2007年 (第 29卷 )第 11期汽 车 工 程Automotive Engineering 2007 (Vol. 29) No. 112007224轿 车 车 身 结 构 侧 向 耐 撞 性 的 有 限 元 分 析原 稿 收 到 日 期 为 2006年 11月 28日 ,修 改 稿 收 到 日 期 为 2007年 1月 5日 。苏 成 谦 1 ,吕 振 华 1 ,张 群 2(11清 华 大 学 ,汽 车 安 全 与 节 能 国 家 重 点 实 验 室 ,北 京 100084; 21天 津 一 汽 夏 利 汽 车 股 份 有 限 公 司 产 品 开 发 中 心 ,天 津 300190)摘 要 以 国 内 某 新 型 轿 车 为 对 象 ,基 于 有 限 元 分 析 方 法 ,系 统 地 研 究 了 侧 面 碰 撞 的 整 车 建 模 技 术 、 移 动 壁 障建 模 技 术 、 仿 真 计 算 方 法 和 结 构 耐 撞 性 分 析 方 法 。 实 验 结 果 验 证 了 整 车 模 型 的 有 效 性 。 侧 向 耐 撞 性 分 析 以 结 构 变形 响 应 特 性 为 主 ,包 括 结 构 变 形 能 、 变 形 量 、 变 形 速 度 等 ,运 用 碰 撞 响 应 时 序 图 综 合 分 析 了 碰 撞 力 、 假 人 损 伤 和 结 构变 形 等 多 项 响 应 之 间 的 相 互 关 系 。 总 结 形 成 一 套 适 合 于 轿 车 侧 向 耐 撞 性 分 析 与 设 计 验 证 的 CAE技 术 流 程 。关 键 词 :轿 车 车 身 ;侧 面 碰 撞 ;结 构 耐 撞 性 ;有 限 元 分 析 ;变 形 响 应 特 性Finite Element Analysis on the Lateral Crashworthiness of Car Body StructureSu Chengq ian1 , L Zhenhua1 & Zhang Qun211Tsinghua U niversity, S tate Key Laboratory of Autom otive Safety and Energy, B eijing 100084;21Tianjin FAW X iali A utom obile Co. , L td. , Tianjin 300190 Abstract W ith finite element analyses on a new model of homemade car, the techniques of comp lete vehi2cle modeling, moving deformable barrier modeling, numerical simulation and structural crashworthiness analysis forside impact are studied systematically. Test results verify the validity of comp lete vehicle model. Side crashworthi2ness analysis is based on structural deformation response, including deformation, deformation energy, and deforma2tion velocity, etc. A comp rehensive analysis on the relationship s among impact force, dummy injury, structural de2formation, and other responses is performed by utilizing time sequence diagram of crash response. And a set of CAEanalysis p rocess is summarized for car lateral crashworthiness analysis and its validation.Keywords: Car body; S ide im pact; Structura l cra shworth iness; FEA; D eforma tion respon se charac2ter istics前 言轿 车 侧 面 碰 撞 是 近 年 来 汽 车 碰 撞 安 全 性 研 究 的热 点 问 题 。 2006年 7月 ,国 家 颁 布 了 强 制 性 碰 撞 安全 标 准 汽 车 侧 面 碰 撞 的 乘 员 保 护 1 ,这 标 志 着 国内 汽 车 行 业 将 实 行 更 严 格 的 安 全 性 法 规 。研 究 对 象 是 国 内 某 汽 车 企 业 自 主 开 发 的 一 款 新型 经 济 型 轿 车 (样 车 ) ,该 车 整 备 质 量 约 为 960kg、 轴距 约 为 2400 mm,是 一 款 发 动 机 前 置 前 驱 动 的 两 厢车 。 目 前 ,国 内 已 有 研 究 人 员 开 展 了 轿 车 侧 面 碰 撞安 全 性 研 究 2 - 4 ,对 轿 车 侧 面 碰 撞 有 限 元 建 模 技 术进 行 论 述 2 ,但 部 分 文 献 主 要 是 介 绍 车 身 金 属 结 构件 的 有 限 元 建 模 方 法 。 作 者 针 对 轿 车 侧 面 碰 撞 中 结构 大 变 形 、 车 身 大 幅 运 动 的 响 应 特 点 及 其 结 构 特 点 ,重 点 分 析 车 身 系 统 、 底 盘 系 统 和 动 力 总 成 系 统 的 建模 原 则 。 参 照 法 规 要 求 开 发 侧 面 碰 撞 移 动 壁 障(movable deformable barrier, MDB )有 限 元 模 型 ,然后 进 行 整 车 侧 面 碰 撞 仿 真 计 算 和 分 析 。实 车 碰 撞 实 验 结 果 在 车 身 位 移 、 速 度 和 加 速 度等 运 动 响 应 方 面 验 证 了 整 车 有 限 元 模 型 的 有 效 性 。基 于 仿 真 结 果 ,分 析 了 轿 车 的 车 身 结 构 变 形 响 应 特性 ,主 要 包 括 变 形 能 、 变 形 量 和 变 形 速 度 3个 要 素 ,由 此 分 析 乘 员 空 间 的 变 形 规 律 。 然 后 ,将 车 身 结 构变 形 、 碰 撞 力 、 移 动 壁 障 减 速 度 和 假 人 损 伤 值 等 响 应曲 线 的 关 键 时 刻 点 统 一 表 示 在 碰 撞 响 应 时 序 图 上 ,2007 (Vol. 29) No. 11 苏 成 谦 ,等 :轿 车 车 身 结 构 侧 向 耐 撞 性 的 有 限 元 分 析 965 综 合 分 析 了 各 种 响 应 之 间 的 相 互 关 系 ,明 确 指 出 了响 应 过 程 中 的 关 键 时 刻 和 主 要 结 构 部 位 ,为 车 身 结构 耐 撞 性 设 计 提 供 重 要 分 析 依 据 。1 有 限 元 建 模 与 仿 真111 整 车 有 限 元 模 型轿 车 侧 面 碰 撞 整 车 有 限 元 建 模 技 术 流 程 如 图 1所 示 。 整 车 各 子 系 统 和 零 部 件 的 建 模 方 法 取 决 于 结构 特 点 和 碰 撞 过 程 中 的 响 应 特 点 。 车 身 薄 壁 结 构 件是 变 形 吸 能 和 承 载 的 主 要 部 件 ;车 身 附 件 对 结 构 变形 吸 能 的 作 用 很 小 ,但 质 量 所 占 的 比 例 很 大 ,对 车 身运 动 响 应 影 响 较 大 。 底 盘 和 动 力 总 成 系 统 的 局 部 结构 刚 度 大 于 车 身 结 构 件 ,多 数 部 件 在 侧 面 碰 撞 中 不发 生 接 触 和 大 变 形 ,通 常 简 化 为 多 刚 体 系 统 。 前 、 后悬 架 的 弹 性 /阻 尼 特 性 ,橡 胶 悬 置 的 刚 度 特 性 ,以 及动 力 总 成 刚 体 惯 性 参 数 等 因 素 都 影 响 碰 撞 过 程 中 车身 的 俯 仰 、 侧 倾 等 运 动 响 应 ,这 是 侧 面 碰 撞 与 正 面 碰撞 仿 真 分 析 5 的 重 要 区 别 。图 1 轿 车 侧 面 碰 撞 的 整 车 有 限 元 建 模 技 术 流 程 图由 此 分 析 ,车 身 系 统 的 建 模 原 则 主 要 有 2点 :(1)用 壳 单 元 模 拟 车 身 薄 壁 结 构 件 的 几 何 形 状 和 变形 模 式 ; (2)用 集 中 质 量 单 元 模 拟 车 身 系 统 的 惯 量特 性 。 同 理 ,底 盘 和 动 力 总 成 系 统 的 建 模 原 则 包 括精 确 模 拟 各 结 构 件 的 刚 体 惯 性 参 数 (包 括 质 心 、 质量 和 惯 性 矩 阵 ) ,以 及 精 确 模 拟 弹 性 元 件 和 连 接 件的 弹 性 运 动 学 关 系 和 约 束 关 系 。侧 面 碰 撞 整 车 有 限 元 模 型 的 单 元 类 型 包 括 壳 单元 ( Shell)、 实 体 单 元 ( Solid)、 梁 单 元 (Beam )、 质 量单 元 (Mass)、 弹 簧 /阻 尼 单 元 模 型 ( Sp ring/ Damper)等 ,其 它 模 型 类 型 还 包 括 刚 体 模 型 、 焊 点 模 型 、 刚 性约 束 关 系 、 铰 链 约 束 关 系 和 充 气 轮 胎 模 型 等 。 整 车有 限 元 模 型 的 参 数 主 要 包 括 以 下 4类 。(1) 金 属 材 料 属 性 和 板 厚 材 料 属 性 包 括 密度 、 弹 性 模 量 、 屈 服 强 度 、 抗 拉 强 度 和 应 变 率 系 数 等 。(2) 刚 体 惯 性 参 数 刚 体 惯 性 参 数 识 别 方 法 主要 有 :基 于 结 构 CAD实 体 模 型 的 数 值 计 算 方 法 ;以及 实 验 识 别 测 试 方 法 ,如 三 线 扭 摆 法 或 基 于 实 验 模态 分 析 技 术 的 识 别 方 法 6 。(3) 橡 胶 悬 置 刚 度 特 性 将 橡 胶 悬 置 简 化 为 位于 悬 置 弹 性 中 心 的 三 向 弹 簧 或 多 向 弹 簧 。 文 中 模 型的 悬 置 刚 度 参 数 获 取 方 法 有 3种 :从 零 件 设 计 图 中读 取 参 数 、 实 验 测 试 悬 置 各 向 刚 度 和 用 有 限 元 分 析方 法 预 测 刚 度 特 性 7 。动 力 总 成 模 型 简 化 为 具 有 刚 性 材 料 属 性 的 表 面壳 单 元 模 型 ,运 用 三 线 摆 实 验 方 法 识 别 出 动 力 总 成的 刚 体 惯 性 参 数 ,如 表 1所 示 。 然 后 用 实 验 方 法 分别 测 量 悬 置 的 三 向 刚 度 ,用 离 散 弹 簧 单 元 建 模 (需考 虑 变 形 极 限 )。表 1 样 车 动 力 总 成 的 刚 体 惯 性 参 数质 量 /kg 转 动 惯 量 和 惯 性 积 /kg m215415 Jxx Jyy Jzz Jxy Jyz Jzx发 动 机 坐 标 系 4101 9142 8118 0173 0125 1146整 车 坐 标 系 9136 4105 8120 - 0187 1144 - 0137(4) 整 车 质 量 分 布 特 性 底 盘 系 统 中 ,大 多 数零 部 件 的 质 量 参