某乘用车正面偏置碰撞仿真分析及其优化对策研究

第33卷第6期2017年11月森林工程FOREST ENGINEERINGVol.33 No.6Nov. ,2017某乘用车正面偏置碰撞仿真分析及其优化对策研究王磊，杨瑞$，赵强(东北林业大学交通学院，哈尔滨150040)摘要：利用C A E有限元仿真分析法，在某乘用车的几何模型基础之上，利用L S-D Y N A软件建立偏置碰撞试验仿真模型，对模型进行仿真求解，并对仿真结果进行分析，根据仿真结果分析得出前纵梁结构存在的问题，进而对前纵梁结构进行改进，使其达到C-N C A P标准。

通过对试验结果中前围板侵入量和车身加速度的比较，进行改进后的有效性分析；针对前纵梁结构改进的方案，运用3K全因子试验设计法，分别对前纵梁选取3种不同的材料及料厚对其进行二次全因子优化，重新进行碰撞仿真运算，通过比较9组试验的车身加速度峰值，选出车身加速度峰值最小的一组为最优方案。

结果显示：材料选取B550L,厚度为1.5m m的前纵梁，吸收碰撞能量的效果是九组试验组合中最好的，可以有效地提升汽车的被动安全性能。

关键词：有限元；偏置碰撞；结构优化中图分类号：U 467.14 文献标识码：A文章编号：1001 -005X(2017) 06 -0083-05Simulation Analysis and Optimization ofFront Offset Collision of a Passenger CarWang L ei，Yang R u i**，Zhao Qiang(College o f Transportation, Northeast Forestry U niversity, Harbin 150040)A b s t r a c t：Based on the geometric m odel o f a passenger ca r, the simulation m odel o f offset collision experiment is established by using LS - D Y N A software. The m odel is simulated and solved, and the simulation results are analyzed. A ccording to the simulation results, the existing problems o f the front longitudinal beam structure are analyzed, and then the structure is improved to reach the C -NCAP standard. Through the comparison o f the front inclinom eter intrusion and the acceleration o f the vehicle b od y, the improved effectiveness analysis is carried out. T hen, based on the improvement schem e o f the front longitudinal b ea m, the 3K full factor test design method is used to select three different materials and thickness for the beam respectively, and the two full factor optimization is carried out. T h en, the collision simulation operation is carried out again. By comparing the body acceleration peak value o f the nine groups o f tests, the group with the smallest acceleration peak value is selected as the optimal schem e. The results show that the mate­rial selection o f B550L, the thickness o f the 1. 5m m front longitudinal beam, the effect o f absorbing collision energy is the best com b i­nation o f nine groups o f tests, which can effectively improve the passive safety perform ance o f the vehicle.K e y w o r d s：Finite elem ent; offset co llisio n；structural optimization〇引言近年来，由于汽车保有量持续增长，给交通运 输环境带来了前所未有的压力。

每年大大小小的交 通事故屡见不鲜。

我国2015年全年各类生产安全收稿日期：2017 - 05 - 25基金项目：黑龙江省留学归国人员科学基金（LC2015019)第一作者简介：王磊，硕士。

研究方向：道路运输与汽车安全 技术。

E-mail: 937979248@*通信作者：杨瑞，硕士，副教授。

研究方向：汽车安全技术。

E-mail：1243678632@ qq. com引文格式：王磊，杨瑞，赵强，等.某乘用车正面偏置碰撞仿真分析及其优化对策研究[J].森林工程，2017, 33(6):83 -87.事故造成的死亡人数中，交通事故约占54%[1]。

在交通事故中汽车的被动安全性能的好坏直接关系 到乘员所受到的伤害程度，为此，对于汽车被动安 全性的研究就显得尤为重要。

在交通事故中，汽车发生碰撞的形式可归纳为 以下几种：正面碰撞、侧面碰撞、追尾及翻滚等。

在所有的交通事故中，最主要的发生形式就是来自 于正面的碰撞，而偏置碰撞作为正碰的一种特殊形 式，在所有正面碰撞事故中占有最高的比例。

据统 计显示，在碰撞事故中，车辆与碰撞物的重叠率 (简称为重叠率）为30% ~40%，车内乘员的受伤 率最髙，40%正面偏置碰撞仿真试验恰恰能够较好 地模拟重叠率为30%~ 40%的交通事故进84森林工程第33卷体网格四面体网格：152⑷(1 五面体网格：1374 六面体网格：3他(>7 棱锥体网格：1 总讦：190847图1整车有限元模型Fig. 1 Vehicle finite element model2偏置碰撞模型的合理性检查根据有限元基本理论中的能量守恒定律，汽车在碰撞仿真试验过程中的总能量应该是守恒不变 的，通常情况下，汽车碰撞仿真系统中，整个碰撞 过程中的系统总能量、动能、内能和沙漏能可以作 为评价指标，检查系统的能量是否守恒以及有限元 模型的合理性[8]。

将计算结果bin out导人后处理行汽车正面偏置碰撞安全性的研究，对减轻交通事故中人员的伤害具有非常重要的意义。

在车型开发过程中，车体的结构设计是车辆安 全的基础。

本文基于碰撞仿真技术对某车型 64 km /h偏置碰撞性能进行分析与评估，提出优化方法，切实可行地提升了整车的偏置碰撞安全性能。

1有限元模型的建立有限元模型的建立过程主要分为以下几个步 骤，首先，以an sa 作为几何模型的前处理软件， 分别对原始模型进行几何清理、抽中面与网格的划 分；然后，利用LS - DYNA软件对模型进行连接定义、建立材料属性、设置初始条件和边界条件; 最后，设置边界条件、输出控制及输出文件控 制[5_7]。

有限元模型的网格最大长宽比为5，最大扭曲 角为40°，网格最大翘曲角度11°，最小雅克比 〇• 6,整车有限元模型一共有1 348 405个单元。

其 中壳单元1 157 558个，包括1 080 446个四边形单 元和77 112个三角形单元，还包括190 847个体单 元，三角形单元占总壳单元的约6.7%，小于 10%，满足网格质量要求。

划分网格后的整车有限 元模型如图1所示。

软件hyper graph 中，选择输出4条能量变化的曲线，如图2所示。

能量统计_内能_ •动能……沙漏能 ……总能量图2碰撞过程中的能量变化曲线Fig. 2 Energy change curve in collision process图2中右起由上至下4条曲线分别表示总能 量、内能、动能和沙漏能量随时间的变化，由系统 能量变化曲线图可以看出，动能、内能和沙漏能的 和始终等于汽车总能量，系统总能量也始终保持不 变。

所以，模型从能量方面显示是正确的，而且在 碰撞过程中出现很少的沙漏能，远小于总能量的 10%。

因此，模型从整个系统的能量变化方面显示 也是合理的[9]。

3偏置碰撞仿真分析及前纵梁结构改 进方案汽车正面偏置碰撞模型的建立工作完成之后， 参照C -NCAP 试验标准，车辆以64 km /h 的初始速度与可变形壁障发生40%重叠率的偏置碰撞， 可变形壁障右侧表面偏移车辆中心线约10%的车 辆宽度，车辆应与可变形壁障表面重叠40% ± 20mm ，根据这个要求来移动壁障，调整；>•方向的 重叠率。

将含有仿真模型所有信息的KEY 文 件输出，运用LS -DYNA 求解器进行运算求解， 把计算结果d 3plot 文件导人后处理软件hyper view中，可以观察到整车模型碰撞形变的动态过程，图 3为0. 12 S时刻仿真模型的碰撞状态。

通过对汽车前部主要吸能部件的变形量及变形 特点的分析发现：左前纵梁中部由于抗弯刚度不够 而出现较大弯折，使得吸能盒和纵梁前部不能最大 限度的发挥吸能作用，整个纵梁也没有达到一个很 好的变形吸能模式；在这种变形方式下，碰撞产生 的能量会更多的传递到乘员舱，使车身加速度峰值 过高，对乘员造成很大伤害；由于弯折量较大，还142 oI81 0 7 17 8 5• •••5格格57 网网11格形形：网边角计面四三总第6期王磊等：某乘用车正面偏置碰撞仿真分析及其优化对策研究85t x图3正面40%偏置碰撞整车变形状态Fig. 3 Positive 40% offset collision vehicle deformation state■图5前围板侵入量Fig. 5 The amount of dash panel intrusion因为前纵梁和吸能盒的变形和吸能都不够充分，使得车身加速度值偏大，具体数值如图6所示。