间而且还能够提高仿真结果精度[12]。Shells常用于一些具有薄壁特征的例如车身、钣金件等零部件。搭建底盘零部件有限元模型时，主要有横纵梁、车架、驾驶室、车门等，所以大部分的零部件均采用Shells单元。Solids单元常用于一些内部为实体的零部件，如铸造件、锻造件等，所以本次设计中的发动机即利用Solids单元划分而成[13]。搭建起来的旅居房车驱动系统有限元模型如图2所示，驱动系统有限元模型包含6 616个节点与6 300个网格单元。房车底盘有限元模型装配完成后，还需要把旅居房车的车厢固定到底盘上，使底盘拖着旅居房车的车厢运动，需要通过焊接命令使车厢固定到底盘上，可通过mesh-create-1delement-rigids创建绿线样式的焊接。旅居房车有限元模型如图3所示。至此，房车底盘有限元模型包含了10 309个节点，9 957个单元个数。

图2 旅居房车驱动系统有限元模型

图3 旅居房车有限元模型

3 旅居房车碰撞结果及后处理

为了进一步验证仿真结果的真实性与合理性，本次设计从网络上寻找旅居房车的碰撞测试相关视频资料进行对比。旅居房车正面碰撞的起始点如图4(a)。模拟时间为160 ms，仿真过程取三个关键性时刻与旅居房车实车碰撞的视频进行对比分析，包括旅居房车接触刚性墙时刻；图4(b)车厢开始发生断裂时刻；图4(c)车厢已经断裂时刻，如图所示，模拟时间为8 ms。图4为旅居房车在45 ms、90 ms、160 ms时旅居房车车厢的时刻状态以及时刻应力图。

图4(a)表示旅居房车在25 ms接触刚性墙时刻，由旅居房车的有限元模型应力图可知，旅居房车的防撞梁已经因碰撞力产生了较大的变形，车盖也因为受到了碰撞力从而产生了向上的弯曲变形，如图4(a)右侧图所示。图4(b)表示碰撞进行到90 ms时刻，此时发动机室完全压溃，车顶盖业已完全卷曲，车轮与保险杠等零部件发生了接触，而且由旅居房车的有限元模型应力图可知，旅居房车的车厢已经因碰撞力产生了较大的应变，应力图出现红色，车厢开始出现裂痕，与实车碰撞视频中旅居房车表现出来的结果相同。图4(c)表示车厢已经断裂时刻，由旅居房车的有限元模型应力图可知，旅居房车的车厢已经因碰撞力产生了更大的应变，应力图出现红色，车厢与额头连接处不堪重负，如右图所示，实车碰撞中旅居房车的车厢裂痕加大，车厢也因为惯性力作用产生车厢整体上移。

图4 旅居房车车厢时刻应力图

综上所述，由图4可知，本次设计所搭建的旅居房车有限元模型碰撞仿真的四个关键性时刻与旅居房车实车碰撞的视频的对比图相似度较高，说明该仿真结果与旅居房车的碰撞事故案例吻合较好，同时也说明了本文建立的旅居房车有限元模型的有效性。

4 额头结构优化建模及后处理

4.1 优化额头建模

为了更好的进行优化车厢建模，本次设计还需要进一步了解旅居房车的具体构成与装配工艺，故对春田房车有限公司进行了调研，观看旅居房车的生产工序，并与春田房车公司工程师进行交流。发现旅居房车的额头模具垂直部分的位置存在尖角，房车公司的调研与额头模具如图5所示。说明此处车厢与额头位置的连接位置的设计不合理，需要对其车厢与额头位置的连接位置进行重新设计，这也是为什么车厢有两个部分应力集中的原因。

图5 房车公司的调研与额头模具

应力集中不可避免，其中机械设计的主流做法是通过优化结构减小应力集中。例如圆弧过渡，用大孔代替小孔等[14]。为避免应力集中造成构件破坏，还可以作喷丸、辊压、氧化等加工工艺上的技术处理，由于本文主要分析车厢的受力情况，对车厢结构进行设计，所以材料与工艺方面暂不考虑。为了避免车厢与额头连接处受力过大产生撕裂现象，本次设计对额头垂直部分的应力集中位置采用消除尖角、优化构件外形的方法，拟采用加肋板与添加过渡圆角操作，使碰撞带来的惯性力平滑过渡，均匀施加载荷，优化方案图如图6所示。

图6 优化方案图

4.2 优化额头碰撞仿真验证

为了验证本次设计的合理性，对优化后的车厢重新装配到同一底盘有限元模型上，并且保持相同的连接关系进行碰撞仿真验证，控制变量的唯一[15]。Ls-Dyna仿真中定义旅居房车的X-Velocity为13 889 mm/s。仿真过程取三个关键性时刻与未优化的车厢碰撞仿真应力图进行对比分析。旅居房车在70 ms、100 ms、160 ms时旅居房车车厢的时刻状态以及时刻应力图如图7所示。

图7 旅居房车车厢时刻应力图

图7(a)表示70 ms车厢与额头连接处受力时刻，由左图可知，添加的过渡圆角使碰撞带来的惯性力平滑过渡，应力效果明显变好。图7(b)表示100 ms发动机室完全压溃时刻，左右图对比可知，在发动机室完全压溃时，旅居房车优化后的车厢在额头连接处应力云图明显比未优化后的好很多。图7(c)表示160 ms车厢发生断裂时刻，右图未优化的车厢应力云图已经出现明显的红色，表示超过了塑性应变，左图优化后的车厢在右图应力集中的表现则更加优异，未出现明显的红色应力集中点。

为了更好的体现优化后的车厢能够提高旅居房车车厢的碰撞可靠性，使结果更具可视性，在旅居房车的车厢上选取三个应力较大位置的点进行应力曲线的输出，旅居房车车厢时刻应力曲线如图8所示。由图8可以发现，优化后该三个点的时刻应力曲线数值均低于未优化后的车厢应力，优化后微旅居房车车厢有限元模型在发生碰撞时在额头连接处受力的最大值为183.9 N，相对于原方案的在额头连接处受力最大值302.5 N 减少了118.6 N，提高了车厢的碰撞安全性，说明本次设计的优化方案能够更好地防止旅居房车车厢材料在超过塑性应变产生的撕裂现象。

图8 旅居房车车厢时刻应力曲线

综上所述，由图7、图8可知，本次对额头垂直部分的应力集中位置采用加肋板与添加过渡圆角操作的优化车厢设计，消除了尖角、改善了构件外形，使碰撞带来的惯性力平滑过渡，有效的避免了车厢在旅居房车发生碰撞时因材料超过塑性应变产生的撕裂现象[16-17]。优化后的最大应力值未超过旅居房车车厢材料因塑性应变产生撕裂现象的下许用应力，因此优化设计符合预期要求，在一定程度上能够提高旅居房车车厢的碰撞可靠性。

5 结论

有限元技术广泛应用于包括房车在内的各种汽车碰撞安全方面的研究。然而，汽车整体有限元模型中包含大量网格使得计算时间非常长。所以，对旅居房车有限元模型进行简化，得到一个旅居房车简化的有限元模型。减少旅居房车碰撞仿真的计算时间是非常必要的[18-19]。做碰撞仿真分析时，能够在合理的时间内得到计算答案，更加高效地处理诸如整车碰撞模型之类的复杂模型，是值得研究的。本次设计所得到的结论主要如下：

(1)本次毕业设计建立了旅居房车碰撞仿真的有限元模型。该有限元模型能够比较准确地模拟旅居房车在发生碰撞时所体现的特性。

(2)模型验证参考了旅居房车的实车碰撞案例，对比分析旅居房车在发生碰撞过程中车厢额头部分断裂的现象，以及旅居房车碰撞过程中关键时刻对比图，得出该旅居房车有限元模型与实际碰撞情况吻合较好，具有一定的可靠性。

(3)本文分析结果为将来国家政府制定旅居房车车厢的相关标准提供了理论分析依据。同时为生产旅居房车的相关企业提供相关的生产依据，尤其是生产旅居房车的车厢提供重要的参考。

(4)本研究也存在一定的局限性。限于客观条件的影响，本文仅有旅居房车的仿真分析模拟，若增加旅居房车的实车碰撞试验则可以验证仿真分析结果准确性，数据将更加客观可靠。

由于旅居房车结构的复杂性，在发生碰撞中相关零部件之间的连接关系非常复杂。后期仍需要不断开展学习与研究，提高有限元模型的应用性与准确性。