汽車(chē)正撞的數(shù)值模擬及實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證

1、汽車(chē)正撞的數(shù)值模擬及實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證裘新黃存軍 張金換 黃世霖關(guān)鍵字：非線(xiàn)性有限元 多剛體動(dòng)力學(xué) 模擬 耐撞性為了在汽車(chē)的設(shè)計(jì)階段使被設(shè)計(jì)車(chē)輛更好地滿(mǎn)足耐撞性的要求，以某汽車(chē)為研究對(duì)象， 采用動(dòng)態(tài)大變形非線(xiàn)性有限元模擬技術(shù)，模擬了該車(chē)正面撞擊剛體墻的過(guò)程。與已完成的該車(chē)實(shí)車(chē)正面碰撞結(jié)果進(jìn)行了對(duì)比分析，驗(yàn)證了所建立的有限元模型的正確性。在此基礎(chǔ)上， 進(jìn)一步建立了該車(chē)轉(zhuǎn)向系、簡(jiǎn)化的車(chē)體和混三型假人的多剛體系統(tǒng)，通過(guò)應(yīng)用多剛體動(dòng)力學(xué)技術(shù)模擬了發(fā)生碰撞時(shí)假人的動(dòng)態(tài)響應(yīng)并得到了其損傷指標(biāo)。最后根據(jù)模擬計(jì)算得到的結(jié)果對(duì)該車(chē)前部結(jié)構(gòu)的耐撞性進(jìn)行了評(píng)價(jià)，并提出了結(jié)構(gòu)的改進(jìn)方案。目前在汽車(chē)被動(dòng)安全研究中，模擬計(jì)算的方法

2、主要是多剛體動(dòng)力學(xué)法和動(dòng)態(tài)非線(xiàn)性有限 元法。多剛體動(dòng)力學(xué)法建模方便并且計(jì)算速度快，主要用于研究在碰撞過(guò)程中人體和車(chē)輛各個(gè)部分的動(dòng)態(tài)響應(yīng)。動(dòng)態(tài)非線(xiàn)性有限元法適用于計(jì)算碰撞時(shí)結(jié)構(gòu)的變形。它能夠得到各個(gè)部件中的變形情況，速度和加速度值，以及應(yīng)力應(yīng)變的分布。60年代末出現(xiàn)了以剛體動(dòng)力學(xué)理論為基礎(chǔ)的乘員碰撞模擬計(jì)算軟件如MVMA2D CAL3D和MADYMO而動(dòng)態(tài)非線(xiàn)性有限元軟件起源于1976年，并在1985年首次成功地模擬了整車(chē)碰撞的大變形過(guò)程并通過(guò)了實(shí)驗(yàn)的驗(yàn) 證。目前廣范使用的軟件是 LS-DYNA3D和PAM-CRAS。1 模擬計(jì)算技術(shù)1.1 動(dòng)態(tài)非線(xiàn)性有限元法汽車(chē)碰撞是動(dòng)態(tài)的大位移和大變形的過(guò)程

3、，接觸和高速?zèng)_擊載荷影響著碰撞全過(guò)程， 系統(tǒng)具有幾何非線(xiàn)性和材料非線(xiàn)性等多重非線(xiàn)性。對(duì)上述系統(tǒng)的模擬計(jì)算則需采用動(dòng)態(tài)非線(xiàn)性有限元方法1。采用的非線(xiàn)性有限元計(jì)算軟件是LS-DYNA3D在計(jì)算方法上采用顯式積分法中的中心差分法。其特點(diǎn)是可得到非關(guān)聯(lián)的微分方程組，免去了求解聯(lián)立方程組的繁雜過(guò)程2。汽車(chē)各零部件在撞擊載荷作用下會(huì)發(fā)生大位移、大轉(zhuǎn)動(dòng)、大變形。這種變形可以是線(xiàn)性彈性變形、非線(xiàn)性彈性變形、塑性變形、粘塑性變形及其組合等。在低速碰撞的情況下，理 想的彈塑性材料特性被廣泛采用；但在高速撞擊中，有必要考慮應(yīng)變率的影響。汽車(chē)的零部件可能是用非金屬材料和復(fù)合材料等構(gòu)成，這樣就有必要采用別的本構(gòu)關(guān)系。汽

4、車(chē)耐撞性分析的另一個(gè)重要點(diǎn)是動(dòng)態(tài)接觸問(wèn)題處理。接觸對(duì)的尋找主要有拓?fù)浞?，搜尋法和?jí)域算法，接觸力的計(jì)算主要有懲罰函數(shù)法和Lagrange乘子法3。此外還有一些技術(shù)問(wèn)題的處理，如剛體的處理，特殊聯(lián)接的處理等。1.2 多剛體動(dòng)力學(xué)法多體動(dòng)力學(xué)是近20年來(lái)在經(jīng)典剛體力學(xué)、分析力學(xué)和計(jì)算機(jī)技術(shù)基礎(chǔ)上發(fā)展出來(lái)的力學(xué)分支，它以多剛體為研究對(duì)象， 建立所研究系統(tǒng)的數(shù)值模型，對(duì)它們進(jìn)行運(yùn)動(dòng)分析和動(dòng)力分析。為了表達(dá)多剛體系統(tǒng)中各剛體連接情況，系統(tǒng)結(jié)構(gòu)關(guān)系采用有向圖來(lái)代替。整個(gè)有向圖的結(jié)構(gòu)可用關(guān)聯(lián)矩陣和通路矩陣來(lái)表達(dá)，并應(yīng)用Newt on第二定律、剛體的 Newto n-Euler方程、D Alembert原理和

5、Gauss虛位移原理，來(lái)描述系統(tǒng)的特性。采用的多剛體動(dòng)力學(xué)計(jì)算軟件是MADYM04對(duì)于乘員系統(tǒng)的多體運(yùn)動(dòng)方程，使用了Lagrange方法加以推導(dǎo)，代表乘員的剛體使用橢球來(lái)表示。在所建的數(shù)學(xué)模型中，連接相 對(duì)轉(zhuǎn)動(dòng)剛體的鉸接處有非線(xiàn)性扭轉(zhuǎn)彈簧、粘滯阻尼和干摩擦。其多體系統(tǒng)乘員模型與外界及其本身相接觸的機(jī)理是人體通過(guò)接觸平面與外界及其本身作用，接觸力的大小取決于橢圓或橢球?qū)佑|平面的貫穿程度，由此可通過(guò)預(yù)先定義的加載、卸載曲線(xiàn)及滯后模型來(lái)確定產(chǎn)生接觸的非線(xiàn)性彈力、粘滯阻尼和摩擦力。對(duì)于多體系統(tǒng)運(yùn)動(dòng)方程的求解方法，MADYM中使用四階定步長(zhǎng)或五階變步長(zhǎng)的Runge-Kutta方法來(lái)求解。2 汽車(chē)正面碰

6、撞的實(shí)車(chē)實(shí)驗(yàn)和模擬計(jì)算研究的對(duì)象是國(guó)產(chǎn)某汽車(chē)，參照美國(guó)聯(lián)邦機(jī)動(dòng)車(chē)安全法規(guī)208號(hào)的要求，采用橡皮繩彈射加載方式并安裝適當(dāng)?shù)膶?dǎo)向機(jī)構(gòu)，使該車(chē)以48.3km/h左右的速度正面撞擊剛體墻。由于具體條件的限制，只是在車(chē)內(nèi)司機(jī)座椅下水平方向上安裝了加速度傳感器。此外還使用了電測(cè)量和高速攝像裝置，以便對(duì)碰撞過(guò)程的數(shù)據(jù)進(jìn)行采集和對(duì)圖像進(jìn)行運(yùn)動(dòng)分析。表1材料特性卩EVy%pfjn"5GNf噸7.8|2100. 32001 0001.0在整車(chē)碰撞實(shí)驗(yàn)后采用有限元的方法，建立了該車(chē)的正撞模型。由于條件的制約， 所建立的模型也只是針對(duì)于該車(chē)的底盤(pán)系統(tǒng)（主要包括車(chē)架總成、保險(xiǎn)杠總成、發(fā)動(dòng)機(jī)變速器總成、轉(zhuǎn)向系

7、統(tǒng)、水箱、簡(jiǎn)化的儀表板）。根據(jù)文5所述，帶有車(chē)架的汽車(chē)發(fā)生碰撞時(shí)大部分能量都由底盤(pán)部分變形所吸收，而車(chē)身前部吸收的能量相對(duì)小些，因此使用該模型進(jìn)行計(jì)算和分析，可以近似地反映出汽車(chē)發(fā)生正撞時(shí)的變形情況。模型中部件的材料（鋼）特性參數(shù)的取值見(jiàn)表1。表中：p為密度，E為楊氏模量，v為Poisson比，（T y為屈服應(yīng)力，r E為 塑性硬化模量，3為塑性硬化系數(shù)。該車(chē)底盤(pán)部分CAD模型由NASTRA軟件生成，再通過(guò)前處理軟件HyperMesh加入所必須的接觸條件、約束條件和初始條件，并生成 LS-DYNA3D 所需要的輸入文件。整個(gè)模型共有1萬(wàn)個(gè)單元左右。與實(shí)車(chē)實(shí)驗(yàn)的初始條件相同，模擬該車(chē)以48.3km/h的初速度正面撞擊剛體墻。計(jì)算后采用OASYSD3PLOT軟件進(jìn)行后處理，并將模擬計(jì)算的結(jié)果與實(shí)驗(yàn)的結(jié)果進(jìn)行了對(duì)比分析。圖1為模擬計(jì)算得到的變形序列圖，圖2為車(chē)架縱梁前部變形區(qū)域圖。通過(guò)對(duì)圖1和圖2的分析可知，變形主要發(fā)生在車(chē)架的前部，縱梁前端的A區(qū)（圖2）被壓潰并產(chǎn)生較大的褶皺，而中后部（圖2中的B和C區(qū)）的變形為塑性鉸式的變形這是因?yàn)榭v梁前端 A區(qū)橫截面 不是封閉的；而B(niǎo)和C區(qū)的橫截面是封閉的， 后部的強(qiáng)度遠(yuǎn)大于前部。 與碰撞后的實(shí)車(chē)車(chē)架 對(duì)比，發(fā)現(xiàn)A區(qū)