碰撞分析实例

1、1 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GB 11551、FMVSS 208；另一种是偏置可变形壁障（ODB）碰撞，如ECE 94、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

2、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

3、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义；5） 气囊和结构间应定义接触面；6

4、） 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nodes to barrier，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

5、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nodes to ground，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parts for gravity，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

6、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。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0.090.12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

7、情况、结构响应、历史曲线等。（1）车辆变形模式研究整车，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、Von Mises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

8、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

9、线，采用SAE 60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。 a）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）载荷传递绘制各截面的载荷随时间的变化曲线，采用SAE 180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。

10、（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SAE 180滤波，见图1-7。19 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。8.2 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FMVSS 214、IIHS、ECE 95/EuroNCAP；另一种是刚性柱撞，如FMVSS 201、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

11、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FMVSS 214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

12、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FMVSS 214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

13、试验车左（右）侧时，它的所有轮子与其纵向切面向右（左）成271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）。FMVSS 214规定轿车按下面的要求标定一条铅锤线作为碰撞参考线：a）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

14、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parts for contact_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cont

15、act_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531km/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nodes for velocity，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。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

16、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0.080.10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、Von Mises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

17、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。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）；4） 前门内侧扶手上区域；5） 前门内侧扬声器孔区域；6） 后门内侧与腰线等高区域（靠近B柱区域和门的中间区域）；7） 后

18、门内侧扶手上区域。另外，测量碰撞后B柱护板到碰撞前座椅纵向中心面的距离（图2-3），测量点在B柱内侧底部到座椅H点位置上方540mm的面上。如果座椅可调，要测量座椅处于最后和最下位置的值。表2-2 B柱变形标准参考标准优达标及格差距离（mm）125125505000图2-3 B柱变形量测量示意图（3）车辆和移动壁障的运动特性绘制各加速度测量点的“加速度时间”曲线，采用SAE 60滤波。图2-4是在实例的右车架中间位置和移动壁障重心测量的加速度曲线。图2-4 加速度曲线绘制车辆（非撞击侧B柱根部测量点）和移动壁障左、右纵梁与重心的速度，位移随时间的变化曲线。图2-5、2-6分别为实例中车辆和移动

19、壁障重心的速度、位移曲线。 图2-5 速度曲线 图2-6 位移曲线（4）载荷传递绘制各截面的载荷随时间的变化曲线，采用SAE 180滤波。图2-7是实例车架各处的截面力，截面的具体位置见模型。（5）车辆与壁障的作用力绘制车辆与壁障的作用力曲线，采用SAE 180滤波，见图2-8。图2-7 截面力曲线图 2-8 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。3 后部碰撞分析目前后部碰撞也主要有两类，一种是移动可变形壁障（MDB）碰撞，如FMVSS 301；另一种是移动刚性壁障（MRB）碰撞，如GB 20072、ECE 32/34。虽然这些试验

20、在试验设置上不相同，但其主要目的都是为了考察车辆结构性能、评价燃油系统的完整性，而乘员在后碰事故中的保护正处于研究阶段，各国都还未作为强制要求。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、后座椅H点侵入量、碰撞后能打开足够多的门。通过车辆后碰结构性能分析，在合理的精度下，能够预测载荷传递、能量分布、车辆变形情况、特殊的变形模式、燃油系统变形及应力和应变、燃油箱的体积变化量等。而燃油泄漏量和泄漏速度、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。后碰分析按GB 20072规定的碰撞要求为例进行说明。3.1 后部碰撞建模后部模型中燃油箱和油管要仔细建模。燃油箱与其固

21、定带之间的接触（点与面、面与面）要单独定义，必要时要考虑燃油箱固定带的初始应力。燃油质量可以用实体单元并赋予适当的材料参数表示，但容易出现负体积问题。由于燃油泄漏情况不能直接模拟，除查看燃油箱变形后的应力和应变（塑料油箱的塑性应变值最大不应超过0.3）外，常用的方法还有考察燃油箱的体积变化量，一般其体积变化不应超过5。要获得燃油箱的体积变化量，需要将它的封闭体定义为*AIRBAG_SIMPLE_PRESSURE_VOLUME.LS-DYNA中的新方法采用流体与结构的交互作用（流-固耦合）技术来模拟燃油系统。车辆模型要包括有适当气压的备用轮胎，且正确地固定在车身或车架上。轮胎也可以用*AIRBA

22、G_SIMPLE_PRESSURE_VOLUME来模拟。后碰模型的质量匹配、重力定义、控制与输出卡片与前碰和侧碰模型类似，不再赘述，下文仅说明后碰建模的特别之处。（1）定位壁障模型移动壁障的位置满足条件：1） 撞击表面应铅垂，并垂直于被撞车辆的中间纵向平面；2） 撞击器运动的方向应基本水平，且平行于被撞车辆的中间纵向平面；3） 撞击器表面的中间垂直线与被撞车辆中间纵向平面之间的最大横向偏差为300mm；4） 撞击表面应遍布被撞车辆的整个宽度；5） 撞击表面下边缘至地面的间隙应为17525mm；6） 撞击器表面与被撞车辆保险杠的距离为1mm（要考虑模型中保险杠的厚度）。（2）定义地面地面的定义方

23、法与侧碰相同。车辆的“地面”与移动壁障的“地面”要分开定义，摩擦系数均设为0.3。（3）定义接触为表现不同的部件及系统间的相互作用，后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） 燃油箱与其固定带之间；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） 备胎和结构间应定义接触面；5） 局部边与边的接触；6） 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。除摩擦系数设为0.6外，接触类型和其他参数与侧面碰撞中的移动壁障和车的接触相同。（4）定义初速度后碰标准要求碰撞时被撞击车辆静止，移动壁障的速度为502km/h。移动可变形障碍物的所有节点要定

24、义沿整车坐标系X负方向的初速度-14444mm/s。（5）定义输出力的截面在图3-1所示的各处定义截面。图3-1 后碰截面力测量位置示意图各截面的位置说明见表3-1。表3-1 截面力测量位置说明序号截面部位1后纵梁前端2后纵梁副车架安装点前3后纵梁副车架安装点后4门槛/车架5前底板纵梁6中通道7顶侧梁8后门窗框梁9后门防撞梁10整个后门（6）定义求解时间移动壁障后部碰撞的模拟时间一般设定为0.080.10秒，本例中设为0.10秒。3.2 后部碰撞后处理后处理主要考察的内车辆变形情况、结构响应、历史曲线等。（1）车辆变形模式研究整车，后保险杠、后碰撞吸能盒、后纵梁、后车架、C柱、门槛、后底板、后

25、车门等关键区域的变形序列与变形模式。可以用变形图、动画、Von Mises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） 后底板及其横梁；3） 顶视图、侧视图显示保险杠、吸能盒、后纵梁；4） 顶视图、侧视图显示后（副）车架；5） 侧偏前显示后乘客箱主要构件；6） 车门腰部加强梁、防撞梁及其连接板；7） 后座椅结构；8） 备胎和车身的接触区域；9） 底视图显示燃油箱及其周围部件。实例的车架变形情况见图3-2。图3-2 车架变形图（2）车辆变形量1） 后门框在腰部和门槛处的宽度减小量曲线；2） 后排座椅“R”点在地板垂直投影点相对于车辆某

26、一不变形部分基准点的纵向位移量d的时间曲线。（3）车辆和移动壁障的运动特性绘制各加速度测量点的“加速度时间”曲线，采用SAE 60滤波。图3-3是在实例的右车架中间位置和移动壁障重心测量的加速度曲线。图3-3 加速度曲线绘制车辆（B柱根部测量点）和移动壁障左、右纵梁与重心的速度，位移随时间的变化曲线。图3-4、3-5分别为实例中车辆和移动壁障重心的速度、位移曲线。图3-4 速度曲线 图3-5 位移曲线（4）能量分布绘制保险杠、碰撞吸能盒、纵梁、车架等主要吸能部件的内能随时间的变化曲线。图3-6是实例中车架的吸能曲线。图3-6 车架吸能曲线（5）载荷传递绘制各截面的载荷随时间的变化曲线，采用SA

27、E 180滤波。图3-7是实例车架各处的截面力，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SAE 180滤波，见图3-8。 图3-7 截面力曲线图 3-8 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。4 低速碰撞分析低速碰撞的主要目的是为了改善车辆发生轻微碰撞后的可维修性，对车辆的前后端都有要求。低速碰撞目前有两类要求，一种是强制要求，如GB 17354、ECE 42、PART581；另一种是保险要求，如IIHS、RCAR。强制要求不高，设计较容易；保险要求相对较高，设计有一定难度，例如IIHS的8km

28、/h后部中心刚性柱撞、RCAR的15km/h前后刚性壁偏置碰撞。低速碰撞的设计思想是可拆卸部件损坏要小，不可拆卸部件避免损坏。否则，车辆的保险费和维修费会增加，而且维修困难，从而影响销量。通过车辆低速碰撞结构性能分析，在合理的精度下，能够预测能量分布、车辆变形情况、特殊的变形模式、部件的应力和应变等。低速碰撞分析按IIHS规定的后部中心刚性柱撞要求为例进行说明。4.1 低速碰撞建模低速前碰模型包括的必要系统有前保险杠、白车身前结构、前（副）车架、发动机盖、翼子板、冷却系、排气系前端、前悬架、后悬架、轮胎和前车灯，如图4-1。图4-1 低速前碰分析模型低速后碰模型包括的必要系统有后保险杠、白车身后结构、行李箱盖/后备门、排气系末端、前悬架、后悬架和后车灯。（1）定义刚性柱一个固定的、半径为90mm、高度为920mm的竖直圆柱刚性墙pole用于模拟刚性柱。刚性柱的定义要注意以下几点：1） 柱面距离车辆最后端1mm（留出前保险杠的厚度）；2） 其法向量沿车辆高度方向，即Z轴的正方向，基点在车辆纵向中心面上、地面上方920mm处；3） 将车辆后部可能与柱接触的节点定义为从节点集nodes to pole，注意不要包括刚性柱上的节点；4） 定义滑动摩