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挡风玻璃的模拟及A柱对汽车偏置碰撞性能的影响 |
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作者： |
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摘 要： 本文应用C-NCAP的正面40%重叠可变形壁障碰撞相关规程，对某轿车进行了仿真模拟和试验。通过仿真模型与试验的对比和分析，发现在试验中A柱有明显的变形，而此变形并未发生在有限元模型中。经过对有限元模型的分析，其挡风玻璃材料参数的失真是导致仿真模型A柱未变形的主要原因。因而，根据试验结果，优化了参数。并且基于优化后仿真精度更高的有限元模型，针对A柱变形问题进行了改进。经过仿真计算和分析，证明A柱变形问题已解决，同时也大幅提高了整车的安全性能。之后在试验中验证了其方案的可行性及仿真模型的可信度。
关键字： 挡风玻璃，A柱，偏置碰撞，有限元分析，对标，HyperMesh
1 引言
随着汽车工业及其需求量在中国的高速发展，道路交通事故也呈逐年上升趋势。因而，车辆的安全性能也日益显得重要。根据中国颁布的新车星级评价规程(C-NCAP)的正面40%重叠可变形壁障（下文简称ODB）碰撞的要求，在整车开发中会应用CAE技术，对车辆进行仿真模拟，以达到降低成本，缩短周期的目的。CAE技术也逐步取代了整车开发中的部分碰撞试验。然而，CAE技术也有其局限性。尤其在整车碰撞过程中所发生的一些零部件失效问题，在仿真模拟中会带来一定的困难，而且有些失效问题是在做试验之前无法预见的。因此，试验结果与CAE仿真结果的对比（下文简称对标）就显得尤为重要。
通过对标分析，可以优化有限元模型。使得仿真结果更加贴近实际情况，其计算结果有更高的精度。基于对标后的有限元模型，针对其暴露出来的问题再进行改进，能够更有效地解决实际问题。本文将具体阐述如何在仿真模拟中发现问题以及如何应用仿真技术解决问题的整个过程。并对如何改进40%ODB碰撞的安全性能作一个探讨。
2 碰撞分析模型
本次分析模型采用HyperMesh作为前处理软件，对CAD几何模型进行建模。应用RADIOSS显式算法对模型进行求解。以HyperView为后处理软件，对结果进行可视化操作和数据分析。分析模型包括：白车身，闭合件，底盘系统，冷却系统，动力总成，正面40%重叠可变形壁障，座椅，地面等几部分。
图 1 整车及壁障有限元模型示意图
如图1所示，为整个碰撞分析有限元模型。此模型共145万单元，116万节点。碰撞敏感区域单元平均尺寸为3.5mm，玻璃区域为15mm，其余区域为8-10mm。碰撞重要部件映射有冲压信息。为提高分析精度，钣金件的材料均是由材料拉伸试验中获得的多个应变率下的应力-应变曲线。边界条件的设定，完全参照C-NCAP之要求：车辆左侧与ODB重叠宽度为40%车宽（车宽指车辆左右最宽点，不包括后视镜、侧标志灯、胎压计、侧转向信号灯、示廓灯、挠性挡泥板、轮胎与地面接触的侧壁变形部分），可变形壁障最低点离地高度为200mm，整车碰撞速度为56公里/小时。壁障长1000mm，宽540mm，高650mm，为标准正面40%ODB有限元模型。
3 对标分析及挡风玻璃材料参数优化
试验与仿真工况完全按照C-NCAP之要求，整车以56公里/小时撞击40%重叠可变形壁障。通过观察试验结果，发现试验中A柱的变形模式和CAE结果有着很大的不同。然而除了A柱变形以外，纵梁等其他重要吸能部件的变形模式和试验吻合得较好。根据分析，造成A柱无法变形的原因很可能是A柱附近部件的建模和试验有所出入；或者就是材料过强，导致A柱无法与试验一样变形。据此分析思路，逐个检查A柱附近部件的材料参数。最后发现由于挡风玻璃的材料强度设置得不合理，使得A柱和前围板侧板的刚度被大大地提高，导致A柱没有变形。重新调整了挡风玻璃的屈服强度，并加入了应变失效后，CAE的结果和试验就吻合得比较好了。
图 2 优化玻璃材料参数前后的A柱变形形式
如图2所示，左侧为玻璃参数失真的仿真结果，右侧为优化玻璃参数后的方针结果。在40%ODB碰撞中，前围板侵入量是衡量安全性能的重要标准之一。玻璃的材料参数改进后，有限元模型中的A柱产生了变形，导致前围板侵入量的增加。其中，前围板上沿侵入量增加了366%（动态值），整个前围板侵入量的动态最大值增加26.3%。由此可见，玻璃参数的失真，掩盖了侵入量过大的真相，也给安全带来了隐患。完成对标工作后，基于优化后的模型，针对A柱变形进行了一系列的分析，并提出了一些解决方案。这将在下节中详细阐述。
在CAE仿真过程中，材料参数的准确性对于仿真是否真实起着至关重要的作用。材料参数的偏差，会掩盖实际碰撞中所发生的一些重要安全隐患。尤其是玻璃的材料参数，常常被人们所忽视。因此，对标分析及模型的优化就显得尤为重要了。
4 结构优化方案及仿真验证分析
根据对标后的仿真结果可以看出，主要变形有两处。其一，为A柱上部，靠近顶盖处；其二，为A柱下部，前围板侧板。因此，针对这两处变形，进行了进一步的分析。通过分析力的传递路径，再加上考虑到成本和可操作性，提出两套优化方案。
A．在A柱内板和顶盖纵梁连接处添加加强件，以解决A柱上部变形问题。同时在前围板侧板处添加加强件。
B．延长A柱内板，以解决A柱上部变形问题。同时在前围板侧板处添加加强件。
图 3 方案A和B的A柱变形形式
经仿真计算，如图3所示，方案A比方案B更有效地加强了A柱。通过对比A柱的变化角度可以看出，方案A亦好于方案B。从前门的可开性的角度考虑，方案A也明显好于方案B。即在两处变形严重处添加加强件，更加有效地解决了A柱变形问题。不仅如此，前围板侵入量以及左侧B柱下部加速度也有明显改善。如图4所示，Baseline（初始模型）动态侵入量最大值出现在左上角处，由于A柱下部变形过大，没有很好的阻止侵入量增大的趋势。从图中侵入量的分布区域可以看出，方案A与方案B均好于Baseline。从变形上看也能得出这样的结论。根据侵入量动态值的比较，发现加入加强件后的模型比先前的要改善28%，即侵入量减小28%。就方案A和方案B而言，方案A的侵入量比方案B减小7%。
图 4 初始模型（baseline）、方案A以及方案B的前围板侵入量及变形
图5所示为Baseline、方案A及方案B中左侧B柱下端的减速度曲线。从图中可知，三条曲线在前一时间段中几乎一样，这表明车体前部与壁障碰撞变形基本一致。曲线的主要变化发生在中间的时间段。方案A和B在相位上与Baseline略有不同，波峰与波谷出现时刻晚于Baseline。可见，A柱加强件起到了一定的作用。从减速度最大值可以看出，方案A明显好于方案B和Baseline，减速度降低了5%。方案B和Baseline中的A柱最终都有不同程度的变形。由于方案A不仅侵入量优于方案B，而且在减速度峰值上也小于方案B。因此，最终选择方案A来实施。
图 5 初始模型（Baseline）、方案A以及方案B的车体减速度波形
5 试验证实其方案的可行性及模型的可信度
经过仿真分析，确定了方案A为最终实行之方案。根据此方案，确定了样车的CAD数据。考虑工艺等其他问题，在不改变大致外形的前提下，进行加筋、挖孔等具体设计。并用有限元模型验证其改动后，不会对A柱变形及安全性能造成影响。之后，在样车40%偏置碰试验中，A柱的变形问题得到圆满地解决。并且证实了有限元仿真模型的可信度。仿真分析不仅解决了实际问题，还完全预测到了试验结果。其B柱左下的减速度波形与试验吻合得很好。前围板侵入量也和试验相当接近，大部分测量点（包括重要区域）的误差在5mm以内，少数几个点的误差在5-10mm。
6 结论
按照56公里/小时正面40%重叠可变形壁障碰撞之规程，本文应用CAE仿真技术，对整车碰撞的安全性能进行了模拟和分析。在对标过程中，通过对A柱变形原因的分析和研究，发现了先前有限元模型中玻璃数据的失真。在整车碰撞的有限元模型中，玻璃材料的模拟经常被人们所忽视。然而，玻璃模拟的真实与否，有时候会直接影响有限元模型的碰撞性能，尤其在偏置碰撞中特别明显。由此也可以看出对标工作的重要性。要想将CAE技术推向更高的层次，我们一定要将这门技术与试验紧密且合理地结合在一起。经过对标优化后的有限元模型，将具有更高的可信度。同时，也为CAE仿真技术指导设计人员进行设计奠定了扎实且可靠的基础。
基于对标后更加可靠的有限元模型，针对A柱变形问题进行了改进。通过仿真分析和验证，采用了在A柱里添加加强件的方案。此方案不仅改善了A柱变形，同时也使得整车的安全性能大幅提高。经过在样车上实施，试验结果证明了有限元模型的可靠性和预见性。本文再一次证明了CAE技术在产品开发中的重要地位。
7 参考文献
[1] C-NCAP（中国新车评价规程）管理规定（2009版）(end)
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(11/25/2010) |
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