赵幼平刘道勇李谨宁
东风汽车有限公司商用车研发中心
商用车后下部防护装置碰撞的计算机仿真Impact Simulation of Rear Defend Device of
Commercial Vehicle
赵幼平刘道勇李谨宁
(东风汽车有限公司商用车研发中心)
摘要: 本文建立商用车后下部防护装置有限元模型，应用LS-DYNA软件进行碰撞仿真分析，通过多种结构方案的碰撞仿真对比分析，提出了较优的、能够满足国家法规要求的后防护装置设计方案，对结构设计改进、减少和避免碰撞时对追尾车辆上乘员的伤害具有重要的指导意义。
进一步的，用轿车有限元模型代替移动壁障模型进行了后防护装置碰撞模拟分析，对该法规的合理性与适应性进行了验证分析，碰撞仿真结果为该法规的补充完善提供了理论基础。
关键词: 商用车后防护装置碰撞计算机仿真
Abstract:In this paper a FEM model of the rear defend device of a truck was
found and the impact simulation was done by LS-DYNA analysis code. The evaluation of calculation basis of China rule of law was accomplished. The result showed that a good design configuration be found which may be to satisfy the demand through the simulation of many designs. Which may be the important significance for to protect the occupant of car from injury on the trace collision.
Farther, The impact simulation was performed that be the car in FEM model of
the rear defend device. Which rationality and applicability of the rule of law was discussed. The results be the important practical significance that be provided academic foundation to improve the statute.
Key words: Commercial Vehicle, Rear defend device, Impact, Computer simulation
1 概述
东风商用车公司2001年，我国修改制定了法规标准GB11567.2-2001；对汽车和挂车后下防护装置的技术要求和移动壁障追尾碰撞试验条件作了明确而具体的规定，期望通过后下防护装置的吸能结构设计来减少和避免碰撞
对追尾车辆上乘员的伤害。从设计角度考虑，希望能在开发阶段即预知汽车后防护装置结构性能是否满足法规的要求；同时通过仿真分析出结构设计上的缺陷，降低试验和试制费用，提高产品的竞争能力。因此，本文模拟我国法规标准GB11567.2-2001规定的试验条件，应用LS-DYNA软件对某商用车的后防护装置进行追尾碰撞仿真分析。通过不同结构方案的对比分析，提出了能够满足国家法规要求的较佳设计方案，为设计改进提供了重要参考依据。同时，用实际轿车有限元模型代替移动壁障进行了追尾碰撞仿真。仿真分析结果表明，利用计算机仿真技术进行汽车碰撞研究可以完善结构设计，提高汽车被动安全性能，从而缩短开发周期，降低开发费用，提高市场竞争能力。
2.仿真条件与控制参数
汽车碰撞模拟计算采用显式格式的全降阶积分有限元算法，在计算时要同时考虑材料、几何、接触、摩擦等多种非线性因素的影响。
仿真分析所用软件为LS-DYNA，这是国际上最著名的动态非线性有限元分析软件之一，它功能齐全，具有140多种金属和非金属材料模型，40多种接触类型；它以显式求解和非线性动力分析为主，能模拟许多比较复杂的工程实际问题，已经在汽车、航空航天、国防等行业得到了广泛的应用。
按照国家法规标准GB11567.2-2001关于汽车和挂车后下部防护要求中规定的条件，对某商用车的后防护装置及其结构改进方案进行静态和动态碰撞模拟仿真分析。表1为碰撞分析控制参数。
表1 碰撞分析控制参数
3、结构模型化
3.1 结构方案
商用车后下防护装置通常是由横梁组成的安装或连接在车架纵梁或者车辆其他结构件上的装置；主要由薄壁冲压构件按一定方式连接组成。设计方案有5种，在此基础上形成的分析方案共有8种（表2和图1）。各计算方案之间的主要结构差异是横梁及其连接支架的结构形式及横梁厚度不同。
表2 分析方案描述
方案1 方案2、3、4
方案5、6 方案7、8
图1 后防护装置结构方案示意图 3.2 有限元模型
按照法规要求，选取车架后半部（确保固定壁障距后防护装置前端的尺寸大于1000毫米），加上固定壁障、移动壁障、防护装置等主要部件，建立了后防护装置碰撞仿真分析的有限元模型。静态分析模型包括加载块、防护装置和车架部分等；动态分析模型包括移动壁障、固定壁障、防护装置和车架部分等。
车架、防护装置为板材结构，各部件主要通过铆接、螺栓连接和焊接方式连为一体，根据结构特点，分别采用薄壳单元、梁单元进行网格划分；固定壁障、移动壁障为实体结构，采用三维块体单元进行网格划分；焊接和螺栓等其它紧固连接用刚性单元模拟。同时对所有可能的碰撞零部件之间都定义了接触运动关系，以反映结构件的实际受力和变形状态。仿真分析模型的材料类型包括冲压薄钢板、普通钢材等，计算时考虑了材料的非线性大变形特性。
图2为方案2静态碰撞仿真有限元模型，共划分有节点5万多个，单元近7万多个；图3为方案1的动态碰撞仿真有限元模型，共划分有节点8万多个，单元8万多个。其余结构方案的有限元模型与这两个方案类似，这里从略。
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