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CAE/模拟仿真 |
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基于RADIOSS的世嘉车型顶盖抗压计算分析和实验对比 |
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作者：夏汤忠 王萍萍 |
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汽车滚翻事故是汽车事故中的一种主要表现形式， 主要是由汽车驶离路面或高速转弯引起的，其事故的死亡率远高于其他形式的道路交通事故死亡率。滚翻时车顶受冲击载荷作用发生大变形并侵入乘客室，使乘员生存空间变小，易对乘员造成伤害。大量研究表明，车顶强度偏弱是引起乘员头部和颈部受伤的直接原因。目前评价轿车车顶强度的法规有有美国联邦机动车辆安全标准FMVSS 216《车顶准静态压溃试验》和美国机动车工程师协会标准SAE J 996《整车跌落试验》，而中国目前已经开始采用FMVSS 216《车顶准静态压溃试验》来作为法规的标准要求。随着将车顶强度评价项目纳入新车评定程序中，该领域的研究势必会得到广泛重视。
现代汽车产品的设计，随着汽车产品市场的发展和要求的不断提高，其产品设计的时间、成本正在快速地缩短和降低，其整车的开发、上市周期已经从5年到24个月。这些变化主要得益于CAE技术的应用。本文利用HyperCrash软件，对世嘉车型侧碰计算分析模型进行处理来建立世嘉车型顶盖抗压强度计算模型，通过RADIOSS软件的求解运算得到了其顶盖抗压强度得性能。为通过该项新车法规评定提供了详细的分析数据，同时也为该车型系列减少实验项目提供了等同技术资料；减少了整个实验费用和项目评定时间。
1 世嘉车型顶盖抗压计算模型的建立
1.1 网格模型的建立
此次计算采用世嘉车型侧碰计算分析模型进行处理来建立其顶盖抗压模型。为得到较高的计算效率，删除没有作用的部件，如底盘系统、约束系统等。整车有限元模型包括白车身、前后车门、前后风挡、仪表板。各部分建模质量的好坏会影响计算过程中结构的刚度与力的传递路径，进而影响仿真精度。建模中对网格尺寸、单元翘曲度、长宽比、最大及最小内角、三角形单元比例都有严格的要求。整车有限元模型，共有408849个单元，398856 个节点，三角形单元占单元总数的3.3 %，模型中的单元类型包括板壳单元、梁单元、刚性单元和弹簧单元等。
1.2 边界条件
FMVSS 216 主要用于检验发生滚翻事故时，车顶是否有足够的强度抵抗变形，确保乘员生存空间。试验时，将车身置于刚性平面上， 用762 mm×1 829 mm的金属压力盘对车顶加载，加载初始点在加载装置下表面中心线上且距压力盘前端254 mm ，其示意图如图1所示，其中α为滚翻角，β为俯仰角，α= 25°，β= 5°。
图1 车顶准静态压溃试验( 单位:mm)
当压力盘压力达到1. 5倍汽车整备质量或22 240 N（取两者的小值）时，要求压力盘的位移不应超过127 mm。
世嘉车型整备质量为1360 kg，那么压力盘压力应该达到：1360*1.5*9.8 = 19992 N。
图2为世嘉车顶准静态压溃仿真的有限元模型。在车身有限元模型中创建刚性墙，模拟金属压力盘。
图2 世嘉车顶准静态压溃有限元模型
压力盘与车身的接触摩擦因数设为0.2，并以速度v匀速沿其法向下压,分析压力盘压力与车顶压溃深度(压力盘位移) 的关系,加载速度设为2m/s。
1.3 计算结果
法规要求当压力盘压力达到1. 5倍汽车整备质量或22 240 N（取两者的小值）时，要求压力盘的位移不应超过127 mm。模拟仿真中，通常定义压力盘的位移大于127mm。一方面，观察压力盘在多大位移时压力值达到要求；另一方面，观察压力盘在之后的位移过程中，压力值是否会下降到要求之下。压力值越大，说明车顶强度越大，抵抗变形的能力越强。本次仿真中定义压力盘的位移达到150mm。
图3为车顶准静态压溃仿真的抗压曲线,即压力盘压力与车顶压溃深度的关系曲线。从图可知：压力盘压力达到19992 N 时,车顶压溃深度为36.5 mm ;而且压溃深度在36.5～127 mm区间时,压力值均大于19992 N。因此,该轿车车顶强度能够满足FMVSS 216 标准要求。
图3 世嘉车顶准静态压溃抗压曲线
1.4 加载速度的影响
法规要求压力盘移动速度不大于13mm/s，总加载时间小于120s，对模拟仿真而言，该速度计算效率低，会耗费大量的计算时间。但如果加载速度过快，会使接触反力过大，计算结果失真。为了确定合适的加载速度，保证得到准确的仿真结果，同时尽可能的节省计算时间，我们按照10m/s、5 m/s、2 m/s、1 m/s、0.5 m/s这几个速度分别加载，结果见图4，当速度降至2m/s后，得到的抗压曲线趋于一致。因此，2m/s是在保证结果的前提下比较高效的加载速度。
图4 不同加载速度下的力与位移曲线
2 计算与实验的对比
2.1 物理实验
图5所示世嘉车的试验现场，车身固定在台架上，压力盘按法规规定的角度加载，当加载力到达19992N时，压力盘的位移是71.8mm，小于127mm，满足法规要求。但是与计算值36.5mm相比较，还存在较大差异。
图5 世嘉车顶准静态压溃试验
2.2 对应的计算分析结果
试验值（71.8mm）与计算值（36.5mm）相差加大，对于差异产生的原因，经过仔细分析，认为主要是车身状态不同造成的，随后我们也通过计算进行了验证。
试验车身没有安装前风挡，没有安装仪表板横梁，对试验结果会产生一定影响。于是，我们将原计算模型中的前风挡、仪表板横梁删除，将模型调整到与试验车身相同的状态，再次进行模拟仿真。结果见下图6，当加载力到达19992N时，压力盘的位移是68.9mm，与试验值基本一致，说明计算和试验的对标性良好。模型及仿真结果可信。
图6 试验状态世嘉车顶准静态压溃抗压曲线
2.3 前风窗玻璃的影响
试验和计算的对标说明车辆的前风挡和仪表板横梁对车顶抗压性能的影响较大，但各自的贡献量有多少，我们进行了以下三种方案的计算来进行分析，结果见图7，仪表板横梁对试验结果几乎没有影响，而前风挡对试验结果影响很大。该结果对今后的仿真或是试验的车辆定义都有一定的参考作用。
图7三种状态的车顶准静态压溃抗压曲线
3 结论
本文通过试验和计算对世嘉车型的顶盖抗压强度分别进行了分析，对标性良好，为世嘉车型的顶盖抗压强度评估提供了详细的分析数据，同时也为该车型系列减少实验项目提供了等同的技术资料；减少了整个实验费用和项目评定时间。(end)
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(12/10/2010) |
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