汽车正撞的数值模拟及实验验证

1、汽车正撞的数值模拟及实验验证裘新 黄存军 张金换 黄世霖 关键字：非线性有限元 多刚体动力学 模拟 耐撞性 为了在汽车的设计阶段使被设计车辆更好地满足耐撞性的要求，以某汽车为研究对象，采用动态大变形非线性有限元模拟技术，模拟了该车正面撞击刚体墙的过程。与已完成的该车实车正面碰撞结果进行了对比分析，验证了所建立的有限元模型的正确性。在此基础上，进一步建立了该车转向系、简化的车体和混三型假人的多刚体系统，通过应用多刚体动力学技术模拟了发生碰撞时假人的动态响应并得到了其损伤指标。最后根据模拟计算得到的结果对该车前部结构的耐撞性进行了评价，并提出了结构的改进方案。   

2、目前在汽车被动安全研究中，模拟计算的方法主要是多刚体动力学法和动态非线性有限元法。多刚体动力学法建模方便并且计算速度快，主要用于研究在碰撞过程中人体和车辆各个部分的动态响应。动态非线性有限元法适用于计算碰撞时结构的变形。它能够得到各个部件中的变形情况，速度和加速度值，以及应力应变的分布。60年代末出现了以刚体动力学理论为基础的乘员碰撞模拟计算软件如MVMA2D、CAL3D和MADYMO。而动态非线性有限元软件起源于1976年，并在1985年首次成功地模拟了整车碰撞的大变形过程并通过了实验的验证。目前广范使用的软件是LS-DYNA3D和PAM-CRASH。    

3、1模拟计算技术     1.1动态非线性有限元法     汽车碰撞是动态的大位移和大变形的过程，接触和高速冲击载荷影响着碰撞全过程，系统具有几何非线性和材料非线性等多重非线性。对上述系统的模拟计算则需采用动态非线性有限元方法1。     采用的非线性有限元计算软件是LS-DYNA3D。在计算方法上采用显式积分法中的中心差分法。其特点是可得到非关联的微分方程组，免去了求解联立方程组的繁杂过程2。     汽车各零部件在撞击载荷作用下会发生大位移、大转动、大变形。这种变形可以是线

4、性弹性变形、非线性弹性变形、塑性变形、粘塑性变形及其组合等。在低速碰撞的情况下，理想的弹塑性材料特性被广泛采用；但在高速撞击中，有必要考虑应变率的影响。汽车的零部件可能是用非金属材料和复合材料等构成，这样就有必要采用别的本构关系。     汽车耐撞性分析的另一个重要点是动态接触问题处理。接触对的寻找主要有拓扑法，搜寻法和级域算法，接触力的计算主要有惩罚函数法和Lagrange乘子法3。     此外还有一些技术问题的处理，如刚体的处理，特殊联接的处理等。     1.2多刚体动力学法  

5、0;  多体动力学是近20年来在经典刚体力学、分析力学和计算机技术基础上发展出来的力学分支，它以多刚体为研究对象，建立所研究系统的数值模型，对它们进行运动分析和动力分析。为了表达多刚体系统中各刚体连接情况，系统结构关系采用有向图来代替。整个有向图的结构可用关联矩阵和通路矩阵来表达，并应用Newton第二定律、刚体的Newton-Euler方程、DAlembert原理和Gauss虚位移原理，来描述系统的特性。     采用的多刚体动力学计算软件是MADYMO4。对于乘员系统的多体运动方程，使用了Lagrange方法加以推导，代表乘员的刚体使用椭球来表示。在

6、所建的数学模型中，连接相对转动刚体的铰接处有非线性扭转弹簧、粘滞阻尼和干摩擦。其多体系统乘员模型与外界及其本身相接触的机理是人体通过接触平面与外界及其本身作用，接触力的大小取决于椭圆或椭球对接触平面的贯穿程度，由此可通过预先定义的加载、卸载曲线及滞后模型来确定产生接触的非线性弹力、粘滞阻尼和摩擦力。对于多体系统运动方程的求解方法，MADYMO中使用四阶定步长或五阶变步长的Runge-Kutta方法来求解。     2汽车正面碰撞的实车实验和模拟计算     研究的对象是国产某汽车，参照美国联邦机动车安全法规208号的要求，采用橡皮绳弹

7、射加载方式并安装适当的导向机构，使该车以48.3km/h左右的速度正面撞击刚体墙。由于具体条件的限制，只是在车内司机座椅下水平方向上安装了加速度传感器。此外还使用了电测量和高速摄像装置，以便对碰撞过程的数据进行采集和对图像进行运动分析。     在整车碰撞实验后采用有限元的方法，建立了该车的正撞模型。由于条件的制约，所建立的模型也只是针对于该车的底盘系统(主要包括车架总成、保险杠总成、发动机变速器总成、转向系统、水箱、简化的仪表板)。根据文5所述，带有车架的汽车发生碰撞时大部分能量都由底盘部分变形所吸收，而车身前部吸收的能量相对小些，因此使用该模型进行计算和分析，

8、可以近似地反映出汽车发生正撞时的变形情况。模型中部件的材料(钢)特性参数的取值见表1。表中：为密度，E为杨氏模量，为Poisson比，y为屈服应力，E为塑性硬化模量，为塑性硬化系数。该车底盘部分CAD模型由NASTRAN软件生成，再通过前处理软件HyperMesh加入所必须的接触条件、约束条件和初始条件，并生成LS-DYNA3D所需要的输入文件。整个模型共有1万个单元左右。与实车实验的初始条件相同，模拟该车以48.3km/h的初速度正面撞击刚体墙。计算后采用OASYS D3PLOT软件进行后处理，并将模拟计算的结果与实验的结果进行了对比分析。    图1为模拟计算得到的变形序列图，图2为车架纵梁前部变形区域图。通过对图1和图2的分析可知，变形主要发生在车架的前部，纵梁前端的A区(图2)被压溃并产生较大的褶皱，而中后部(图2中的B和C区)的变形为塑性铰式的变形.这是因为纵梁前端A区横截面不是封闭的；而B和C区的横截面是封闭的，后部的强度远大于前部。与碰撞后的实车车架对比，发现A区和C区的变形方式基本相同，而B区存在差异，这是因为