有限元分析方法在汽车碰撞研究中的应用

有限元分析方法在汽车碰撞研究中的应用作者：李博闻随着我国经济实力的不断增强，人们的物质生活水平日益提高，汽车已经逐渐成为人们的代步工具。很多中国企业与外国跨国公司合作生产研发汽车产品。我国的汽车年产量逐年攀升，生产制造水平也逐步提高。纽约时报预测中国将成为世界上最大的汽车生产国。私家汽车给人们带来了便利，让人们更充分的享受生活。随着全世界汽车数量的迅速增加，汽车质量、驾驶技术问题及道路状况等多种因素合力作用结果，汽车交通事故已成为严重问题。联合国世界卫生组织（WHO）提交的最新报告显示：近几年全球每年因交通事故造成死亡的人数多达约120万，另外还有数百万人在汽车事故中受伤致残。面对这个严重的问题，各国的工程技术人员都在不遗余力的提高汽车的安全性能。各国政府相应的制定了碰撞安全性能标准，具有代表性的有美国的FMVSS汽车碰撞安全法则、欧洲的ECE和EEC汽车碰撞安全法则。目前最为人关注的碰撞试验为NCAP（NewCarAssessmentProgram）。早期的被动安全性研究主要是通过大量的试验来进行，采用同样的碰撞过程反复进行，收集数据。这样的试验方法需要相当长的时间。发达国家每次汽车安全性能的试验都需要手工打造几十辆新车，人力、物力、财力都需要很大的消耗。伴随着计算机技术的发展，原来不可能完成的大量参数有限元计算成为可能。有限元计算分析方法运用到汽车的碰撞模拟仿真中，极大地降低了汽车的设计成本和研发周期，并且获得更为精确的数据对汽车结构进行下一步优化。1汽车碰撞过程的特点汽车碰撞是汽车结构在极短的时间内(通常在100ms以内)，在剧烈碰撞冲击载荷作用下发生的一种复杂的非线性动态响应过程。在汽车碰撞中，各种非线性的问题都涉及到了，既有结构发生大位移和大转动所引起的几何非线性，又有各种材料发生大应变时所表现的物理非线性(材料非线性)。2非线性有限元理论在某一瞬间时，物体在空间所占据的区域V称为物体的构型。令在时间t=0时，物体的初始构型为V0，并参考于一固定的直角坐标系{xi}，物体的任一质点P的位置可由一向径P(x1,x2,x3)或其质点坐标(x1,x2,x3)确定。构型V0称为物体的参考状态。在后来某一瞬间t，物体被移动到空间另一位置，其构型为V，这时的状态称为变形状态。描述这一变形状态，用另一直角坐标系{yi}。初始构型中的P点，变形后被移动到空间的P点，可由一向径P(x1,x2,x3)确定。如果令坐标系{yi}和{xi}重合，则在二维情形下如图1所示。同一质点变形前后有关系：yi=yi(x1,x2,x3,t)i=1,2,3yi是xi的单值连续函数。如果取ui为质点沿xi轴方向的位移，那么显然有yi=xi+ui(x1,x2,x3,t)i=1,2,3。在描述物体变形前后的不同状态时，可用下面方法：把x1,x2,x3和t作独立变量来描述物体的运动（或变形），称为物质描述或拉格朗日描述，而x1,x2,x3和t称为拉格朗日变量。3汽车碰撞仿真的有限元方法汽车碰撞过程的模拟分析实质上是要求解一个给定初始条件和初始边界条件的偏微分方程，其中动态接触边界条件在问题求解之前是未知的，即问题的求解涉及到典型的动态接触问题，设接触系统在时刻t占据空间域力?，作用在接触系统内的体积力、边界力、接触力及内应力分别为b,q,qc,σ则接触系统的运动要满足。对于方程(2)，实际中广泛应用显式的中心差分法来求解。显式解法不需要进行矩阵分解或求逆，无须求解联立方程组，也不存在收敛的问题，因而计算速度较快；同时，其稳定性准则能自动控制计算时间步长的大小，确保了计算结果的精度。对于汽车这样复杂的薄壁板壳结构系统，其碰撞模拟分析中最常用的结构单元是二维壳单元，少量用到梁单元和体单元。4节点壳单元(称BT单元)和4节点Hughes-Lio壳单元(称HL单元)是汽车碰撞模拟分析中常用的壳单元。4整车有限元模型的建立整车包含许多的零部件,因而整车模型的单元通常比较多。考虑到过大的整车模型会影响计算的成本(主要指计算时间),所以,结合侧面碰撞变形特点,在不影响计算要求和精度的前提下,尽可能地减少模型的单元数。整车建模时,将汽车分为3个区域即：①区汽车发生碰撞的区域,即主要变形区;②区以车身对称平面为分界线的右侧车身,这侧的车身基本不变形;③区非撞击区,这一区域的车身也基本不变形。不同区域的零件,网格划分的大小也不同。①区的网格大小一般为10～20mm,②区为20～40mm,③区可以大于50mm，如图2所示。整车模型以轿车的三维模型为基础,加上发动机、悬架及车轮,组成用于侧面碰撞的整车模型。根据车身以薄钢板冲压零部件为主的特点,整个车身采用壳单元建模。车身采用的材料主要为拉延性能较好的低碳钢薄钢板,采用分段线性塑性(PIECEWISELINEARPLASTICITY)材料模型模拟。分段线性塑性材料模型需要定义材料的密度、弹性模量、泊松比、屈服强度和应力-应变曲线。低碳钢薄钢板的密度ρ=7.85×103kg/m3,弹性模量E=210GPa,泊松比μ=0.272～0.30,屈服强度σs=270～390GPa,应力--应变曲线通过材料拉伸试验获得。由于低碳钢材料在冲击载荷作用下,其应力-应变的关系不仅与材料的本身性质有关,还与加载的时间历程密切相关。采用Cowper和Symonds计算模型,应变率参数C和P分别取40和5。车身主要通过焊点单元将零部件装配在一起。车门与车身骨架的连接通过铰接单元和弹簧单元连接,用铰接单元模拟车门铰链,用带失效定义的一般弹簧单元模拟门锁的锁止作用。车轮与车轴之间采用铰接单元连接,使车轮能够绕车轴转动。座椅与车身通过刚性短梁固定。整车模型共分52层,有185342个节点,173529个单元。5整车偏置碰撞的有限元仿真整车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NCAP正面碰撞试验法规，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honeycomb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4O%。如图3所示，整车以64km／h的速度正面碰撞可变形壁障，计算了100ms的碰撞过程．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100%碰撞的变形严重得多。由图5和图6可以了解到碰撞过程中的能量和速度变化情况。6结论在汽车碰撞发生的极短时间内，车身发生巨大的形变。这种形变伴随着大位移、大转动所引起的几何非线性，又有各种材料发生大应变时所表现的物理非线性(材料非线性)。所以很难通过常规的数学方法对其进行求解，进行实体碰撞试验的数据很难进行采集。本文论述了采用拉格朗日描述对物体的移动建立数学模型。通过有限元方法将整车按区域进行建模。并且将建立的整车有限元模型进行整车偏置碰撞的模拟仿真，模拟了碰撞过程后车身的变形结果，得到了碰撞过程中模型的能量与速度变化曲线。从而直观地掌握了汽车在碰撞过程中能量等参数的变化情况。将有限元方法运用在汽车碰撞问题的分析中，对汽车结构安全性的改进有一定指导意义。(end)