CATIA-LS-DYNA的汽车正面碰撞仿真分析

顾老总

在汽车被动安全性研究中,汽车碰撞是一个动态的大位移和大变形的瞬态接触过程。接触和高速冲击载荷影响碰撞的全过程,碰撞系统具有大位移、大转动和大应变为特征的几何非线性,以材料弹塑性变形为典型特征的材料非线性和以接触摩擦为特征的接触非线性的多重非线性特点。这些非线性物理性能的综合作用使对汽车碰撞过程的精确描述和求解十分困难。而基于显式积分动态非线性有限元法可用来计算具有复杂几何外形、任意材料特性及任意方式变形的接触系统,处理这些非线性问题十分有效,其已成为当今汽车被动安全性研究中最常用的方法之一。

1，碰撞模型建立

1.1汽车三维模型建立

建立汽车整车几何模型是进行有限元分析的第一步,模型质量的好坏对后续的有限元分析起着至关重要的作用,直接决定有限元模型的优劣乃至分析工作进展的顺利与否。另外,在保证模型正确及几何元素相互关联的基础上,也要提高建模效率,能简化的尽量简化,以到达事半功倍的效果。本文应用CATIA软件建立汽车整车的几何模型。汽车三维模型如图1所示。

1.2汽车有限元模型

　　有限元分析的最终目的是要还原一个实际工程系统的数学行为特征,即分析必须是针对一个物理原型准确的数学模型。本文应用ANSYS做前处理软件。汽车保险杠、纵梁等多采用薄壳单元。对发动机、变速器等质量块采用实体单元划分,通过其密度参数表示其质量。使用计算机进行模拟分析时,由于网格的质量直接影响计算精度和计算时间,所以在网格质量检查过程中,需要花费大量的时间。对于自由节点和重复单元必须删除,以免影响变形结果。因考虑壳单元厚度后将出现穿透问题,故必须在原有模型的基础上加以调整,使整个模型没有初始穿透。

2.加速度评价指标分析

　　本文采用LS-PREPOST进行后处理,将计算结果文件d3plot导入LS-PREPOST分析。由于车体上各点的求解结果均不相同,所以不利于对部分指标进行评估,而发动机定义为刚性体,因此有的指标可以取发动机作为分析对象。绘制的碰撞速度曲线见图3,加速度曲线见图4。


从速度曲线和加速度曲线可以大致看出,碰撞初始速度为法规规定的50km/h(即13.89m/s),碰撞速度在大约58ms内趋近于0,碰撞加速度在65ms左右趋近于0。从加速度曲线中可以看出,加速度的最大值为63.4g,而且加速度的峰值出现在20~22ms之间。根据参考文献[2]和[3],加速度值应在30g之内,由此判断该加速度峰值太大,而且在碰撞过程中出现的比较早。

根据图4所示的加速度曲线,可以求出平均加速度值为25.3g,参考文献[4]和[5]中提到评价加速度应低于20g为好,所以其平均加速度显得略高,由加速度曲线求出加速度均方根值为11.6g。

2.1车身变形结果分析

图5所示分别是整车车身在碰撞后10、20、40、60、80和120ms时刻的变形图,从图5中可以看出,汽车前端发生了明显的翘曲变形,保险杠系统在碰撞过程中发生塑性变形而完全失效,保险杠在压变形后又反向压迫连接其上的前纵梁等前部构件,车身左右两侧翼子板和引擎盖均发生了较大的塑性变形,产生了褶皱,起到了一定的吸收能量作用。车身前部向后产生变形挤向驾驶室,这将使车内驾驶员的安全受到很大威胁;坐舱及车身后部基本上没有变形。产生此现象的原因是正面碰撞发生时,汽车车身前部受到猛烈的撞击,冲击能量很大,在极短的时间内动量变化迅速,形成瞬时数值极高的冲击力,车身前部受此冲击力作用,在碰撞时产生的应力远远超过材料的屈服应力而发生较大的塑性变形,同时将大部分冲击能量吸收掉,使汽车动能降低。汽车在碰撞发生过程中冲击力从前部传到后部有一个时间上的延迟,使汽车的坐舱和后部承受的应力减小,没有产生明显的变形。

汽车的尾部随着碰撞过程的深入逐渐出现明显的上抬趋势,这主要是由于刚性障碍物与车前端相互作用的作用力中心与整车的惯性中心在车的垂直方向有一个距离差,导致整车在碰撞过程中的惯性力产生一个绕前端碰撞作用力中心转动的力矩,正是在该力矩的作用下,汽车的尾部出现上抬趋势。

3，小结
本文结合显示动态有限元理论和冲击力学相关知识,应用计算机仿真的方法,在LS-DYNA环境下模拟整车以50km/h速度与刚性障碍物正面碰撞,并分析了其结构变形。从以上分析结果看,变形主要集中在骨架上,即碰撞体与保险杠发生碰撞时传递给保险杠的大部分能量被骨架吸收,使碰撞体的动能在很大程度上转变为骨架的塑性变形功。