基于LS-DYNA农用三轮车车架的碰撞仿真*

王会刚，崔　钺，王　伟

(唐山学院 机电工程系， 河北 唐山　063000)

0　引　言

农用三轮车以其轻便快捷、易驾驶、占用面积小、通过能力强、价格低廉等显著特点，已发展成为现代社会应用最广泛的交通工具之一。随着中国经济实力的增强，越来越多的厂商生产农用三轮车，越来越多的人选择农用三轮车作为交通工具。农用三轮车数量急剧增加，也经常发生交通事故，而很多事故造成伤害的主要原因是车架强度不够，碰撞时出现车架严重损坏。这就要求设计过程中，对车架的刚度、强度等有准确分析。采用数值方法，仿真分析了农用三轮车与刚体碰撞时车架的应力状态、能量变化等，分析结果对农用三轮车的设计有重要的指导意义。

1　车架实体和网格模型

LS-DYNA是世界上最著名的通用显式非线性有限元分析程序，既能求解各种非线性结构的碰撞等动力冲击问题，也能进行裂纹扩展分析、欧拉场分析和多物理场耦合分析等[1]。在工程应用领域被广泛认可为最佳的分析软件包，在军用和民用领域使用都非常广泛，与实验的无数次对比证实了其计算的可靠性。车架实体模型，根据JY100H系列农用三轮车型建立。最终实体模型如图1所示。

建立有限元模型时，因车架属于“型材焊接结构”，为使计算结果精确，使用壳单元SHELL163进行网格划分。SHELL163 是一个4节点单元，有弯曲和膜特征，可加平面和法向载荷[2]。单元在每个节点上有12个自由度：在节点x,y,和z方向的平动、加速度、速度和绕x,y,和z轴的转动[3]。采用自由划分网格，最后划分出单元数目为18 612个，最终网格模型如图2所示。

图1　车架实体模型图2　车架网格模型

2　车架的碰撞模型

LS-DYNA程序现有40多种类型可以求解接触类问题：变形体对变形体的接触、变形体对刚体的接触、刚体对刚体的接触、与刚性墙接触等，并可考虑接触表面的静动力摩擦、热传导和固连失效等[4]。这种技术成功地用于整车碰撞研究、乘员与柔性气囊或安全带接触的安全分析等[5]。

碰撞模型如下：对农用三轮车架尾部进行固定(限制所有自由度)，目的是模拟实际碰撞时农用三轮车车头部分与刚性墙碰撞，保证农用三轮车在碰撞时不会倒下来。同时在碰撞过程中，一般都是车头发生形变较大，车尾发生的形变较小，可以忽略。在农用三轮车碰撞试验中，会采取固定农用三轮车座位和后轮，移动刚性墙的方法，这样可以保证农用三轮车是以正面姿态撞向刚性墙。同时，因为车架尾端变形小，固定车架尾端对试验结果不会产生影响，还能清晰地得出车架前段的变形情况。与之相撞的是一面刚性墙，在碰撞模拟中采用单面自动接触，相当于农用三轮车以一定的速度撞向刚性墙，车架产生变形、破裂等。笔者分析的碰撞模型如图3所示。

3　碰撞分析

根据实际情况，设置车架的弹性模量2e11，泊松比0.3。根据中国NCAP汽车碰撞测试给出的数据，仿照进行碰撞测试:使用50 km/h(14 m/s)的速度使车架100%撞上刚性墙，观察车架的变形方式和变形大小等。

3.1　等效应力

车架的等效应力如图4所示。从图中可以看出此时最高应力值为9.88 e9Pa，超过了材料的屈服极限，车架发生了不可恢复变形。

图3　车架的碰撞模型图4　车架的等效应力

3.2　能量变化

同时分析碰撞前后能量的变化，由动能转化为内能、动能和势能，势能一部分转化为塑性变形，一部分储存在车架的弹性变形中，减小碰撞带来的冲击力。经计算，刚性墙的面积为0.722 m2，厚度为0.05 m，速度为14 m/s，密度为7 800 kg/m3，则理论计算动能为Ek=27 601.16 J，与图5基本一致。

碰撞系统的能量随时间的变化,如图5～7所示。整个碰撞系统初始只有刚性墙移动，整体动能集中在刚性墙。图中点表示开始发生碰撞的点，在时间0.001 2 s开始碰撞，整体动能开始降低，势能增加。对应图5，临界状态马上就要发生弹性形变，取时间0.001 8 s，此时发生了弹性形变和塑性变形。

对比整体内能的曲线图看，在0.03 s时内能最大为22000 J，此时势能为27900-22000=5900(J)。对比整体能量变化图，可以看出在0～0.03 s之间，车架发生大幅度碰撞，车架同时发生塑性变形和弾性变形，并在0.03 s时完成碰撞，车架弹塑性变形达到最大，此时对整体农用三轮车的影响也是最大的，损伤各种农用三轮车器件，对人身伤害也是最大的。在0.03～0.05 s时间段内，整体能量几乎不变，内能减小，动能增加，是因为此时农用三轮车架的弾性变形恢复，在实际中对乘客的保护作用也非常明显。

图5　动能随时间的变化

图6　内能能量随时间变化图

图7　总能量(动能+内能)随时间变化图

3.3　碰撞结果分析

在碰撞过程中，车架的塑性变形吸收了21.5%的能量，从减少车架的动能方面考虑，减小了速度和加速度，也就是减小了冲击力；但是，过大的塑性变形会导致车架弯向乘客，对乘客的人身安全造成威胁。

车架碰撞过程中农用三轮车最大变形为0.229 m，其中包括弾性变形和塑性变形，后期弾性变形恢复，变形量为0.157 m。在总变形量不变的情况下，尽量增大弹性变形有利于乘客发生碰撞时的逃生。因为弾性变形的时间很短，对人体伤害要比塑性变形车架压到人身上小得多，提高车架材料的韧性，有利于减小对人身的伤害。

4　改进建议

将农用三轮车架中的厚度改为3 mm，进行碰撞测试，得出厚度为0.003 m的车架相对于厚度为0.002 m的车架动能变化量减小、内能变化量增加，车架吸收的能量变少，车架的塑性变形就会变小，从车架变形的角度上来说，车架变厚有利于减小对乘客的伤害。

5　结　论

(1) 塑性变形吸收碰撞能量，减少车架冲击力，但过大的塑性变形会导致车架弯向乘客，对乘客的人身安全造成威胁。

(2) 在总变形量不变的情况下，尽量增大弹性变形有利于乘客发生碰撞时的逃生。

(3) 提高车架材料的韧性，有利于减小对人身的伤害。

(4) 车架变厚有利于减小对乘客的伤害。经仿真实验，最佳厚度值为0.003 m。