第39卷第9期 2005年9月
上海交通大学学报
JOU RNAL O F SHAN GHA I J I AO TON G UN I V ER S IT Y
V o l .39N o.9
Sep.2005
收稿日期:2004205223
基金项目：国家自然科学基金资助项目(6017402)；教育部博士点基金资助项目(20010248008)
作者简介：亓文果(19772)，男，山东省莱芜市人，博士生，主要从事汽车碰撞安全性仿真与碰撞事故的再现研究. 金先龙(联系人)，男，教授，博士生导师，电话(T el .):021*********;E 2m ail :jxlong @sjtu .edu .
文章编号:100622467(2005)0921452205
亓文果, 金先龙, 张晓云, 孙 奕
(上海交通大学机械与动力工程学院，上海200030)
摘 要：在碰撞仿真理论的指导下，以某型号小客车为研究对象，建立了整车正面碰撞有限元模型，并按照国家汽车安全法规C M VDR 294的要求进行了整车正面碰撞试验的数值仿真，结果显示，与试验结果取得了较好的一致.根据仿真计算结果，对发动机罩及其铰链进行结构和材料两方面的改进设计，改善了发动机罩的变形吸能模式.在此基础上，为了更全面评价整车结构的耐撞性能，建立了整车偏置碰撞有限元模型，进行了偏置碰撞的数值模拟分析，计算了车身变形及其吸能特性.根据仿真计算结果，对前纵梁和前轮罩进行结构改进设计，提高了其吸能能力.关键词：车辆；车身；偏置碰撞；耐撞性；有限元方法；仿真中图分类号:U 467.13 文献标识码:A The S i m ula tion a nd I m p rovem e nt of Autom o tive B ody C ra s h
P e rfo r m a nce w ith F inite Elem e nt M e thod
under age10 years oldQ I W en 2g uo , J IN X ian 2long , ZH A N G X iao 2y un , SUN Y i
(Schoo l of M echan ical Eng .,Shanghai J iao tong U n iv .,Shanghai 200030,Ch ina )
Abs tra c t :B ased on the basic p rinci p le of veh icle crash analysis u sing the non linear fin ite elem en t m ethod ,
a comm ercial veh icle fin ite elem en t m odel w as bu ilt .A fron tal crash si m u lati on acco rded w ith the nati onal au tom o
b ile safety regu lati on s ,nam ely C M VDR 294,w as carried ou t .T he si m u lati on resu lt and the test re 2su lt have a good coherence .B ased on the si m u lati on resu lt ,several i m p rovem en ts of energy hood and h inge w ere m ade on the structu re and m aterial of the fo rm er design ,the disto rti on m ode of energy hood w as i m p roved .B ased on these researches ,to evaluate the crashw o rth iness of the comm ercial veh icle to a greater ex ten t ,40%fron tal offset crash si m u lati on w as ach ieved u sing the non linear fin ite elem en t m ethod .Som e design i m p rovem en ts of fron tal longitudinal beam and enfo rced bone w ere ach ieved acco rd 2ing to the si m u lati on resu lt ,w h ich i m p roves the energy ab so rb ing ab ility .
Ke y w o rds :veh icle ;au to 2body ;offset crash ;crashw o rth iness ;fin ite elem en t m ethod ;si m u lati on
汽车交通事故给社会和人民的生活带来了巨大的灾难，已经成为很严重的社会问题.在汽车交通事故
中，出现几率最高的是汽车碰撞，其中正面碰撞最普遍，大约占汽车碰撞的40%[1].根据对交通事故统计数据的分析，实际上正面全宽碰撞只能代表大约1 4的正面碰撞事故.大多数的汽车正面碰撞事故都是偏置的[2](接触面积在30%～70%)，因此,
欧洲汽车安全法规(ECE )中正面碰撞的接触面积为40%[3].我国的汽车工业还比较落后，汽车安全法规也不完善，但是这不能成为降低车辆安全标准的理由.借鉴汽车工业先进国家的安全法规，研究国产汽车耐撞性能对尽快提高国产汽车的安全性能具有重
要的现实意义.
早期汽车耐撞性研究主要是进行各种条件下的碰撞试验，需要花费大量的金钱和时间.而采用有限元方法进行汽车碰撞研究，在设计阶段就可以提高汽车的碰撞安全性.有利于降低汽车的研发成本和缩短设计周期.所以,20世纪80年代以后，汽车耐撞性的数值分析得到了迅速的发展.现在，国外采用有限元方法对汽车碰撞安全性进行了大量的研究，取得了显著的成效[4].国内在这方面的工作基本上都是对壁正面全宽碰撞的[5～8]，整车偏置碰撞耐撞性的有限元仿真研究较少.
本文以某型号小客车为研究对象，建立了整车有限元模型，并进行了正面碰撞和40%偏置碰撞的数值仿真.根据仿真计算结果，对发动机罩及铰链、前纵梁和前轮罩进行结构和材料两方面的改进设计，提高其吸能能力，有效增强了车身的安全性能，对车身结构耐撞性的优化设计具有重要意义.
1 汽车碰撞仿真的有限元方法
汽车碰撞是汽车结构在极短的时间内(通常在100m s以内)，在剧烈碰撞动态载荷作用下发生的复杂非线性动态响应过程.汽车耐撞性分析涉及一个含有未知边界条件的偏微分方程求解问题，即典型的动态接触问题[9]，其数值模拟计算采用显式非线性有限元方法，它将连续的求解区域离散为一组有限个且按一定方式相互联结在一起的单元组合体，实际结构中的各个部件通过节点联系在一起，可以用于车辆和人体的详细建模，能够得到各个部件的变形情况、速度和加速度分布、应力和应变分布.
在实际应用中，对整个车身进行有限单元划分后，假设当前时步为第n步，则有如下运动方程:
M a n+Cv n+Kd n=F ext n(1)式中:M为结构的质量矩阵;C为结构的阻尼矩阵; K为结构的刚度矩阵;F ext为外界作用力矢量;a n为时步n时的加速度;v n为时步n时的速度;d n为时步n时的位移.对式(1)，在时域内采用中心差分法得: v n+1 2=v n-1 2+0.5(∃t n+1 2+∃t n-1 2)a n(2)
d n+1=d n+v n+1 2∃t n+1 2(3)式中，假定加速度在整个时步内恒定,∃t为时间步长.如果已经求得时步n时的节点位置和加速度以及时步(n-1 2)时的节点速度，则时步(n+1)时的位移d n+1可以由式(2)和(3)解出.因此，在整个时域范围内，可由上述递推公式求得各个离散时间点处的位移、速度和加速度.采用集总的方法可以将M 对角化，式(1)成了一组互不相关的方程，免去了建立和求解联立方程组的繁杂过程，使计算变得简单.
2 整车有限元模型的建立
本文选择了一部7座商用小客车作为研究对象，其CAD模型由U G和CA T I A软件完成，有限元网格划分由H YPERM ESH软件完成.作为正面碰撞分析主要考察的是车身结构的耐撞性，所以网格划分时主要考虑车身零部件，包括白车身、车门总成、车轮、发动机等.最后的整车模型共由近130个零部件组成，包含了约14万个单元，如图1所示
.
外腔半导体激光器图1 整车有限元模型
F ig.1 F in ite elem en t model of a comm ercial veh icle
在正面碰撞过程中,A柱前部的车身结构是变形吸能的主要部位，其变形模式极为复杂.而C柱之后在碰撞过程中几乎不发生变形.为了保证计算精度，要合理布置网格密度.在划分网格时，车身前部单元划分较密,C柱之后较稀疏.整个车身的单元分布如表1所示.
表1 整车模型的有限元网格分布
Tab.1 The f i n ite ele m en t d istr ibution of veh icle m odel
A柱前部A柱2C柱C柱后部总数单元717455687512431141051节点667945966712473138934
在碰撞仿真的大变形过程中，单元类型和大小对计算精度有很大的影响.由于车身结构主要是薄壁金属件，故单元类型以四边形壳单元为主，对四边形单元形状如长宽比、翘曲度、最大角和最小角等都做出了严格的规定.由于三角形单元比四边形单元的刚度大，会影响计算精度，故要严格控制三角形单元的个数.因为显式算法是条件稳定的，所以时间步必须要满足Cou ran t准则.时间步的大小直接影响着整个计算时间.根据业界的通用准则，在最小特征长度为5mm左右时，既可以保证计算精度，又可以提高计算效率.
车身各部分的联接方式主要是点焊联接.建模
3541
第9期亓文果，等：汽车车身碰撞性能的有限元仿真与改进
时，在需要联接的两个节点之间加入无质量的刚性梁，要求这两个节点不能重合，并且对它们不施加其他任何约束.车门和车体的联接主要通过铰链和门锁固定.在建模中，与发动机罩铰链相类似，通过约束对应节点的位移自由度建立球铰模型来模拟该联接.车身的材料主要为板厚0.8～2.0mm的低碳钢，
在碰撞中应变率效应较为显著，建模时以Cow2 p er2Sym onds应变率模型考虑其影响.而对于刚性墙和发动机，则采用刚性材料处理.
3 整车全宽碰撞的有限元仿真与结构改进
采用上文所述的整车模型，文献[10]中建立的转向系统有限元模型，以及乘员约束系统有限元模型(包括50百分位的H yb rid III型假人有限元模型、安全带有限元模型、安全气囊有限元模型)，组合集成为整车2乘员2约束系统模型.采用该有限元模型，根据我国汽车安全法规C M VDR294规定，以48.3km h的速度对正面撞击刚性墙进行了数值仿真，仿真计算了100m s的碰撞过程，计算软件是国内外广泛使用的L S2D YNA.整车结构变形的仿真结果如图2(a)所示.由图2(a)可见，变形主要集中在车身前部(A柱之前)，车辆后部基本没有变形.该车已在清华大学碰撞实验室按照C M VDR294的规定进行了整车碰撞试验.图2(b)是整车碰撞试验的变形结果.仿真计算和试验测得的车身底板加速度曲线如图3所示.由图可见，仿真计算和试验结果取得了较好的一致，说明该有限元模型是可靠的
.
图2 整车碰撞仿真和试验结果
F ig.2 Fu ll passenger car fron t crash si m u lati on and test resu
lt
图3 计算和试验得到的车身底板加速度曲线
F ig.3 T he accelerati on cu rve of sub floo r by
si m u lati on and test
通过碰撞试验和有限元仿真发现，原有结构设
计在安全性方面存在不足：一是发动机罩铰链强度
偏弱，在碰撞事故中极易断裂(见图2)；二是发动机
罩内板刚度偏大，导致碰撞中发动机罩变形模式不
理想.为此，对原有设计做了如下改进:
(1)发动机罩铰链采用高强度钢板以提高其强
度.
(2)减小发动机罩外板棱边厚度和在发动机罩
内板上开孔，以此来降低发动机罩的刚度.
通过上述对发动机罩及其铰链的多方案改进,
保证发动机罩铰链在整车碰撞过程中不再发生断
裂，同时也改善了发动机罩的变形吸能模式，进而有
效增强了车身的安全性能.原有设计和改进设计的
整车碰撞仿真变形如图4所示
.
图4 改进设计前后的整车变形仿真对比
F ig.4 Comparison of the o riginal and i m p roved design
veh icle defo rm ati on
4 整车偏置碰撞的有限元仿真与结构
改进
整车全宽碰撞主要考核乘员约束系统的安全
性，而偏置碰撞主要考核车身的安全性，因此有必要
进行该车的偏置碰撞仿真.参考欧洲的正面碰撞试4541 上 海 交 通 大 学 学 报第39卷
验法规，建立整车偏置碰撞有限元模型.可变形壁障一般为可压缩的蜂窝铝块，建模中采用六面体实体单元，材料模型为honeycom b 材料.可变形壁障放置在驾驶员一侧，与汽车前端的接触面积只占车身宽度的40%.
整车以56km h 的速度正面碰撞可变形壁障，计算了100m s 的碰撞过程.由图5可见：变形仍然集中在车身前部(A 柱之前)，车辆后部基本没有变形.主要吸能零部件是保险杠、翼子板、发动机罩和前纵梁.同时由于冲击载荷不对称，碰撞侧的变形程度比正面全宽碰撞的变形严重得多
.
图5 40%偏置碰撞整车变形仿真(t =90m s )
F ig .5 V eh icle defo rm ati on in 40%offset
crash (t =90m s )
虽然正面碰撞和偏置碰撞的主要吸能零部件是相同的，但是偏置碰撞汽车前端的吸能数量远远小于正面碰撞的吸能值.结果导致更多的碰撞能量传到了汽车中后部，将可能导致车顶、车地板和车门等零部件发生较大的变形，严重威胁乘员的安全.
在偏置碰撞中，对车身耐撞性的要求集中体现在要保持乘员室的完整性以确保乘员的有限生存空间.为此，对车身的碰撞性能提出以下2个要求:
(1)汽车的前部结构尽可能多地吸收碰撞能量;
(2)控制受压各部件的变形形式，以防止车轮、
发动机和变速箱等刚性部件侵入驾驶室.
通过仿真计算发现，前围板的侵入量偏大，影响到驾驶员的人身安全.主要原因是偏置碰撞下S 型结构的前纵梁很难发生压溃变形，而极易发生折弯变形，导致吸收的能量有限，相当多能量直接被前围板吸收，结果导致了前围板侵入量偏大.
通过有限元方法，进行多种方案仿真计算，对最初设计作了如下改进:
sir模型(1)从零部件所用材料上加以改进，具体方案为：对前围板采用高强度钢板以提高其强度，所用材料在高速冲击情况下动态力学性能参数由材料供应
商提供.
(2)从结构设计上加以改进，具体方案为:①增加前纵梁两个弯头处的壁厚以控制其变形模式以达到增强其吸能能力的目的;②在前轮罩处增加一加强筋，其主要目的也是增强其变形时的吸能能力.
由图6可见：前纵梁的改进设计以及在前轮罩处增加加强筋对于提高吸能能力是很有成效的，结构的改进使前纵梁吸能总量比原有设计提高近25%，而且变形吸能时间也从45m s 延长到65m s
.
图6 改进设计与原有设计方案的能量吸收对比
F ig .6 Comparison of energy ab so rbed betw een the
宋嘉宝o riginal and i m p roved design
office小
以上两种改进方案的仿真计算结果表明，方案①可以保证碰撞发生时前围板的变形量变小，但是对减少其侵入量效果不明显.应用方案②可以保证前纵梁在碰撞时发生压溃变形，延长其变形时间，明显提高前纵梁的吸能能力，使得前围板的侵入量减少了近1 2，达到了预期的效果.
5 结 语
针对某型号小客车建立了其有限元模型，依据国家汽车安全法规进行了正面碰撞仿真研究.仿真和试验结果取得了较好的一致，说明本文建立的有限元模型是可靠的.在此基础上，建立了整车偏置碰撞有限元模型.通过仿真结果发现，偏置碰撞由于碰撞冲击载荷的不对称性，导致前围板的侵入量过大，危及乘员的人身安全.为此，对前纵梁和前轮罩进行了结构的改进设计.仿真计算表明，改进后的设计明显提高了其吸能能力，有效减小了前围板的侵入量.利用计算机仿真在设计阶段就可以提高汽车的碰撞安全性，有利于降低汽车的研发成本和缩短设计周期.因此，利用仿真技术对于汽车设计和开发具有重要
的理论意义和实用价值.
5
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亓文果，等：汽车车身碰撞性能的有限元仿真与改进
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(上接第1451页)
优化结果显示，碰撞发生时刻卡车速度为54 km h，小客车速度为9km h.两车停止位置及小客车轨迹优化误差率为3%.允许误差范围为10%.由于事故现场留下清晰拖痕，小客车轨迹已知，故误差较小，模拟结果较精确.
4 结 语
本文研究了车对车的碰撞模型，提出用碰撞后轨迹优化的方法反推碰撞前车辆状态.通过对一起车对车碰撞事故案例在计算机上的模拟再现，证明了该方法对于车对车碰撞事故类型分析的有效性，可以广泛应用于车辆碰撞的常见交通事故的再现分析中.
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