赵幼平 郭友利 刘道勇 刘永超 耿广锐
东风汽车工程研究院
摘 要：本文应用LS-DYNA3D软件对某轿车进行了正面全宽碰撞和正面偏置碰撞数值模拟仿真。仿真分析结果表明：正面偏置碰撞会引起更大的乘员室侵入量和严重或致命的伤害。
关键词：汽车 正面碰撞 计算机仿真 碰撞安全性
The Frontal Crash Simulation of a Passenger Car by LS-DYNA3D
Zhao Youping Guo Youli Liu Daoyong Liu Yongchao Geng Guangrui
Dong Feng Motor Engineering Research Institute
Abstract: In this paper the frontal crash and offset frontal impacts simulation was done by LS-DYNA3D analysis code. The result showed that offset frontal impacts will cause greater passenger compartment intrusion and serious or fatal injuries.
Keywords: Automobile Frontal crash Computer simulation Crash security
1 前言
随着我国道路交通状况的不断改善，交通事故总量和所造成的人员伤亡与财产损失近年来呈上升趋势，如何提高汽车在碰撞过程中的被动安全性能，最大限度地避免或减轻乘员在汽车碰撞中的伤亡将成为我国汽车被动安全性研究的重要课题。
近年来，我国汽车（特别是轿车）被动安全性强制性法规的逐步实施，对汽车整车耐碰撞性能的要求也愈来愈高，从设计角度考虑，希望能在开发阶段即预知汽车结构碰撞安全性能是否满足法规的要求。同时找出结构设计上的缺陷，从而提高汽车结构耐碰撞性能，降低试验和试制费用，提高产品的竞争能力。因此，本文应用LS-DYNA3D软件对某开发设计的轿车在正面碰撞和正面偏置碰撞（50%偏置壁障）条件下进行了模拟仿真分析。碰撞模拟分析结果与实际车辆碰撞试验变形的录像结果相符合，说明碰撞数值模拟分析结果是可信的。模拟仿真结果表明，利用计算机仿真技术进行汽车碰撞研究可以完善结构设计，提高汽车被动安全性能，从而缩短开发周期，降低开发费用，提高市场竞争能力。
2 汽车碰撞数值模拟方法
汽车在实际使用过程发生碰撞时，汽车的运动轨迹以及车内乘员的运动状态往往十分复杂，因此运动方程式的建立和求解也都很复杂。故在碰撞计算时一般都利用显式格式的全降阶积分有限元算法，避免大型联立方程组求解，提高单元的计算速度，同时在计算中对全降阶积分产生的单元零能变形模式加以控制。轿车正面与障碍壁碰撞时，主要吸能结构件的碰撞属于薄壁构件和板金件的压塌、失稳、撕裂、弯曲失效等非线性大变形吸能过程，这种结构在计算时要同时考虑材料、几何、接触、摩擦等多种非线性因素的影响，实际结构中的加强板重叠、焊点排列、凸起和凹槽等细节也会影响载荷和变形的传递路径。这些参数及问题的有效处理与解决，是建立合理计算模型并成功进行整车碰撞数值模拟的基础和关键。
在建立整车仿真模型时，因涉及的零部件较多，故如何建立这些部件的数学模型和确定相应的结构参数，从而使模型的碰撞特性与实际车辆碰撞结果相吻合不但十分复杂，而且工作量很大。由于碰撞过程中，人和车的运动规律不同，再加上激烈碰撞时车身发生大变形并引起仪表板、前围板等零部件侵入乘客室内，减少了人体与室内物体的距离，也使问题求解复杂化。所以，汽车碰撞的计算机模拟研究宜用有限元方法研究汽车碰撞过程中车身变形及动态响应；若条件具备可进行人体在多种碰撞条件下响应的研究。
在汽车正面碰撞过程中，通常只有一部分结构发生大变形失效，主要吸能和失效结构为前保险杠总成、前舱、发动机罩和前围板等总成部件。由于整车碰撞模拟计算耗时费力，所以从简化问题，缩短分析周期考虑，可对重点关心的主要吸能结构件建立模型，进行碰撞计算。需要注意的是：汽车结构碰撞分析属于大变形接触运动的高度非线性问题，结构件运动过程的接触状况及连接刚度对计算结果有着重要的影响，有关文献[1]研究也指出：汽车受碰撞部件的塌陷模式及对碰撞能量的吸收在将部件从汽车上分离出来和包括在汽车上两种状况下有很大的区别。
3 汽车正面碰撞仿真模拟
3.1 有限元模型
在轿车白车身有限元模型的基础上，加上发动机罩、前保险杠、发动机、车轮、转向机构和方向盘等总成部件，建立了整车碰撞模拟分析的有限元模型。车身结构主要通过点焊方式将零部件（薄壁件）连为整体，前保险杠为塑料件，发动机与正面刚性墙定义为刚性材料。根据结构特点，分别采用薄壳单元、块体单元、梁单元进行网格划分，焊点和螺栓等其它紧固连接用刚性单元模拟。由于轿车前部为主要碰撞变形区域，故网格划分时这些部件做了适当加密，同时对所有可能的碰撞接触零部件之间都定义了接触运动关系，以反映结构件的实际受力和变形状态。结构网格划分所用单元为LS-DYNA3D软件的BELYTSCHKO-TSAY非线性薄壳单元，HUGHES-LIU梁单元和三维实体单元，整个模型（图1）共划分有节点77505个，单元74000个。
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图1 汽车碰撞模拟有限元网格
模拟仿真汽车运动速度为48km/h，碰撞时间历程为80ms，仿真结果数据应用LSPOST软件（LS-DYNA3D专用后处理程序）进行了处理。
3.2 正面全碰撞模拟仿真
图2为整体变形结果，图3为模拟仿真结果与实际车辆碰撞试验结果录像的比较，图 4为前舱部分的碰撞模拟变形结果，图5为模拟仿真吸能结构件碰撞力的变化曲线。图6为碰撞能量变化曲线。
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t=20 ms t=50 ms
图2 整车碰撞变形
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模拟结果 试验结果录像
图3 模拟结果与试验结果的比较
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t=20 ms t=50 ms
图4 前舱结构碰撞变形
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图5 碰撞力变化曲线 图6 能量变化曲线
3.3 碰撞变形
由图2、图4可见：在碰撞前半程，前舱结构、发动机罩、保险杠总成等部件发生较大的弹塑性变形，由此吸收消耗能量，这时，乘坐室的变形较小。当前舱结构变形达到最大值（约40ms时刻）后，乘坐室开始产生一定的变形，主要发生在前围板总成和方向盘上，此时发动机已与乘坐室前端的前围板等部件发生碰撞接触，这些造成了方向盘的后移，从而对驾驶员产生碰撞冲击。因此，从碰撞安全性能考虑，国外已有法规规定转向机系统的向后移动量需限制在一定范围之内，以保持乘坐室的完整性并尽可能减小乘员在乘坐室空间限制范围内的碰撞速度。从模拟仿真结果看：吸能结构件的设计有待于进一步改进和完善。
3.4 试验验证
由图3可见：实际车辆碰撞试验结果录像的变形趋势与模拟仿真结果一致，表明模拟仿真结果可信。
3.5 碰撞作用力
由图5可见：在碰撞前半程，碰撞作用力增加较快，直至碰撞变形达到最大值；在20ms时刻后，吸能结构件的碰撞力就逐渐减小，这表明结构变形部位正在逐渐向后移动至前围板、转向机构、方向盘及乘坐室前端部位，这是碰撞后期产生的变形。
3.6 碰撞能量
根据碰撞能量曲线，可对汽车部件进行改进设计。由图6可见，碰撞时结构变形能量吸收尚不够充分，因此，汽车前舱吸能结构件的设计应加以改进，以能确保其在给定移动距离下获得最大的能量吸收，从而使乘坐室在尽可能高的冲击速度下免遭侵犯。
4 正面偏置碰撞模拟仿真
汽车正面全碰撞刚性障碍物是相对简单的一种情况，在实际使用中较常见且危险性更大的是正面偏置碰撞[2]，即汽车在正面50%的宽度范围（如左侧）撞向障碍壁，为比较这两种情况的结构变形差异，本文对汽车正面偏置碰撞刚性障碍物进行了模拟仿真。这里只给出了前60ms的结果，图7和图8分别为整体和前舱部分的碰撞变形，图9吸能结构件碰撞力的变化曲线。
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t=20 ms t=50 ms
图7 整体碰撞变形
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t=20 ms t=50 ms
图8 前舱结构碰撞变形
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图9 碰撞力变化曲线
4.1 碰撞变形
由图7和图8可见：前舱结构及前保险杠的变形极不均匀，发生碰撞的一侧（左侧）产生了较大的变形，由此吸收能量，而另一侧的变形则较小。在碰撞初期，结构变形不大；当碰撞达到中后期时，随着变形的不断增大，结构件的扭曲也愈加严重，使得发动机与前围板发生接触干涉。由于发动机左右两侧变形不同步，造成发动机与前围板的实际接触范围较小，这容易给乘坐室带来较大的冲击。很显然，正面偏碰撞的危险性及对乘员的伤害要大于正面碰撞。
4.2 碰撞力
在碰撞前期除碰撞力峰值增大了10%以外，而此时正面偏碰撞的减速度峰值也比正面全碰撞增大不少，这表明偏碰撞情况更易产生发动机等前舱部件对乘坐舱的侵入,从而造成对乘员的伤害。这是在结构设计时需要给予足够重视，并尽可能避免发生的情况。
4.3 小结
以上对汽车正面碰撞和正面偏置碰撞（50%）两种情况进行了模拟分析，应用实际车辆正面碰撞试验结果验证了模拟仿真结果，二者变形趋势一致，可见模拟仿真结果是可信的。碰撞模拟结果表明：与正面全碰撞相比，正面偏碰撞情况更严重一些，因为它会引起更大的乘员室侵入量和严重或致命的伤害。此外，前舱吸能部件的结构设计还有进一步改进的潜力。
5 结束语
通过整车碰撞模拟仿真分析，本文建立汽车碰撞数值模拟分析方法并形成了初步的工程应用能力。这个碰撞模拟分析模型经过了实际车辆碰撞试验的验证，因此，可以用来对结构进行碰撞性能预测分析。通过模拟仿真，能够得到车辆部件在碰撞过程中的动态变形信息，能量的消耗和分布情况及失效过程，这些参数信息对结构设计的优化，减少设计盲目性都是很有益处的。
由于整车碰撞模拟仿真属高度非线性课题，其难度与复杂性均不言而喻。同时在假人模拟、气囊模拟、侧面碰撞模拟等方面还有很多研究工作需要开展，这些课题难度均较大，目前国内还是空白，它是我们今后努力的方向和目标。
参考文献
[1] 顾力强、林忠钦 “国内外汽车碰撞计算机模拟研究的现状及趋势”《汽车工程》 1999.1
[2] ,. Simulation of a Car Frontal Offset Impact Into a Fixed Deformable Barrier SAE 962485
[3] LS-DYNA3D USER MANUAL 1998
