1、第五届中国 CAE 工程分析技术年会论文集 690 轿 车侧面碰撞 仿真 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 ： 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 ： CAE;侧面碰撞 ; 计算机仿真 Simulation Analysis of Vehicle Side Impact Li Nianwei Shao Junjian Niu Yajun Lu Huicai （ Zhej
2、iang 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 optimiz
3、ation. Keywords： CAE； side impact； computer simulation 1 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 Lawrence Libermore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。 文中采用 Hyp
4、erMesh和 LS-DYNA软件，以某轿车侧面碰撞计算机仿真为例， 为提高轿车碰撞安全性研究提供参考。 2 C-NCAP 侧面碰撞测试方法 2.1 侧面碰撞试验条件 C-NCAP侧碰试验如图 1所示 第五届中国 CAE 工程分析技术年会论文集 691 图 1 可变形移动壁障侧面碰撞试验 汽车可变形障碍壁的纵向垂直中心平面与通过试验车碰撞侧的前排座椅 R点的横向平面一致，误差在 25 mm 内。汽 车可变形障碍壁在碰撞时的速度应是 501 km/h 。该速度应在相碰前至少 0.5 m 处稳定下来。在驾驶员位置放置 1个 ESII型假人 , 用以测量驾驶员位置受伤害情况 6。 2.2 侧面碰撞试
5、验评价指标 侧面碰撞中，一般通过测量 B柱对应假人各部位的侵入量及侵入速度考查车身结构。 各测量点如下 表一 车身结构目标 测量点位置 目标 B柱顶端侵入量 50mm B柱侵入量 150mm 门槛侵入量 70mm B柱侵入速度 7.5m/s 3 仿真分析模型建立 3.1 整车有限元模型的建立 首先运用 HyperMesh软件对导入的整车 CATIA数模进行有限元模型的建立，最后生成 K文件。 本文采用薄壳单元划分板金类零件网格 ,采用刚体单元划分门锁、铰链、安全带支架等车身附件。 根据建模需要，把整车划分七大部分：白车身本体总成，开启件总成，底盘系统，附件总成，动力总成，内外饰总成，电器总成。
6、各个总成又相应划分子结构。 从计算精度方面考虑，单元尺寸越小，计算精度越准确，但是，单元尺寸越小，单元和节点的数量越多，从而增大计算规模，增加计算时间，甚至造成计算机配置不足。根据经验，整第五届中国 CAE 工程分析技术年会论文集 692 车有限元模型单元的尺寸控制在 5mm-10mm的范围内。车身板金件有许多定位孔及工艺孔 ,尤其对于小圆孔 ,如果不做简化处理 ,其周围的网格质量会很差 ,造成仿真过程中的计算量增大或错误 ,影响仿真结果 ,因此直径小于 7.5mm的圆孔都可以忽略。对于一些刚性较大、碰撞过程中几乎不变形吸能的零件，也将其定义为刚体，如发动机、变速箱、转向器、车门铰链部分等。
7、根据以上要求建立的整车有限元模型如图 2所示： 模型中包括六面体单元、壳 单元、梁单元、杆单元、弹簧单元和阻尼单元。 图 2 整车有限元模型 3.2 移动壁障有限元模型的建立 根据法规要求，建立侧面碰撞移动壁障有 限元模型，图 3所示 图 3 侧面碰撞移动壁障 总质量 95020 kg ；前后轮距宽 150010mm ；轴距 300010 mm ；重心位于纵向中心垂直平面内 10mm 处，前轴后面 100030mm 处；撞击器由独立的相互连接着的块组成，可变形的撞击区域宽 1500 10mm，高 5005mm ，撞击区距地面间隔在撞击前静态下为 3005mm ，有 6个形变单元，分成两行，三个
8、一行。所有单元有同样的高度 250mm3mm 和同样的宽度 2505mm ；上面的一行单元厚度为 4405mm ，下面的一行单元厚度为 50050m m；撞击器的材料必须是蜂窝铝。 3.3 整车侧面碰撞仿真模型建立 在 HyperMesh软件中建立整车侧面碰撞有限元模型，图 4所示。 （ 1）材料定义 根据提供的材料清单，选择各零部件的材料及其厚度，若是软件的材料库中没有的材料，可以通过用户自定义。 LS-DYNA软件库中有 200多种类型材料可供选择。车身板金件一般选用LS-DYNA软件库中的 MAT24材料；定义成刚体的发动机、变速箱等采用 MAT20材料； BEAM单元用MAT100号材
9、料。 （ 2） 连接定义 根据连接形式的不同而采用不同的单元模拟连接。常采用 的连接方式有 点焊、线焊、胶粘、铰接 。 车身板金件一般采用 :梁单元 (BEAM)模拟， 螺栓孔采用 RBE2单元模拟 ， 构件之间的运动副采用 Joint单元模拟 ， 减振器、转向管柱弹性组件用 DISCRETE单元模拟 。 （ 3）接触的定义 第五届中国 CAE 工程分析技术年会论文集 693 LS-DYNA中在 Contact中定义接触非常简单。 需要定义的接触有：整车自接触 CONTACT AUTOMATIC SINGLE SURFACE；整车与 BEAM之间的接触 CONTACT TIED SHELL E
10、DGE TO SURFACE OFFSET；整车与 MDB的接触 CONTACT AUTOMATIC SURFACE TO SURFACE 。 （ 4）其它条件 在 HyperMesh的 Initial Velocity中定义初速度，定义移动壁障初速度为 50km/h即13.889m/s，在 DATABASE卡片中定义力及传感器的输出，在 CONTROL卡片中定义时间步长及计算时间等等。 图 4 整车侧面碰撞有限元模型 4 仿真实例 将建立的碰撞有限元模型导入 LS-DYNA求解器中进行计算，由于车辆碰撞的过程非常短暂 ,一般为几十毫秒 ,因此本文只计算了 150ms的碰撞响应。 通过 CAE
11、仿真计算可 知，在 0ms时，移动壁障与车辆开始接触； 20ms时车体发生轻微变形；60ms时车体变形最大，侵入量达到最大； 80ms时车体变形基本停止，此时车身结构会有一定程度的反弹，碰撞基本结束。 汽车不同时刻变形情况如图 59所示 0ms 20ms 60ms 第五届中国 CAE 工程分析技术年会论文集 694 150ms 图 5整车侧面碰撞变形图 根据碰撞能量曲线图 6可知，有大约 48.4KJ的动能转化为能，沙漏能占总能量的比例为3.98%小于目标值 10%，能量变化曲线满足设计要求。 图 6 整车侧面碰撞能量曲线 为了考查碰撞过程中乘员生存空间情况，测量了 B柱对应假人各部位以及下端
12、门槛处的侵入量及侵入速度。 60ms左右，各部位侵入量达到最大， 80ms时车体变形基本停止，如图 7、图 8所示 图 7 B柱及下端门槛侵入量 第五届中国 CAE 工程分析技术年会论文集 695 图 8 B柱侵入速度 表 二 各测量点侵入量、侵入速度 测量点 侵入量（ mm） 侵入速度（ m/s） B柱顶端 51.9 1.67 B柱腰线 153.9 5.73 对应胸部 164.4 5.57 对应 H点 162.2 5.12 门槛 60.9 1.93 由上表二 可知，各点侵入速度都小于目标值 7.5m/s，满足设计要求；除门槛处侵入量小于目标值，其它各部位侵入量大于目标值，会导致乘员生存空间不
13、足，建议更改防撞杆结构并强化 B柱结构。 5 结论 采用 HyperMesh和 LS-DYNA 软件，按照侧面碰撞法规建立某轿车侧面碰撞有限元模型，进行整车侧面碰撞 CAE仿真计算 ,为提出该车型结构改进方案打下了基础。由于 B柱侵入量过大，导致乘员生存空间不足，需进一步优化车身结构：更改 B柱结构及强度；增加侧面防撞杆强度。然后再进行优化分析，验证方案可行性，这样可以减少开发周期，节约开发 成本，同时减少实车碰撞的次数，并为研究提高汽车侧面碰撞安全性提供理论依据。 致谢： 本文的顺利完成得力于工程分析部的领导和同事们的大力支持，对他们的帮助表示衷心的感谢。 参考文献： 1 杜子学，彭丽芳 .
14、汽车侧面碰撞的计算机仿真分析 J, 北京汽车 2009（ 01） :19-22 2 李碧浩 ,杜汉斌 ,卓鹏 . 轿车侧面碰撞安全性能改进措施探讨 J,汽车工程 , 2008(11):951-953 3 黄虎 ,刘新田 ,章佳喆 .汽车侧面碰撞有限元分析 J,拖拉机与农用运输车 ,2008(8):60-62 4 李邦国 ,陈潇凯 ,林逸 .车用吸能部件吸能特性的改进 J, 吉林大学学报 ,2009(01):12-16 5 冯原 ,张永召 ,张君 ,媛刘军 . 不同碰撞模式下的汽车侧面结构抗撞性分析 J, 设计计算研究 ,2008(10):16-20 第五届中国 CAE 工程分析技术年会论文集
15、696 6 中国汽车技术研究中心 .C-NCAP管理规则 M .天津 :中国汽车技术研究中心 ,2006: 83 85 7张君媛 ,王海 ,马迅 .轿车侧面抗撞性简化参数化模型的建立及应用 , 吉林大学学报 (工学版 )2009（ 3）300-304 8 中华人民共和国国家标准 . 汽车侧面碰撞的乘员保护 S,GB20071 2006 9 xxxx车侧面碰撞分析，吉利汽车研究院有限公司， 2009-01-14 10xxxx车侧面碰撞 CAE分析与试验对比，吉利汽车研究院有限公司， 2009-04-29 作者简介： 李年卫 ， 硕士，浙江吉利汽车研究院技术员，主要研究方向为汽车碰撞安全仿真分析。浙江省临海市东方大道 229号吉利汽车研究院有限公司 邮箱： L 邵俊健 ， 学士，浙江吉利汽车研究院二级指导工程师，主要研究方向为汽车碰撞安全仿真分析。浙江省临海市 东方大道 229号吉利汽车研究院有限公司 牛亚军 ， 鲁慧才， 学士，浙江吉利汽车研究院技术员，主要研究方向为汽车碰撞安全仿真分析。浙江省临海市东方大道 229号吉利汽车研究院有限公司 论文应属类别 “汽车、交通运输 ”
