碰撞分析实例

11前部碰撞分析目前前部碰撞主要有两类，一种是正面刚性墙碰撞，如GB11551、FMVSS208；另一种是偏置可变形壁障（ODB）碰撞，如ECE94、IIHS。尽管这两种试验在试验设置和评价上不尽相同，但其主要目的都是为了使乘员在碰撞事故中得到保护，以及评价车辆结构性能。车辆结构性能包括转向柱的垂直和向后移动量、燃油系统完整性、在试验过成中车门不应打开、安全带固定点强度、风挡保持力、车上的零件不应侵入乘客箱、发动机盖的后边缘不应通过风挡侵入、碰撞后至少有一个门能打开。乘员的响应与以下条件有关：车辆的加速度、安全带约束系统、安全气囊约束系统、方向盘与转向柱、防火墙的侵入、膝垫的约束。由此可见，每个子系统的设计都与乘员有关。这使得问题很复杂，从设计和分析的观点看很难处理。于是传统的问题被分成设计与分析子系统，即先保证车辆结构性能，再进行乘员仿真来模拟台车试验。这里介绍车辆前碰结构性能分析。通过分析，在合理的精度下，能够预测A柱与转向柱的移动量、防火墙的侵入量、车辆与气囊传感器布置点的加速度波形、能量分布、载荷的传递、特殊的变形模式等。而燃油系统泄漏、车门的开启性无法直接模拟，只能根据变形情况做初步判断。1.1.1正面碰撞建模（1）模型质量匹配前碰分析中，车是运动的，因此车辆模型的质量分布、总质量、质心、轴荷分配是至关重要的，应该与实际状态一致。但模型是简化过的，其质量要比实际车的轻，质量分布也与实车有差别，为匹配模型的质量，一般采用添加集中质量（mass单元）的方法。质量单元要均匀分散加在车辆上刚度较大的地方。如果模型中不包括假人，那么假人的重量也要合理匹配。（2）定义接触在前碰过程中，车辆中不同的部件、障碍墙、假人会发生自身和相互接触。因此，要定义接触面来表现这些相互关系。前碰中一般要定义下列接触：1）将整个车辆定义为一个单一接触面；2）在硬的和软的材料间定义接触面，例如座垫泡沫与结构；3）要监测相互作用的部件，例如轮胎与门槛、燃油箱与周围部件；4）假人与方向盘、仪表板、座椅、安全带、气囊、内饰、结构间的接触面应分开定2义；5）气囊和结构间应定义接触面；6）局部边与边的接触。所有的接触类型用自动接触。接触面可以是节点集、单元集、part集、segement等，也可用BOX选取需要定义接触的区域。（3）定义壁障与地面一个固定的无限大的平面刚性墙barrier用于模拟壁障。刚性墙的定义要注意以下几点：1）墙位于距离车辆最前端前1mm处（留出前保险杠的厚度），其法向量与车辆行进方向相对，即X轴的正方向；2）将车辆前部可能与墙接触的节点定义为从节点集nodestobarrier，注意不要包括刚性墙上的节点；3）定义滑动摩擦系数为0.6。一个固定的无限大的平面刚性墙ground用于模拟地面。刚性墙的定义要注意以下几点：1）墙位于距离车辆最底部下1mm处（留出轮胎的厚度），其法向量沿车的高度方向，即Z轴的正方向；2）将地面到车轮中心以下的节点定义为从节点集nodestoground，注意不要包括刚性墙上的节点；3）定义滑动摩擦，摩擦系数为0.3。（4）定义重力整个模型都要施加重力，包括车辆与假人。首先将要施加重力所有部件定义为一个part集partsforgravity，再定义重力加速度随时间变化的曲线，最后定义相应关键字，并选取已定义的part集和重力加速度曲线。（5）定义初速度碰撞车辆的所有节点要定义沿车辆行进方向（X轴负向）的初速度，在模型中该初速度应该设为-13888.9mm/s（50km/h）。（6）定义输出力的截面在图8-4所示的各处定义截面，关键字为*DATABASE_CROSS_SECTION_PLANE。3-1-12345768910111213141516图1-1前碰截面力测量位置示意图各截面的位置说明见表1-1。表1-1前碰截面力测量位置说明序号截面部位1前纵梁前端2前纵梁发动机悬置前3前纵梁根部4前副车架前端5前副车架后端6前副车架安装支架7上纵梁（shotgun）8A柱9顶侧梁10门槛/车架前端11门槛/车架后端12前底板纵梁13中通道14前门窗框梁15前门防撞梁16整个前门（7）定义控制与输出卡片正面刚性墙的碰撞模拟时间一般设定为0.09～0.12秒。本例中设为0.12秒。1.1.2正面碰撞后处理后处理主要考察的内容包括车辆变形情况、结构响应、历史曲线等。（1）车辆变形模式4研究整车，前保险杠、前碰撞吸能盒、前纵梁、上纵梁（shotgun）、A柱、门槛、前底板纵梁、中通道、前车门、（副）车架等关键区域的变形序列与变形模式。可以用变形图、动画、VonMises应力和塑性应变等形式直观地表示。要显示的部件及视图如下：1）整车各视图；2）顶视图、侧视图显示保险杠、吸能盒、前纵梁；3）顶视图、侧视图显示前（副）车架；4）侧偏前显示前舱主要构件；5）侧偏后显示乘客箱主要构件（防火墙、前底板纵梁、门槛、A柱）；6）车门腰部加强梁、防撞梁及其连接板；7）座椅结构；8）动力总成与转向系和车身的接触区域；9）底视图显示燃油箱及其周围部件。（2）车辆变形量测量以下变形量：1）前门框在腰部和门槛处的宽度减小量曲线；2）转向管柱上跳量、后移量、横向位移曲线；3）制动踏板上跳量、后移量曲线；4）油门踏板上跳量、后移量曲线；5）前挡板侵入量曲线。其中，前挡板侵入量的具体测量部位包括：a)脚后跟上部200mm的驾驶员中心线处；b)脚后跟上部200mm的车辆中心线处；c)脚后跟上部200mm的乘客中心线处；d)驾驶员脚踏板；e)油门踏板在车辆纵向的投影处；f)制动踏板在车辆纵向的投影处；g)乘客左脚处；h)乘客右脚处。（3）车辆的运动特性绘制各加速度测量点的“加速度－时间”和“加速度－位移”变化曲线，采用SAE60滤波。图1-2是在实例的左、右车架和底板中间测量的车辆加速度曲线。5a）加速度－时间曲线b）加速度－位移曲线图1-2车辆加速度曲线绘制车辆（B柱根部测量点）的速度、位移随时间的变化曲线，见图1-3、图1-4。图1-3车辆速度曲线图1-4车辆位移曲线（4）能量分布绘制保险杠、碰撞吸能盒、前纵梁、上纵梁（shotgun）、防火墙、前底板、（副）车架等主要吸能部件的内能随时间的变化曲线。图1-5是实例的保险杠和车架的吸能曲线。图1-5吸能曲线（5）载荷传递6绘制各截面的载荷随时间的变化曲线，采用SAE180滤波。图1-6是实例左、右车架各处的截面力，截面的具体位置见模型。（6）车辆与壁障的作用力绘制车辆与壁障的作用力曲线，采用SAE180滤波，见图1-7。图1-6截面力曲线图1-7车辆与壁障的作用力曲线后处理完成后，分析比较各种数据，对车辆的结构性能做出评价，并提供改进设计建议。78.2侧面碰撞分析目前侧面碰撞保护也主要有两类，一种是移动可变形壁障（MDB）碰撞，如FMVSS214、IIHS、ECE95/EuroNCAP；另一种是刚性柱撞，如FMVSS201、EuroNCAP。尽管这些试验在试验设置和评价上不尽相同，但其主要目的都是为了使乘员在碰撞事故中得到保护，以及评价车辆结构性能。车辆结构性能包括燃油系统完整性、在试验过程中车门不能打开或与车脱离、侧围与车门的侵入量和侵入速度、碰撞后B柱内侧到座椅的距离、碰撞后能打开足够多的门。这里介绍车辆侧碰结构性能分析。通过分析，在合理的精度下，能够预测B柱与车门的侵入量和侵入速度、气囊传感器和控制模块布置点的加速度波形、能量分布、载荷的传递、特殊的变形模式、乘员的伤害值等。而燃油系统泄漏、车门的开启性无法直接模拟，只能根据变形情况做初步判断。侧碰分析按FMVSS214规定的碰撞要求为例进行说明。2.1侧面碰撞建模侧面碰撞建模应先完成车辆模型、座椅模型、乘员模型、移动可变形壁障模型，再将各系统集成为一个完整的模型。车门要详细建模，应包括内饰部件、玻璃升降系统，铰链与门锁要仔细处理。如果有的话，门内饰中的泡沫填充物材料特性需要指明应变率，可以使用与碰撞速度相近的材料试验的试验数据；为防止计算不稳定，泡沫避免细的网格，并使用固连接触“粘”到主面上。侧碰模型的质量匹配、重力定义、控制与输出卡片与前碰模型类似，不再赘述，下文仅说明后碰建模的特别之处。（1）定位假人模型按试验要求将假人定位到正确位置。假人模型的精确定位很重要，即使数毫米的差别就可能会在响应上有很大变化。（2）定位壁障模型FMVSS214壁障定位基于车辆的轴距，而欧洲是基于乘员参考点（R点）的。壁障的位置满足条件：1）放置于驾驶员一侧；2）被撞面平行于车辆的纵向平面，壁障的纵向切面通过碰撞参考线；3）壁障撞击试验车左（右）侧时，它的所有轮子与其纵向切面向右（左）成27±1角；4）最前端可变性部分的下端面距地面的距离为279mm；5）碰撞块与被撞车辆外表面的距离为1mm（要考虑壳单元的厚度）。FMVSS214规定轿车按下面的要求标定一条铅锤线作为碰撞参考线：8a）对轴距为2896mm或更小的轿车，碰撞参考线在轮距中心向前940mm的位置。b）对轴距大于2896mm的轿车，碰撞参考线在轮距中心向后508mm的位置。（本例车辆的轴距为2907mm，因此根据b）确定碰撞参考线。（3）定义地面地面的定义方法与前碰相同。车辆的“地面”与移动壁障的“地面”要分开定义，车辆与地面的摩擦系数设为0.6，移动壁障与地面的摩擦系数设为0.3。（4）定义接触为表现不同的部件及系统间的相互作用，侧碰中一般要定义下列接触：1）将整个车辆定义为一个单一接触面；2）在硬的和软的材料间定义接触面，例如座垫泡沫与结构；3）要监测相互作用的部件，例如座椅与侧围和车门、燃油箱与周围部件；4）假人与座椅、安全带、气囊（帘）、内饰、结构间的接触面应分开定义；5）气囊和结构间应定义接触面；6）局部边与边的接触；7）车与移动壁障的接触。车与移动壁障的接触中，车为主、壁障为从。先定义part集partsforcontact_vehicle-MDB，选取车辆上可能与移动壁障接触的部件，再在壁障与车之间定义接触contact_vehicle-MDB。（5）定义初速度法规要求碰撞时被撞击车辆静止，移动壁障的速度为53±1km/h。移动可变形障碍物的所有节点要定义沿整车坐标系X、Y方向的初速度，X方向的初速度为6797mm/s，Y方向的初速度为13410mm/s。先将移动壁障上的所有节点（注意不要包括刚性墙上的节点）定义为一个节点集nodesforvelocity，再定义以下卡片：（6）定义输出力的截面在图2-1所示的各处定义截面。-2-10214311567891213149图2-1侧碰截面力测量位置示意图各截面的位置说明见表2-1。表2-1侧碰截面力测量位置说明序号截面部位1A柱2顶侧梁前端3顶侧梁后端4B柱顶端5B柱腰线6B柱底端7门槛/车架前端8门槛/车架中部9门槛/车架后端10前门防撞梁11第1根横梁12第2根横梁13第3根横梁14第4根横梁（7）定义求解时间移动可变形壁障侧面碰撞的模拟时间一般设定为0.08～0.10秒，本例中设为0.10秒。2.2侧面碰撞后处理后处理主要考察的内容包括车辆变形情况、结构响应、历史曲线等。（1）车辆变形模式研究整车，侧围、车门、底板等关键区域的变形序列与变形模式。可以用变形图、动画、VonMises应力和塑性应变等形式直观地表示。要显示的部件及视图如下：1）整车各视图（包括壁障与无壁障2种情况）；2）侧围及车门；3）侧围整体，B柱（包括前视图变形前后对比图）、门槛；4）车门整体，车门腰部加强梁、防撞梁及其连接板；5）底板及其横梁；6）座椅结构，座椅及其与车辆的接触区域；7）前视图包括B柱、车门、座椅和假人；8）底视图显示燃油箱及其周围部件；9）壁障的可变形部分。10实例的车变形情况见图2-2。图2-2车身变形图（2）车辆变形速度与变形量绘制以下区域的侵入速度和Y向侵入量的时间曲线：1）B柱内侧顶部、腰线、与H点等高、门槛区域；2）前门内侧与H点等高区域（靠近B柱区域和门的中间区域）；3）前门内侧与腰线等高区域（靠近B柱区域和门的中间区域）