轿车侧面碰撞车侧面碰撞仿真仿真仿真分析分析分析
李年卫 邵俊健 牛亚军 鲁慧才
（浙江吉利汽车研究院有限公司 浙江 临海 317000）
关键词关键词：：CAE；侧面碰撞; 计算机仿真
Simulation Analysis of Vehicle Side Impact
Li Nianwei Shao Junjian Niu Yajun Lu Huicai
北京小客车摇号系统（Zhejiang Geely Automobile Institute Co. Ltd Linhai Zhejiang 317000）
Abstract ：The finite model for a certain automobile was created with the software Hypermesh. According to the C-NCAP side impact rules,the simulation analysis was finished, and it established the foundation for further structure optimization.
Keywords ：CAE ；side impact ；computer simulation
1 1 引言引言引言
研究汽车安全性最准确可靠的方法是汽车碰撞试验，由于碰撞过程复杂，设计与开发周期长，试验费用高，因此通过对汽车碰撞进行计算机仿真分析来指导和部分取代试验工作，成为
汽车安全性研究的一种趋势[1]。
目前在汽车被动安全研究领域，应用比较广泛的理论和计算方法是由美国Lawrence
Libermore国家实验室在20世纪70年代研究提出的有限元分析理论。根据有限元分析的基本理论，首先对CAD模型进行前处理，然后划分网格，最后对其进行CAE仿真分析。
文中采用HyperMesh和LS-DYNA软件，以某轿车侧面碰撞计算机仿真为例，为提高轿车碰撞安全性研究提供参考。
2 C -NCAP 侧面碰撞测试方法侧面碰撞测试方法
2.12.1 侧面碰撞试验条件侧面碰撞试验条件 C-NCAP侧碰试验如图1所示
图1 可变形移动壁障侧面碰撞试验
汽车可变形障碍壁的纵向垂直中心平面与通过试验车碰撞侧的前排座椅R点的横向平面一致，误差在±25 mm 内。汽车可变形障碍壁在碰撞时的速度应是50±1 km/h。该速度应在相碰前至少0.5 m 处稳定下来。在驾驶员位置放置1个ESII型假人, 用以测量驾驶员位置受伤害情况[6]。
2.22.2 侧面碰撞试验评价指标侧面碰撞试验评价指标
侧面碰撞中，一般通过测量B柱对应假人各部位的侵入量及侵入速度考查车身结构。 各测量点如下
表一 车身结构目标 测量点位置
目标 B柱顶端侵入量
50mm B柱侵入量
150mm 门槛侵入量
70mm B柱侵入速度 7.5m/s
3 3 仿真分析模型建立仿真分析模型建立仿真分析模型建立
3.13.1 整车有限元模型的建立
北京车辆违章查询网首先运用HyperMesh软件对导入的整车CATIA数模进行有限元模型的建立，最后生成K文件。 本文采用薄壳单元划分板金类零件网格，采用刚体单元划分门锁、铰链、安全带支架等车身附件。
根据建模需要，把整车划分七大部分：白车身本体总成，开启件总成，底盘系统，附件总成，动力总成，内外饰总成，电器总成。各个总成又相应划分子结构。
从计算精度方面考虑，单元尺寸越小，计算精度越准确，但是，单元尺寸越小，单元和节点的数量越多，从而增大计算规模，增加计算时间，甚至造成计算机配置不足。根据经验，整车有限元模型单元的尺寸控制在5mm-10mm的范围内。车身板金件有许多定位孔及工艺孔，尤其对于小圆孔，如果不做简化处理，其周围的网格质量会很差，造成仿真过程中的计算量增大或错误，影响仿真结果，因此直径小于7.5mm的圆孔都可以忽略。对于一些刚性较大、碰撞过程中几乎不变形吸能的零件，也将其定义为刚体，如发动机、变速箱、转向器、车门铰链部分等。
根据以上要求建立的整车有限元模型如图2所示：模型中包括六面体单元、壳单元、梁单元、杆单元、弹簧单元和阻尼单元。
图2 整车有限元模型
3.2 3.2 移动壁障有限元模型的建立移动壁障有限元模型的建立移动壁障有限元模型的建立 根据法规要求，建立侧面碰撞移动壁障有限元模型，图3所示
图3 侧面碰撞移动壁障
安徽全面取消皮卡车通行限制总质量950±20 kg；前后轮距宽1500±10mm；轴距3000±10 mm；重心位于纵向中心垂直平面内10mm 处，前轴后面1000±30mm 处；撞击器由独立的相互连接着的块组成，可变形的撞击区域宽1500±10mm，高500±5mm，撞击区距地面间隔在撞击前静态下为300±5mm，有6个形变单元，分成两行，三个一行。所有单元有同样的高度250mm±3mm和同样的宽度250±5mm；上面的一行单元厚度为440±5mm，下面的一行单元厚度为500±50mm；撞击器的材料必须是蜂窝铝。东风悦达起亚k3两厢
3.3.33 整车侧面碰撞仿真模型建立整车侧面碰撞仿真模型建立
在HyperMesh软件中建立整车侧面碰撞有限元模型，图4所示。
（1）材料定义
根据提供的材料清单，选择各零部件的材料及其厚度，若是软件的材料库中没有的材料，可以通过用户自定义。LS-DYNA软件库中有200多种类型材料可供选择。车身板金件一般选用LS-DYNA软件库中的MAT24材料；定义成刚体的发动机、变速箱等采用MAT20材料；BEAM单元用MAT100号材料。
（2） 连接定义
根据连接形式的不同而采用不同的单元模拟连接。常采用的连接方式有点焊、线焊、胶粘、铰接。
车身板金件一般采用：梁单元(BEAM)模拟，螺栓孔采用RBE2单元模拟，构件之间的运动副采用Joint单元模拟，减振器、转向管柱弹性组件用DISCRETE单元模拟。
（3）接触的定义
LS-DYNA中在Contact中定义接触非常简单。
需要定义的接触有：整车自接触——CONTACT AUTOMATIC SINGLE SURFACE；整车与BEAM 之间的接触——CONTACT TIED SHELL EDGE TO SURFACE OFFSET；整车与MDB的接触CONTACT AUTOMATIC SURFACE TO SURFACE 。
（4）其它条件
在HyperMesh的Initial Velocity中定义初速度，定义移动壁障初速度为50km/h即
13.889m/s，在DATABASE卡片中定义力及传感器的输出，在CONTROL卡片中定义时间步长及计算时间等等。
图4 整车侧面碰撞有限元模型
仿真实例
4仿真实例
将建立的碰撞有限元模型导入LS-DYNA求解器中进行计算，由于车辆碰撞的过程非常短暂，一般为几十毫秒，因此本文只计算了150ms的碰撞响应。
通过CAE仿真计算可知，在0ms时，移动壁障与车辆开始接触；20ms时车体发生轻微变形；60ms时车体变形最大，侵入量达到最大；80ms时车体变形基本停止，此时车身结构会有一定程度的反弹，碰撞基本结束。
汽车不同时刻变形情况如图5[9]所示
@0ms
新款@20ms
@60ms
中保研汽车碰撞@150ms
图5整车侧面碰撞变形图
根据碰撞能量曲线图6可知，有大约48.4KJ的动能转化为能，沙漏能占总能量的比例为3.98%小于目标值10%，能量变化曲线满足设计要求。
图6 整车侧面碰撞能量曲线
为了考查碰撞过程中乘员生存空间情况，测量了B柱对应假人各部位以及下端门槛处的侵入量及侵入速度。60ms左右，各部位侵入量达到最大，80ms时车体变形基本停止，如图7、图8所示
图7 B柱及下端门槛侵入量
图8 B柱侵入速度
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