某皮卡正面碰撞模拟仿真研究

田国红，齐登科，孙立国

（辽宁工业大学汽车与交通工程学院，辽宁 锦州 121000）

某皮卡正面碰撞模拟仿真研究

田国红，齐登科，孙立国

（辽宁工业大学汽车与交通工程学院，辽宁 锦州 121000）

文章在探讨了皮卡车应用前景后，在碰撞仿真理论的指导下，根据国家C-NCAP规定，以某皮卡为研究对象，利用软件hyperworks和ls-dyna建立整车正面碰撞有限元模型并进行仿真分析。通过对整车前部变形和加速度时间历程曲线对比的研究，评价了整车的安全性和验证了仿真模型的有效性，为该款车后续的碰撞性能改进设计提供参考。

皮卡；hyperworks/LS-DYNA；正面碰撞；仿真

10.16638/j.cnki.1671-7988.2016.01.039

CLC NO.:U467.1 Document Code:A Article ID:1671-7988(2016)01-114-03

引言

随着中国皮卡文化的升温，近年来很多消费者购买福特F150、雪佛兰C2500这样的中高端皮卡作为SUV的替代品。据了解，相关部门正在讨论将皮卡车型划分到乘用车系列中，因此国内各大自主品牌汽车都在开发中高端皮卡车型来竞争这一市场。早期的皮卡车在设计时都没有充分考虑碰撞安全性能设计，但现在开发的中高端皮卡，其定位已经不再是工具车的概念，而是是SUB、休闲车、工具车的集成，其碰撞安全性能的定位在越野SUV之下、普通卡车之上[1]。

汽车正面碰撞事故是最常发生的交通事故，因而对汽车的碰撞研究中，正面碰撞性研究是重中之重，这样可以较好引导汽车正面碰撞设计和改进。现在对汽车碰撞的研究，一般是根据汽车碰撞实验数据，在计算机上建立有限元汽车碰撞仿真模型，然后对其进行求解并对验证模型的有效性。该方法碰撞复现性好，研发周期短。本文以某款皮卡车为研究对象，进行计算机碰撞模拟仿真，对正面碰撞仿真结果进行分析，验证了模型的有效性，为后续合理的进行车身结构安全性设计、改善车身结构件提供强有力的技术支持[2]。

1、整车有限元模型的建立

1.1 车体模型的简化与网格划分

根据正面碰撞的特点，在划分网格时有些汽车部件需要先抽取其中面，然后在划分二维壳单元，最后再属性中赋予真实厚度。对于汽车来说一般分为三个舱：发动机舱、乘员舱和后备箱舱，一般希望发动机舱变形较大以便吸收更多的能量。所以对于正碰，前部是主要的变形部件，对于进行有限元离散时，对该部件要细化网格来真实的反应结构；而对于那些在汽车后部，不参与碰撞的部件可以省略一些不关键的特征，对其网格进行粗化；于发动机和变速箱部件，刚度大且结构复杂，在碰撞过程中基本不变形，对其视为刚体，在划分网格时可以用粗网格来描绘外形轮廓即可。

针对不同区域CAE模型网格的大小规定，在发生碰撞的变形较大的区域划分大小为10-15mm的网格单元，通过控制最小单元，来控制计算过程的时间步长；非碰撞区域网格大小可以扩大到25%左右。另外，三角形单元所占百分比不超过总单元数目的10%，翘曲单元不超过15%，防止集中出现翘曲单元的区域，在能量吸收区域尽量采用规则的网格划分，以尽量提高建模精度。

1.2 材料属性

车身大部分都是低碳合金薄钢STL.12、STL.13和一些塑性材料等，在对仿真模型进行材料属性参数设置时，一般是使用试验测出的实际材料的试验真实值， 对于钢一般使用软件中的24号材料模式（在hyperworks中涉及到的关键字为MATL24），该材料属于多线性弹塑性材料，材料达到屈服后硬化曲线由多段直线组成，定义比较方便。在此关键字下需要定义材料密度、弹性模量、泊松比、屈服应力等参数，材料中的有效应力应变曲线一般是通过关键字Curve来设置的。图1为前纵梁的材料应力应变曲线。

图1 前纵梁的材料应力应变曲线

1.3 约束接触设置和加速度传感器布置

本文刚性墙和地面的建立通过关键字RIGIDWALL来创建的，两者和汽车的接触是通过关键字RIGIDWALL下的参数来设置的。另外汽车自身的可变形体部件接触是通过定义一个总体的单面接触（contact automatic-single surface）来实现，这种接触方式能够自动从壳单元的两边进行接触检测，而且对网格中的接触处理比较好。另外，汽车模型中的可变形体和刚形体的接触连接是通过共节点来实现，也就是通过关键字XtraNode类型的接触来是实现连接的。汽车模型中的刚形体之间的接触连接是通关关键字ConstRigidRbody来实现的。

本车体模型中在四个位置定义了加速度传感器测量点：右座椅（Right seat）、左座椅（Left seat）、发动机底部（Engine seat）和汽车中心（Vehicle CG），图2为加速度传感器在车体模型中的位置。一般通常采用一个等腰直角三角形定义传感器单元，依次拾取传感器坐标原点的节点，图3为传感器节点顺序。将节点N1指定为测量点，既可以得到所需数据[3]。

图2 加速度传感器位置

图3 传感器节点顺序

根据正面碰撞法规，正面刚性墙碰撞速度不低于50km/h，本皮卡实车碰撞速度为56km/h（沿x方向），碰撞角为零即垂直于壁障前表面的直线与车辆行驶的方向之间的夹角为0o，本模型的仿真速度为56km/h，模型施加向下的加速度为9.8m/s2。从hyperworks中导出为k文件，用ls-dyna求解器进行求解。图4为正面碰撞边界条件。

图4 正面碰撞边界条件

2、碰撞模型的验证与评价

对模型仿真后的文件进行分析，和实车碰撞数据对比分析得出仿真模型的有效性，并对此正面碰撞进行评价。正面碰撞仿真结果的真实性和准确性评价，通常采用定性分析和定量分析[4]。

定性评价主要是实车试验结果和仿真模拟结果进行对比，观察撞击区域在各个时刻的变形形式和各主要部件的撞击特征，主要是整车前部的变形情况和实车碰撞结果对比。图5为底盘前部在t=0ms和t=75ms的变形量。

图5 底盘前部变形量

通过对比结果可知，二者变形基本一致，仿真结果和实车碰撞结果基本吻合。图6为正碰过程中能量变化情况。

图6 正碰过程中能量变化

定量分析时度数量特征、数量关系和数量变化的分析。汽车碰撞过程中的加速度变化就是一种定量分析。在正碰事故中乘员的伤害形式主要是运动伤害和接触伤害。接触伤害就是驾驶舱变形量较大而驾驶员没有足够的生存空间，从前部变形量中可知，接触伤害能够满足碰撞法规的要求；运动伤害就是指乘员在大的加速度冲击下，身体各器官相对运动过大，对内脏造成损伤。所以说，降低车体的碰撞减速度是考虑重点。通过观察座椅的加速度来判断人体的加速度变化情况，图7为左右座椅的速度和加速度的变化形式。

对仿真模型和实车碰撞中的座椅加速度变化进行对比，可知加速度曲线吻合度较高，进一步证明了车体模型的有效性，通过座椅的加速变化情况来间接知道乘员在碰撞过程中的减速度冲击，在此速度对人体不造成损伤。

通过车身前部变形对比和代表乘员减速度的座椅减速度对比，最后得出汽车仿真模型是有效的。并且通过车身前部变形可知，驾驶舱变形较小，满足碰撞法规要求；座椅的减速度变化也在法规规定范围内，不会对人体造成损伤。

图7 座椅速度和加速度变化

3、总结

利用计算机仿真技术对皮卡正面碰撞进行有限元仿真，并通过正面碰撞试验的变形时间历程及车身前部结构变形验证了整车碰撞有限元模型的有效性。在本文中，碰撞过程中的乘员减速度变化是通过测量座椅处的减速度来表现的，此处的加速度是评价乘员伤害程度的一个重要指标。通过观察车身前部的变形量可知，发动机舱变形量较大和乘员舱变形量较小，这样既满足了车身前部既能吸收较多的能量，又满足了乘员舱变形较小的要求。皮卡仿真模型的有效性对于后续研究碰撞性能改进提供参考。

[1] 唐波.中国高端皮卡安全性能标杆研究[J].汽车与配件,2012(12):46-48.

[2] 田湘龙.某微车正面碰撞模拟仿真与优化[J].机械设计与制造,2002(9):218-220.

[3] 胡志远,曾必强.基于LS-DYNA和Hyperworks的汽车安全仿真与分析[M]. 北京:清华大学出版社,2011.

[4] 黄世霖,张金换,王晓冬等.汽车碰撞安[M].北京:清华大学出版社,2003.

Simulation research for one pickup frontal crashworthiness

Tian Guohong, Qi Dengke, Sun Liguo

（Liao Ning University of Technology Automobile and Traffic Academy, Liaoning Jinzhou 121000）

The prospect of application of the pickup is discussed in this paper firstly,according to the C-NCAP and based on the basic principle of vehicle crash analysis using the nonlinear finite element method.A pickup truck as the research object, the frontal crash finite element mode of pickup is established and simulation analysis using the software hyperworks and ls-dyna.After analyzing the deformation of the front of the vehicle and curves of acceleration,Evaluat the safety of the vehicle and verify the effectiveness of the simulation model.which will supply the reference standard for the collision performance of the subsequent improvement of the car design.

pickup; hyperworks/LS-DYNA; frontal impact; simulation

U467.1

A

1671-7988(2016)01-114-03

田国红，就职于辽宁工业大学汽车与交通工程学院。齐登科，就读于辽宁工业大学汽车与交通工程学院。