外文翻译：轿车车身的碰撞有限元模型分析

车身有限元模态分析与试验模态分析比较Comparison of the FEM Modal Analysis and Test Modal Analysis forBody of Mini-Truck周定陆(长安汽车公司技术中心汽车工程设计所)摘要:本文利用MSC.Nastran有限元分析软件和MSC.Patran前后处理软件，微型货车车身进行了FEA建模，并进行了车身模态的理论计算分析，理论模态分析结果与试验模态分析结果进行了对比，对比结果证明了理论分析和试验分析的一致性非常好，这说明了此部分的分析工作完全可以利用计算机来代替试验室的大量同类试验工作，并且可以在还没有设计样车的设计过程中进行。

关键词：汽车、车身、模态分析Abstract: In this paper, a FEA model of a mini-truck was established and the FEM modal frequencies of BIW was analyzed by author with MSC.Nastran analyzing software and MSC.Patran pre/post processing software. Compared results of calculating and testing modal analysis. It is proved that calculating and testing results almost is the same. This means calculating modal analysis in computer can replace testing modal analysis in laboratory and doing it without design prototype of a mini-truck.Keyword: Automobile/Body in white/Modal analysis1前言在汽车产品设计中，预先掌握所设计产品的动态特性，从动态角度对产品进行设计，使所设计的产品满足动态要求，是非常重要的。

到CAE方法它将节省大量的测试成本，及时指导车身的设计结构，提出优化方法; 有限元法已经成为在车身特性设计和分析过程中不可或缺的[3]。

在结构优化过程中，首先，敏感性分析应该是对的以设计变量的灵敏度来确定目标[4]然后根据灵敏度修改设计变量以获得最佳设计目标与约束条件。

设计变量的灵敏度与A轻量级优化方法相关其目标函数是由客观因素的变化来衡量的单位设计变量的变化，灵敏度分析是opti的基础可以根据敏感度进行结构分析，优化结构分析，这将节省大量的计算时间并改进优化因此，在工业中期望提供一种改进的轻型汽车车身结构，特别是车身框架，其保持所需的强度，刚度和稳定性特性，以满足乘客安全和车辆性能标准。

此外，身体结构应当可使用现有技术和材料制造，以实现减轻重量而不增加成本。

此外，主体结构应该能够减少总成分，以进一步降低成本和制造时间。

2灵敏度分析的基本理论从结构分析可以分为动态分析和静态分析两个方面，结构敏感性分析也可以分为动力敏感性分析和静态敏感性分析。

动态灵敏度分析包括特征值灵敏度分析，传递函数灵敏度分析和动态响应敏感性分析。

静态敏感性分析可以是压力，位移等。

对于车辆，灵敏度分析是指车身刚度强度，自由模式和敏感性分析的应变能，部分结构参数包括材料厚度和横截面转动惯量[5 |。

有两种计算灵敏度的方法，推导方法和伴随结构的方法。

直接推导法，是亲由胡力构成R.Kapoor M.P，然后由许多人开发和推广人们在广泛的领域。

直接推导法具有明显的物理意义概念，简单的数学理论方便计算可扩展从一阶敏感度到高阶灵敏度，因此是广泛的在工业领域[6]。

3 BIW扭转刚度分析汽车BIW的有限元模型由769 862组成元素包括三角形元素和四边形元素重量为371.2公斤。

为了比较车辆扭转刚度试验过程中的有限元分析模型需要使用直径为50 mm的梁单元进行模拟测试设备如图有限元边界条件分析模型如图1所示。

3，左右后方的震动塔都很硬点被限制在X，翻译DOF左右前方震动吸收塔受限于X方向DOF。

某轿车车身有限元分析
张旭
【期刊名称】《农业装备与车辆工程》
【年(卷),期】2009(000)007
【摘要】基于有限元静态分析理论,采用CATIA软件建立车身模型,运用HyperMesh软件对车身进行静态分析,并与同类型车进行比较,看其结构特性的合理性.在能够反映车身结构的主要静态特性的基础上,对车身进行了必要的简化.%Based on finite element static theory, car body model is built up through CATIA software. Then the model is input into HyperMesh software for FEM, and compared with like products to find its rationality in structure. The car body is simplified on base of the reflection of static characteristics.【总页数】3页(P26-28)
【作者】张旭
【作者单位】沈阳理工大学,辽宁,沈阳,110168
【正文语种】中文
【中图分类】U463.82+1
【相关文献】
1.轿车车身结构侧向耐撞性的有限元分析 [J], 苏成谦;吕振华;张群
2.骨架式轿车车身有限元分析 [J], 周秋梅;岳凤来
3.轿车车身强度的有限元分析 [J], 戴超;梁继辉
4.轿车车身强度及刚度有限元分析 [J], 丁玉庆;马幼鸣
5.某微型电动轿车车身骨架有限元分析 [J], 张越;周荣;鲁守卫;满开美;岳凤来因版权原因，仅展示原文概要，查看原文内容请购买。

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 YV 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 .cn . 文章编号:100622467(2005)0921452205汽车车身碰撞性能的有限元仿真与改进亓文果,　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:AThe S i m ula tion a nd I m p rovem e nt of Autom o tive B ody C ra s hP e rfo r m a nce w ith F inite Elem e nt M e thodQ 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 ob 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.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 odelA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 result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 bysi 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 designveh icle defo rm ati on4　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%offsetcrash (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:(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 theo riginal and i m p roved design 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.5541　第9期亓文果,等:汽车车身碰撞性能的有限元仿真与改进参考文献:[1]　王　蠧,李宏光,赵　航.现代汽车安全[M].北京:人民交通出版社,1998.[2]　Saha N K,Calso S M,A sjad M U.Si m u lati onof fron tal offset i m pacts and comparison of in tru2si on s and decelerati on s[J].SAE Tran saction,SA E950647:1204-1220.[3]　朱西产.汽车正面碰撞试验法规及其发展趋势的分析[J].汽车工程,2002,24(1):1-5. ZHU X i2chan.A n analysis on au tomo tive fron tal crash test regu lati on and its tendency[J].Auto m o-tive Eng i neer i ng,2002,24(1):1-5.[4]　Eberhard H,C linckem aillie J.汽车碰撞仿真与设计的最新进展和发展趋势[J].机械工程学报,1998,34(1):93-99. Eberhard H,C linckem aillie J.R ecen t trends and ad2 vances in crash si m u lati on and design of veh icles[J].Ch i nese Journa l of M echan ica l Eng i neer i ng,1998,34(1):93-99.[5]　贾宏波,黄金陵,郭孔辉,等.汽车车身结构碰撞性能的计算机模拟、评价与改进[J].吉林工业大学学报,1998,28(2):6-11. J I A Hong2bo,HUAN G J in2ling,GUO Kong2hu i,eta l.Evaluati on and i m p rovem en t of au tomo tive bodycrash perfo rm ance w ith compu ter si m u lati on tech2n iques[J].Journa l of J ili n Un iversity of Technolo2gy,1998,28(2):6-11.[6]　张维刚,钟志华.计算机仿真技术在汽车正碰安全性能改进中的应用研究[J].机械工程学报,2002,38(3):135-138. ZHAN G W ei2gang,ZHON G Zh i2hua.C rashw o r2 th iness i m p rovem en t of passenger cars w ith compu tersi m u lati on techn iques[J].Ch i nese Journa l of M e-chan ica l Eng i neer i ng,2002,38(3):135-138.[7]　裘　新,黄存军,张金换,等.汽车正碰的数值模拟及试验验证[J].清华大学学报(自然科学版),1999,39(2):102-105. Q I U X in,HUAN G Cun2jun,ZHAN G J in2huan,eta l.N um erical si m u lati on and test validati on of veh i2cle fron tal crash[J].Journa l of Tsi nghua Un iversity(Sc ience&Technology),1999,39(2):102-105. [8]　张维刚,钟志华.汽车正碰吸能部件改进的计算机仿真[J].汽车工程,2002,24(1):6-9. ZHAN G W ei2gang,ZHON G Zh pu ter si m u lati on of the crashw o rth iness of the energy ab2so rb ing fron t end of a passenger car[J].Auto m otiveEng i neer i ng,2002,24(1):6-9.[9]　钟志华.汽车耐撞性分析的有限元法[J].汽车工程,1994,16(1):1-6. ZHON G Zh i2hua.F in ite elem en t m ethod in crash2 w o rth iness analysis of au tomo tives[J].Auto m otiveEng i neer i ng,1994,16(1):1-6.[10]　张晓云,金先龙,葛　龙,等.面向国家标准的汽车转向机构安全性仿真[J].系统仿真学报,2003,15(2):228-230. ZHAN G X iao2yun,J I N X ian2long,GE L ong,et a l.N ati onal regu lati on o rien ted crashw o rth iness si m u la2ti on of veh icle steering system[J].Journa l of Sys-te m Si m ula tion,2003,15(2):228-230. (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.参考文献:[1]　Steffan H,M o ser A.T he co llisi on and trajecto rymodels of PC2CRA SH[DB OL].SA E paper960886.[2]　C liff W E,M o ser A.R econ structi on of tw en ty stagedco llisi on s w ith PC2C rash’s op ti m izer[DB OL].SA Epaper200120120507.[3]　M o ser A,Steffan H.A u tom atic op ti m izati on of p re2i m pact param eters u sing po st i m pact trajecto ries andrest po siti on s[DB OL].SA E paper9803739.6541 上　海　交　通　大　学　学　报第39卷　。

轿车车门侧面碰撞有限元分析高伟，邓召文，熊剑（湖北汽车工业学院汽车工程系，湖北十堰442002）摘要：汽车侧面碰撞法规对车门强度有明确的要求，车门作为车身的主要部件之一对汽车的侧面碰撞安全性有着重要的影响。

本文以非线性有限元理论为基础，在Hypermesh中建立了某轿车车门有限元模型，参考侧面碰撞法规对车门进行侧面碰撞模拟分析。

并对车门结构进行改进，探讨了相应的轿车侧面碰撞安全性改进措施，通过对研究方案的对比分析，在一定程度上改善了车门的抗侧碰性能。

关键词：轿车车门；侧面碰撞；有限元方法；抗侧碰性能Finite Element Simulation for Taurus Car Door Side CrashGao Wei, Deng Zhao-wen, Xiong Jian(Department of Automobile Engineering, HuBei Institute of Automotive Technology, Shiyan HuBei 442002)Abstract：Strength of side doors is specified in the side impact regulation. as the main part of car body, the car door has important effect on side impact safety. This paper based on nonlinear finite element theory, The finite element model of door was built with Hypermesh software. According to side crash regulation, the side crash worthiness of car door structure was analyzed. Improvement of car door structure was conducted and relevant measures for improving side crashworthiness were discussed. Improvement measures simulation results show that car side crashworthinessis improved.Key Words: car door; side impact; finite element method; crashworthiness汽车的碰撞形式有正面碰撞、侧面碰撞、追尾碰撞、角度碰撞及翻滚等，据有关资料统计表明，国外交通事故死亡人数中，因正面碰撞而导致死亡的接近70%，因侧面碰撞而导致死亡的接近30%[1]，并且乘员也大多是侧面碰撞事故中受伤或死亡。

汽车碰撞试验有限元仿真分析汽车安全一直是备受关注的话题，因为每年都有大量的交通事故发生，给人们的生命财产造成了巨大的损失。

因此，在汽车设计和制造的过程中，安全性是最重要的一项指标。

在产品研发和制造中，汽车碰撞试验是必不可少的环节。

这一试验的目的就是测试汽车在发生碰撞时的承载能力以及对乘客的保护程度。

最近，有限元仿真技术在汽车碰撞试验中的应用逐渐受到重视。

本文将介绍有限元仿真在汽车碰撞试验中的应用及其相关的技术和方法。

一、有限元仿真技术的介绍有限元仿真技术是一种通过计算机模拟材料或结构在外力作用下所产生的形变、应力和力学响应的虚拟分析方法。

它通过将材料或结构分割成许多小的部分，并在每个部分上建立数学模型，最终得到整个材料或结构的形变、应力和响应等各项参数。

因为有限元分析模型的建立和计算流程完全由计算机自动完成，因此大大提高了计算速度和计算精度，可以极大地减小试验成本和试验周期。

二、有限元仿真在汽车碰撞试验中的应用汽车碰撞试验可以在实验室内模拟汽车在交通事故中所受到的外力，并进一步测试汽车所能承受的最大外力，以及车内乘客的安全性。

在过去的几十年中，汽车制造商通过不断的试验、验证和改进，已经使得汽车的安全性能得到了极大的提升。

但是，汽车碰撞试验仍然是一项非常复杂和昂贵的任务。

因此，在汽车设计和制造的过程中，有限元仿真技术已经成为了一种非常重要的辅助手段。

在汽车制造中存在许多的零部件和车身结构，它们的材料和结构必须得到验证。

通过有限元仿真技术，可以在计算机上建立这些零部件和车身结构的三维模型，并对其进行分析。

在仿真分析中，需要考虑的因素包括外力、材料特性、零部件和车身结构的形状和大小、以及不同零部件之间的接触情况等。

这些因素会影响汽车在发生碰撞时的变形、应力和响应能力，因此，在有限元仿真中，需要尽可能准确地考虑所有的因素。

三、有限元仿真在汽车碰撞试验中的技术和方法1.材料模型的建立有限元仿真中材料模型是一个非常关键的因素，因为材料的特性会直接影响汽车在发生碰撞时的响应能力。

汽车车身碰撞仿真与安全性评估分析随着汽车行业的不断发展和技术的日新月异，汽车碰撞仿真与安全性评估成为了重要的研究领域。

碰撞仿真技术可以通过计算机模拟，预测汽车在不同碰撞条件下的变形情况和安全性能，从而提前评估汽车的安全性能和优化设计。

汽车碰撞仿真是通过建立汽车碰撞模型，模拟汽车在真实碰撞情况下的动力学响应和车身变形情况。

通过仿真可以确定碰撞时车辆的相对速度、碰撞点、碰撞角度等关键参数。

同时，利用碰撞仿真还可以研究车身结构在不同碰撞条件下的变形、应力和应变分布情况，评估车身的刚性和吸能能力。

在进行汽车车身碰撞仿真之前，首先需要构建精确的车辆模型。

这包括车身、车轮、发动机、底盘等各个组成部分的几何形状和材料特性。

随后，使用计算机辅助设计软件进行网格划分和模型细化，为仿真计算做准备。

在汽车碰撞仿真过程中，最常用的仿真方法是有限元法（Finite Element Method，简称FEM）。

该方法将车辆模型以有限元单元的形式进行离散化，并根据各个单元的材料特性、初始条件和外部载荷进行运算。

通过求解结构的非线性方程组，可以得到车辆在碰撞中的变形情况并分析其对车辆乘员安全的影响。

车身碰撞仿真可以帮助工程师评估和优化车身结构。

例如，通过碰撞仿真可以评估不同碰撞角度对汽车安全性能的影响，进而进行结构优化。

通过改变车身材料、构造和连接方式等参数，可以提高汽车的抗颠覆性能、吸能能力和乘员保护性能。

除了车辆碰撞仿真，安全性评估也是汽车行业关注的焦点之一。

安全性评估旨在评估汽车在不同碰撞条件下的安全性能，包括碰撞稳定性、乘员保护、碰撞后灵活性等方面。

该评估通常包括正面碰撞、侧面碰撞、碰撞避免等多个方面。

正面碰撞是最常见的汽车碰撞形式之一，也是安全性评估的重要指标。

在仿真分析中，可以模拟不同速度和角度的正面碰撞，并评估车体的刚性和吸能能力。

侧面碰撞是另一个重要的碰撞形式，通过仿真分析可以评估侧撞杆的刚性和侧突变形情况，从而优化车身结构。

FINITE ELEMENT ANALYSIS OF AUTOMOBILE CRASH SENSORS FOR AIRBAG SYSTEMSABSTRACTAutomobile spring bias crash sensor design time can be significantly reduced by using finite element analysis as a predictive engineering tool.The sensors consist of a ball and springs cased in a plastic housing.Two important factors in the design of crash sensors are the force-displacement response of the sensor and stresses in the sensor springs. In the past,sensors were designed by building and testing prototype hardware until the force-displacement requirements were met. Prototype springs need to be designed well below the elastic limit of the ing finite element analysis, sensors can be designed to meet forcedisplacement requirements with acceptable stress levels. The analysis procedure discussed in this paper has demonstrated the ability to eliminate months of prototyping effort.MSC/ABAQUS has been used to analyze and design airbag crash sensors.The analysis was geometrically nonlinear due to the large deflections of the springs and the contact between the ball and springs. Bezier 3-D rigid surface elements along with rigid surface interface (IRS) elements were used to model ball-to-springcontact.Slideline elements were used with parallel slideline interface (ISL) elements for spring-to-spring contact.Finite element analysis results for the force-displacement response of the sensor were in excellent agreement with experimental results.INTRODUCTIONAn important component of an automotive airbag system is the crash sensor. Various types of crash sensors are used in airbag systems including mechanical,electro-mechanical, and electronic sensors. An electro-mechanical sensor (see Figure 1) consisting of a ball and two springs cased in a plastic housing is discussed in thispaper. When the sensor experiences a severe crash pulse, the ball pushes two springs into contact completing the electric circuit allowing the airbag to fire. Theforce-displacement response of the two springs is critical in designing the sensor to meet various acceleration input requirements. Stresses in the sensor springs must be kept below the yield strength of the spring material to prevent plastic deformation in the springs. Finite element analysis can be used as a predictive engineering tool to optimize the springs for the desired force-displacement response while keeping stresses in the springs at acceptable levels.In the past, sensors were designed by building and testing prototype hardware until the forcedisplacement requirements were met. Using finite element analysis, the number of prototypes built and tested can be significantly reduced, ideally to one, which substantially reduces the time required to design a sensor. The analysis procedure discussed in this paper has demonstrated the ability to eliminate months of prototyping effort.MSC/ABAQUS [1] has been used to analyze and design airbag crash sensors. The analysis was geometrically nonlinear due to the large deflections of the springs and the contact between the ball and springs. Various contact elements were used in this analysis including rigid surface interface (IRS) elements, Bezier 3-D rigid surface elements, parallel slide line interface (ISL) elements, and slide line elements. The finite element analysis results were in excellent agreement with experimental results for various electro-mechanical sensors studied in this paper.PROBLEM DEFINITIONThe key components of the electro-mechanical sensor analyzed are two thin metallic springs (referred to as spring1 and spring2) which are cantilevered from a rigid plastic housing and a solid metallic ball as shown in Figure 1. The plastic housing contains a hollow tube closed at one end which guides the ball in the desired direction. The ball is held in place by spring1 at the open end of the tube. When the sensor is assembled, spring1 is initially displaced by the ball which creates a preload on spring1. The ball is able to travel in one direction only in this sensor and this direction will be referredto as the x-direction (see the global coordinate system shown in Figure 2) in this paper. Once enough acceleration in the x-direction is applied to overcome the preload on spring1, the ball displaces the spring. As the acceleration applied continues to increase, spring1 is displaced until it is in contact with spring2. Oncethe sensor to perform its function within the airbag system.FINITE ELEMENT ANALYSIS METHODOLOGYWhen creating a finite element representation of the sensor, the following simplifications can be made. The two springs can be fully restrained at their bases implying a perfectly rigid plastic housing. This is a good assumption when comparing the flexibility of the thin springs to the stiff plastic housing. The ball can be represented by a rigid surface since it too is very stiff as compared to the springs. Rather than modeling the contact between the plastic housing and the ball, all rotations and translations are fully restrained except for the xdirection on the rigidsurface representing the ball. These restraints imply that the housingwill have no significant deformation due to contact with the ball. These restraints also ignore any gaps due to tolerances between the ball and the housing. The effect of friction between the ball and plastic is negligible in this analysis.The sensor can be analyzed by applying an enforced displacement in the x-direction to the rigid surface representing the ball to simulate the full displacement of the ball. Contact between the ball and springs is modeled with various contact elements as discussed in the following section. A nonlinear static analysis is sufficient to capture the force-displacement response of the sensor versus using a more expensive and time consuming nonlinear transient analysis. Although the sensor is designed with a ball mass and spring stiffness that gives the desired response to a given acceleration, thereis no mass associated with the ball in this static analysis. The mass of the ball can be determined by dividing the force required to deflect the springs by the acceleration input into the sensor.MeshThe finite element mesh for the sensor was constructed using MSC/PATRAN [2]. The solver used to analyze the sensor was MSC/ABAQUS. The finite element mesh including the contact elements is shown in Figure 2. The plastic housing was assumed to be rigid in this analysis and was not modeled. Both springs were modeled with linear quadrilateral shell elements with thin shell physical properties. The ball was assumed to be rigid and was modeled with linear triangular shell elements with Bezier 3-D rigid surface properties.To model contact between the ball and spring1, rigid surface interface (IRS) elements were used in conjunction with the Bezier 3-D rigid surface elements making up the ball. Linear quadrilateral shell elements with IRS physical properties were placed on spring1 and had coincident nodes with the quadrilateral shell elements making up spring1. The IRS elements were used only in the region of ball contact.To model contact between spring1 and spring2, parallel slide line interface (ISL) elements were used in conjunction with slide line elements. Linear bar elements with ISL physical properties were placed on spring1 and had coincident nodes with the shell elements on spring1. Linear bar elements with slide line physical properties were placed on spring2 and had coincident nodes with the shell elements making up spring2.MaterialBoth spring1 and spring2 were thin metallic springs modeled with a linear elastic material model. No material properties were required for the contact or rigid surface elements.Boundary ConditionsBoth springs were assumed to be fully restrained at their base to simulate a rigid plastichousing. An enforced displacement in the x-direction was applied to the ball. The ball wasfully restrained in all rotational and translational directions with the exception of the xdirection translation. Boundary conditions for the springs and ball are shown in Figure 2.DISCUSSIONTypical results of interest for an electro-mechanical sensor would be the deflected shape of the springs, the force-displacement response of the sensor, and the stress levels in the springs. Results from an analysis of the electro-mechanical sensor shown in Figure 2 will be used asfull ball travel. Looking at the deflected shape of the springs can provide insight into the performance of the sensor as well as aid in the design of the sensor housing.Stresses in the springs are important results in this analysis to ensure stress levels in the springs are at acceptable levels. Desired components of stress can be examined through various means including color contour plots. One of the most important results from the analysis is the force-displacement response for the sensor shown in Figure 4. From this force-displacement response, the force required to push spring1 into contact with spring2 can readily be determined. This force requirement can be used with a given acceleration to determine the mass required for the ball. Based on these results, one or more variations of several variables such as spring width, spring thickness, ball diameter, and ball material can be updated until the force-displacement requirements are achieved within a desired accuracy.A prototype of the sensor shown in Figure 2 was constructed and tested to determine its actual force-displacement response. Figure 4 shows the MSC/ABAQUS results along with the experimental results for the force-displacement response of the sensor. There was an excellent correlation between finite element and experimental results for this sensor as well asfor several other sensors examined. Table 1 shows the difference in percent between finite element and experimental results including force at preload on spring1, force at spring1-tospring2 contact, and force at full ball travel for two sensor configurations. Sensor A in Table 1 is shown in Figure 1. Sensor B in Table 1 is based on the sensor shown in Figure 2.The sensor model analyzed in this paper was also analyzed with parabolic quadrilateral and bar elements to ensure convergence of the solution.Force-displacement results converged to less than 1% using linear elements. The stresses in the springs for this sensor converged to within 10% for the linear elements. The parabolic elements increased solve time by more than an order of magnitude over the linear elements. With more complex spring shapes, a denser linear mesh or parabolic elements used locally in areas of stress concentrations would be necessary to obtain more accurate stresses in the springs.Notes: 1. Sensor A results are based on 1 prototype manufactured and tested. Sensor Bexperimental results are based on the average of 20 prototypesmanufacturedand tested.2. No experimental data for force at full ball travel for Sensor A.3. %Difference=(FEA Result - Experimental Result)/Experimental ResultCONCLUSIONSMSC/ABAQUS has been used to analyze and design airbag crash sensors. The finite element analysis results were in excellent agreement with experimental results for several electromechanical sensors for which prototypes were built and tested. Using finite element analysis, sensors can be designed to meet force-displacement requirements with acceptable stress levels. The analysis procedure discussed in this paper has demonstrated the ability to eliminate months of prototyping effort. This paper has demonstrated the power of finite element analysis as a predictive engineering tool even with the use of multiple contact element types.汽车安全气囊系统撞击传感器的有限单元分析摘要：汽车弹簧碰撞传感器可以利用有限单元分析软件进行设计，这样可以大大减少设计时间。

附录1汽车的碰撞安全性越来越得到人们的重视,不论是对轿车、小客车或其它类型的车辆。

由于进行碰撞试验往往需要许多时间与金钱,计算机仿真就是一条较好的方法。

而且,汽车被动安全性研究的有限元方法的发展,非线性动力显式有限元方法的进步,使得利用计算机仿真来进行汽车安全性评价与改进成为可能。

目前,各大汽车公司与研究机构已着手研究从仿真分析的结果中推演出进一步的修改方案,达到在汽车重量与碰撞特性等方面最优的研究。

本文以提高汽车耐撞性为目标,以某型七座小客车的初步设计方案为基础,建立了用于正面碰撞仿真的前部碰撞有限元模型,并进行了计算机碰撞模拟,提出了改进方案,提高了汽车的被动安全性设计水平,从而提高了新车型满足碰撞全法规的成功率。

在对汽车进行碰撞性能有限元分析时,汽车整车的建模工作量巨大。

本文中的整车有限元模型中的各个零件均由各零件的U G或CATIA 格式的几何模型转入HYPERME2SH 有限元建模软件并进行网格划分,再进行装配而成。

碰撞分析的有限元模型的节点数和单元数都超过了14 万,规模较大。

有限元分析软件采用LS2DYNA ,它是当前在汽车碰撞有限元仿真中应用较多的一个非线性动力显式有限元软件,它的主要算法采用Lagrangian 描述增量法,利用显示中心差分法离散时间域,积分时间步长大小受Courant 稳定性准则制约。

整车结构由100 多个元件装配而成。

建模时,连接的刚度和强度根据实际情况确定。

模型中的板壳单元以Be2lytschko - Tsay 四边形壳单元为主。

而节点也分为常规节点和模拟部分焊点情况的带失效的固连。

发动机和变速器在整车碰撞中的变形不予以考虑,其材料定义为刚性材料。

车门和车体的连接是通过铰链和门锁固定的,在数值仿真中,通过约束对应节点的位移自由度建立球铰模型来模拟。

考虑到研究中仿真的碰撞方式是最为典型的正面碰撞,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器件,其变形的模式极为复杂,而中柱之后在碰撞过程中几乎不发生变形。

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）摘 要要：运用HyperMesh软件，对某款轿车建立侧面碰撞有限元模型，根据C-NCAP侧面碰撞法规要求，进行侧面碰撞CAE仿真模拟，为随后进一步结构优化奠定基础。

关键词关键词：：CAE;侧面碰撞; 计算机仿真Simulation Analysis of Vehicle Side ImpactLi Nianwei Shao Junjian Niu Yajun Lu Huicai（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 simulation1 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LawrenceLibermore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。

基于有限元分析的汽车碰撞模拟与优化设计随着汽车行业的不断发展，对汽车碰撞安全性能的要求也日益提高。

为了保障车辆乘员在碰撞时的安全，汽车制造商们经常使用有限元分析来进行汽车碰撞模拟与优化设计。

本文将探讨基于有限元分析的汽车碰撞模拟与优化设计的方法和意义。

一、有限元分析简介有限元分析（Finite Element Analysis，FEA）技术是一种通过将结构离散为有限个较小的互相连接而成的单元，来模拟和分析结构的特性与行为的方法。

有限元分析技术广泛应用于工程、航空航天、机械制造、材料科学等领域，尤其在汽车工业中被广泛运用。

二、汽车碰撞模拟汽车碰撞模拟是指通过有限元分析技术对汽车在碰撞过程中的受力、变形、应力等情况进行数值模拟。

通过模拟分析，可以更好地理解汽车在碰撞过程中的物理行为，并对汽车结构进行优化设计。

在进行汽车碰撞模拟时，首先需要建立汽车的有限元模型。

有限元模型包括车身、车轮、发动机、底盘等各个部分，以及连接这些部分的螺栓、焊缝等。

模型的精细程度决定了模拟结果的准确性与细节表现。

然后，需要确定模拟的碰撞方案和条件，包括碰撞速度、角度、碰撞物体等，并根据实际情况设置有限元模型的边界条件。

这些条件将影响到模拟结果的准确性。

然后进行碰撞模拟计算，得到汽车在碰撞过程中的应力、变形等信息。

三、优化设计基于碰撞模拟的结果，可以对汽车结构进行优化设计，以提高汽车在碰撞时的安全性能和乘员保护能力。

优化设计的目标包括降低车辆受力水平，减小变形程度，提高抗碰撞能力等。

在进行优化设计时，可以通过在有限元模型上进行参数化设计，然后采用自动优化算法进行多次迭代，最终得到经过优化的汽车结构。

通过优化设计，可以使汽车在碰撞过程中吸收更多的能量，减少对乘员的冲击力，降低伤害风险。

优化设计不仅能够提高乘员的安全性，还可以减少事故造成的修车费用和人力资源损失。

四、冲击吸能装置的设计在汽车碰撞模拟与优化设计中，冲击吸能装置的设计是一个重要的方面。

某轿车侧面碰撞的有限元分析摘要:通过有限元法分析了某轿车侧面碰撞的安全性能,衡量了轿车侧面碰撞时的吸能特性。

在LS-DYNA软件中建立了某轿车的有限元模型,模拟碰撞时参考了C-NCAP侧面碰撞法规。

最终对该轿车侧面碰撞安全性能进行有限元模拟分析,为进一步的优化和改良提出了建议。

关键词:侧面碰撞有限元方法抗侧碰性能汽车碰撞试验是研究汽车安全性最准确可靠的方法,但是由于真实碰撞的过程比较复杂,试验费用较高。

所以通过计算机仿真来分析汽车碰撞,取代碰撞试验,已经成为研究汽车安全性的新趋势[1]。

在汽车被动安全的研究领域里,应用比较广泛的理论和计算方法是在20世纪70年代由美国LawrenceLibermore国家重点实验室提出的CAE有限元分析理论。

本文将利用LS-DYNA软件,对某轿车的侧面碰撞进行模拟仿真计算,分析结果,对汽车安全性予以评价,为进一步的车身改良提出参考意见。

1 C-NCAP碰撞试验方法1.1 侧撞实验条件可变形障碍壁碰撞被测车时的速度为是50 km/h。

相碰时速度在距离0.5 m处稳定下来。

在被测车的驾驶员位置放置1个假人,从而测量碰撞时驾驶员的受伤害情况[2]。

1.2 侧撞试验的评价指标评价整车碰撞性能的重要因素是乘员的伤害指标,却不是唯一的指标。

研究人员将车身对驾驶室的保护性能,即乘员舱结构的刚性也作为汽车碰撞安全性能的另一重要指标。

对于这一指标的判定,通常采用的参数是碰撞过程中乘员舱的侵入量测量值。

对于侧面碰撞中,一般是通过测量B柱的变形情况,考虑对假人人体各部位的危害程度。

B柱变形情况可以由侵入量及侵入速度来考察。

B柱各测量点如下图2,参数目标值如下表1。

2 仿真模型的建立2.1 整车有限元模型的建立利用Hypermesh软件在已建立的有限元模型上进行有限元网格划分。

为便于求解计算,模型右侧车门已略去,换成4根梁代替。

对于一些刚性较大、碰撞过程中几乎不变形吸能的零件,如发动机、变速箱、转向器等部分也予以省略,计算碰撞时由mass单元取其配重。

造成车身变形。

因此A 柱会更容易发生变形，此变形形式以折弯为主。

这样的变形会使驾驶舱内的乘客受伤概率增加、受伤程度加重。

同时A 柱变形过大的话，会造成驾乘人员无法打开车门逃生或由于腿部挤压无法离开事故现场的情况。

因此从保护驾乘人员生命安全的角度出发，对A 柱进行折弯变形分析意义重大。

图2所示为A 柱变形后折弯角度测量图，选取A 柱上3
个点，可以测量其角度变化。

图1 正面碰撞模型
图2 A 柱变形折弯角度测量图
图3 A柱碰撞角度变曲线
图5 前纵梁位移云图
图4 保险杠位移变化云图
终角度约为175.2°。

对比碰撞前后状态，A柱所测角度最终变化
3 仿真变形结果对比分析
针对本车型的仿真结果与执行同样碰撞标准的同车型实车碰
撞试验结果进行比对。

通过对碰撞试验车发动机舱内部和对应底盘部分观察，可以看出发动机缸盖罩和油底壳部分依然保持完好
（图7）。

发动机舱内零部件位置与正常发动机舱内布置相比，可
图6 前围板位移云图
图7 正面100%碰撞试验发动机舱变形情况
程，主要涉及的都是一些非线性大位移变形。

车辆本身包含很多零部件，本文主要针对在100%正面碰撞过程中A 柱的变化、保广告。

轿车车门侧面碰撞有限元仿真及优化研究乔维高;张良安;涂进进【摘要】为了研究和改善车门耐撞性，参考E‐NCAP的柱状碰撞试验，建立了某车型的车门三维模型，并运用Hyper Works和LS‐DYNA对其进行联合碰撞仿真。

对比了不同材料应变率，防侧撞梁的不同截面形状、不同安装位置和数量下的车门耐撞性。

得出结论，材料应变率参数为C40 P6，防侧撞梁截面形状为半圆形，安装位置为斜置时的车门的耐撞性较好。

同时，加装一根防侧撞梁使得内板侵入量减小了11％以上，可有效改善车门耐撞性。

%In order to study and improve the door's crashworthiness ,this paper establishes a three‐di‐mensional model of a car door and performs a joint impact simulation by Hyper Works and LS‐DYNA , according to columnar crash test of E‐NCAP .This paper compares the car's crashworthiness under different material strain rates of a door ,different sectional shapes ,different mounting positions and different numbers of side‐impact beams .Some conclusions are draw n:w hen the material strain rate parameter is C40P6 and the sectional shape of side‐impact beams is semicircular and its mounting posi‐tion is skew ,the door's crashworthiness is better .Meanwhile ,the installation of a side‐impact beam would reduce the deformation displacement of inner boardby over 11% ,which thus can ef fectively im‐prove the door's crashworthiness .【期刊名称】《武汉理工大学学报（交通科学与工程版）》【年(卷),期】2016(040)002【总页数】5页(P275-279)【关键词】被动安全;有限元仿真;耐撞性;优化【作者】乔维高;张良安;涂进进【作者单位】武汉理工大学汽车工程学院武汉 430070; 现代汽车零部件技术湖北省重点实验室武汉 430070; 汽车零部件技术湖北省协同创新中心武汉 430070;武汉理工大学汽车工程学院武汉 430070; 现代汽车零部件技术湖北省重点实验室武汉 430070; 汽车零部件技术湖北省协同创新中心武汉 430070;武汉理工大学汽车工程学院武汉 430070; 现代汽车零部件技术湖北省重点实验室武汉 430070; 汽车零部件技术湖北省协同创新中心武汉 430070【正文语种】中文【中图分类】U461.91我国道路交通以平面交叉为主，侧面碰撞时有发生.同时，近几年来，汽车正逐步走入农村家庭.农村道路较窄，弯路较多，车门较容易碰撞到路边的电线杆或其他硬物.基于文献[1]提出的以侧围部件模型表示整车模型进行侧面碰撞仿真，文献[2]提出的车门外板曲面的建模方法，本文建立了车门的CAD/CAE模型，并参考E-NCAP的圆柱碰撞试验，对车门进行碰撞仿真，进而研究改变车门材料应变率，改变防侧撞梁的截面形状、安装位置和数量对车门耐撞性的意义.该碰撞模型参考了E-NCAP的柱状碰撞试验(模型见图1).本次车门碰撞模型即只考虑整车的车门模型，其他条件不变.1.1 车门有限元模型考虑到侧面碰撞仿真中的有限元模型规模大、效率低的缺点，本文采用以侧围部件模型表示整车模型进行侧面碰撞仿真的方法.车门主要由薄壁零部件焊接而成，仿真中一般使用壳单元刚性联接.本文采用的单元类型为BT壳单元，积分方法为面内单点高斯积分，在厚度大于2.0 mm处用5个积分点，其余部分用2个积分点.仿真过程中，在与圆柱直接碰撞的外板处使用局部沙漏控制，其余部分采用全局沙漏控制，控制参数QH=0.05.车门的实际尺寸是比较大的.除防侧撞梁，加强板采用5 mm×5 mm网格划分外，其他部分均使用10 mm×10 mm的网格[3].在网格的过渡部分采用手动修改的形式提高网格质量.按以上方法，该车门被划分为52 641个单元.车门各部件的联接采用刚性焊点来模拟.碰撞过程中，要求焊接部位不发生撕裂.故仿真中，定义焊点不存在失效.同一部件上的焊点之间隔3～4个节点比较合理.而对于斜置于车门中的半圆形防侧撞梁，其两端的焊点应该分布得更密，以防止其滑脱.车门采用了多种线塑性材料.在定义车门材料时，均采用LS-DYNA的24号材料，忽略材料应变率[4].材料其他参数见表1.1.2 圆柱及碰撞有限元模型参照E-NCAP柱碰试验，考虑中国城市交通及车门结构简化的实际情况，确定碰撞圆柱的直径为254 mm、质量为200 kg，材料为刚体.仿真中，圆柱的材料定义为MAT20材料，网格按10 mm×10 mm的单元尺寸划分，使用局部沙漏控制. 碰撞模型为车门正中间以29 km/h的速度与静止的直径为254 mm的刚性圆柱发生碰撞.碰撞模拟前，对碰撞的两模型，需要进行初始条件的定义.首先，车门铰链处的5个自由度(3个移动自由度和2个转动自由度)需要被约束，而释放绕Z轴转动的自由度[5].车门门锁等边框处沿Y轴的移动自由度被约束.其次，由于车门各部件均为壳单元，各部件之间的接触类型均设置为自动单面接触.而与圆柱发生碰撞的车门外板定义为自动面面接触，接触面的动静摩擦系数选为0.2.最后，根据台车碰撞试验数据，车门内板与乘员身体发生接触一般在25 ms内.故将碰撞时间设定为25 ms，时间步长定为1.0×10-6 ms，d3plot输出时间间隔设定为0.5 ms.在Hyper Mesh软件中完成仿真前处理，并输出一个含有仿真各种设置的K文件，进而将它导入LS-DYNA软件中求解.K文件中的错误设置或不完整设置会在求解过程中凸显出来，LS-DYNA不能兼容的内容也会显示出来，故需参照软件给出的Message，对K文件进行修改，直至系统正常、完整地输出结果.HyperGraph软件可以对该仿真的Binout文件进行后处理.得到的车门关键点的内板侵入量见图2，车门质心加速度见图3.车门内板侵入量是影响乘员生存空间的直接因素，一般规定内板侵入量不应大于50 mm.图2表明，前5 ms内，车门内板几乎没有变形，属于安全逃生阶段.5 ms 以后，车门内板的侵入量逐渐增加，增加的速度是由缓及快，再由快变缓.其中，在13 ms时，内板侵入速度出现最大值.直至20 ms，内板基本不再发生变形，此刻出现最大侵入量，其值为45 mm.车门质心加速度过大会直接导致“二次碰撞”，是车门耐撞性的重要评价指标.图3表明，车门质心在前0.2 ms没有加速度，在13 ms左右出现峰值，峰值约为1.3 mm/ms2.由上可知，内板变形速率、车门质心加速度增加速率出现最大值的时刻均在13 ms左右.这可能是此时防侧撞梁接近“屈服”造成的结果，即防侧撞梁出现“过早屈服”.仿真结果显示，该车门的变形及加速度较大，需进行优化研究.通过合理布置节点，分别研究改变车门材料的应变率，防侧撞梁的截面形状、安装位置和数量对车门耐撞性的影响.原车门模型忽略了材料的应变率，且只在车门内斜置了一根截面形状为半圆形的防侧撞梁.3.1 车门材料应变率材料的应变率是指应变对时间的一阶导数，是材料性能的重要影响因数[6].本文选用了忽略应变率、C40 P5、C40 P6和C50 P5四种不同应变率下的仿真结果作对比研究.不同材料应变率的车门内板侵入量见图4.从碰撞开始，忽略应变率的曲线就与其他3条曲线保持较大差别，且侵入量最小.而从15 ms起，C40 P5与C40 P6曲线才出现差别，而C40 P5与C50 P5曲线始终无明显差别，且C40 P6曲线的变形小于C40 P5和C50 P5曲线.其最大侵入量为50 mm.不同材料应变率下的车门吸能曲线见图5.考虑应变率的车门吸能始终明显大于忽略应变率的车门吸能，且在15～20 ms期间，C40 P5曲线与C40 P6曲线开始出现较大的差别，而与C50 P5曲线十分接近.后三者中，C40 P6曲线吸能最多.在碰撞的前期阶段，车门变形为塑性变形，吸能较多的车门，其变形也较大.在保证车门内板侵入量不大于50 mm的前提下，车门吸能越多越好.故在本次研究中，材料应变率参数为C40 P6的材料最为适宜.3.2 防侧撞梁的截面形状防侧撞梁的截面形状多种多样，对防侧撞梁的耐撞性影响极大[7-9].在截面尺寸相近，质量一样的前提下，本文对截面形状为半圆形、圆形、方形和U形的防侧撞梁进行了仿真.碰撞结束，即25 ms时，不同截面形状防侧撞梁的应力应变云图见图6.方形、圆形和U形防侧撞梁的应力集中，且最大应力在841 MPa以上，远大于防侧撞梁材料的屈服极限.而半圆形截面形状的防侧撞梁的应力分布比较均匀，且最大值约为730 MPa.不同截面形状防侧撞梁的变形见图7.整个碰撞过程，半圆形防侧撞梁的变形量最大，圆形与U形防侧撞梁的变形十分接近，稍大于方形防侧撞梁的变形量.且在18 ms以后，半圆形防侧撞梁的变形显著增加，其吸收的能量也快速增加，起到了很好的吸能防撞作用.综上所述，半圆形防侧撞梁应力分布合理，变形吸能能力较好，有利于提高车门的碰撞承受能力.3.3 防侧撞梁的安装位置防侧撞梁在车门内的安装位置有横置(与车门下边缘平行且位于车门中间)，竖置(与车门下边缘垂直且位于车门中间)和斜置(与车门下边缘呈45°夹角且一端位于前下转角处)三种.不同安装位置的防侧撞梁应力应变云图见图8.斜置和横置的防侧撞梁应力分布较均匀，而竖置的防侧撞梁应力分布过于集中.三者的应力最大值比较接近，均在730 MPa左右.不同安装位置的防侧撞梁变形见图9.竖置的防侧撞梁的变形波动幅度大，给予乘员的冲击大；18 ms前，斜置防侧撞梁变形明显小于横置防侧撞梁，给乘员足够的生存空间；而18 ms后，斜置防侧撞梁变形迅速增加，碰撞吸能作用明显.故防侧撞梁斜置时，其应力分布良好且变形吸能过程较合理，对侧碰中乘员的安全更有利.3.4 防侧撞梁的数量防侧撞梁是车门最重要的吸能部件.理论上，其数量的增加能够改善车门的变形和加速度分布情况[10].在此，本文研究了在斜置防侧撞梁的车门上加装一根横置防侧撞梁的侧面碰撞效果.不同防侧撞梁数量的车门应力应变云图见图10.据图中颜色分区可知：加装第二根防侧撞梁以后的车门的应力变形得到明显改善，应力分布趋于合理，变形量得到减小.这是由于两根防侧撞梁共同承担碰撞力和吸能变形的结果.图11为车门内板的侵入量.15 ms前，两曲线十分接近，这是因为横置的防侧撞梁还未参与碰撞，而在15 ms以后，改进车门的两根防侧撞梁同时抵抗碰撞力，其内板变形显著减小.相比原车门，内板侵入量降低了11%.综上所述，防侧撞梁数量对侧面碰撞特性有着明显的影响，加装横防侧撞梁大大增加了乘员的生存空间.1) 材料应变率对侧面碰撞影响很大，且P参数的影响比C参数更大.碰撞效果由优至差排序为：C40P6→C40P5→C50P5→忽略应变率.故将车门材料改为应变率参数为C40P6的材料可提高其耐撞性.2) 半圆形防侧撞梁应力分布较合理，变形吸能能力较好.故改变防侧撞梁的截面形状不能提高车门耐撞性.3) 斜置、横置和竖置防侧撞梁中，斜置防侧撞梁的碰撞效果处于最优.其应力分布均匀，最大变形约为115 mm.故改变防侧撞梁的安装位置不能改善其碰撞安全性.4) 加装横置防侧撞梁的车门内板侵入量从改前的45 mm，降低至40 mm，下降幅度超过了11%.故在车门空间允许的情况下，加装防侧撞梁是增强车门侧面碰撞安全性最快捷有效的措施.【相关文献】[1]伍广，李光耀，陈涛，等．基于乘用车侧围部件模型的侧面碰撞仿真简化建模方法[J]．中国机械工程，2009，20(16)：1996-2002．[2]武振锋，贾凡，王娜．基于CATIA的轿车车门外板曲面创建与质量分析[J]．武汉理工大学学报(交通科学与工程版)，2012，36(4):778-781．[3]陈晓东，尹同耀，朱西产，等．汽车侧面碰撞计算机仿真方法[J]．汽车工程，2004，26(1)：65-68．[4]胡远志，曾必强，谢书港．基于LS-DYNA和Hyper Works的汽车安全仿真与分析[M]．北京：清华大学出版社，2011.[5]邓召文，高伟，熊剑．Taurus轿车车门侧面碰撞有限元分析[J]．重庆交通大学学报(自然科学版)，2010，29(5)：808-812．[6]万德安，赵建才．轿车车门刚度有限元分析及结构优化[J]．汽车工程，2001，23(6)：385-388．[7]陆勇，曹立波，吴俊．轿车侧面碰撞安全结构改进方法研究[J]．中国机械工程，2008，19(24)：3006-3011．[8]吴毅，朱平，张宇．基于侧面碰撞仿真的轿车防撞杆结构优化研究[J]．机械设计与研究，2006，22(5)：108-111．[9]刘卫民，刘卫国，管立君．某微型汽车侧面碰撞安全性能优化[J]．汽车技术，2011(10)：24-27．[10]WANG D Z， DONG G． Car side structure crashworthiness in pole and moving defor mable barrier side impacts[J]．Tsinghua Science and Technology，2006，13(15)：725-730．。