基于RADIOSS 的车身正面碰撞仿真分析*

宁士翔，胡静波，庆光蔚，王小燕，王 爽

(南京市特种设备安全监督检验研究院 大数据中心，江苏 南京210019)

0 引言

据相关资料统计，2009～2018 年，我国汽车保有量和交通运输基础设施建设处于快速发展的重要时期。 然而道路交通事故的发生量在我国近十年内，整体呈现先降后升趋势。 2015 年我国道路交通事故发生量处历史低点，而后再次出现反弹，2018年事故发生数甚至超过十年前的统计水平，死亡人数居高不下，直接财产损失进一步增高[1]。 目前，国内外关于汽车被动安全性研究，主要是通过实车试验和计算机模拟仿真两种方法来进行的。由于实车试验需要大量的成本投入，以及“实车试验-改进结构-再次实车试验”需要较长的周期，因此计算机仿真模拟被广泛地运用于汽车被动安全性领域[2]。

根据GB 11551-2014《汽车正面碰撞的乘员保护》法规要求，本文以某型客车车身为研究对象，建立了车身正面碰撞有限元模型。利用RADIOSS 软件对该型客车车身正面碰撞进行仿真计算[3]。 通过分析碰撞过程中的变形、能量、速度以及加速度变化，完成对该型客车车身在正面碰撞过程中的安全性评价[4]。

1 建立车身有限元模型

1.1 网格划分

在HyperMesh 软件中导入PRO-E 建好的几何模型，通过拓扑修复、抽取中面以及简化模型等操作，完成对车身数模的几何清理。 由于客车车身在正面碰撞过程中，变形较小的是中尾部，而变形较大的往往是车头部分，因此采取“后疏前密”的原则划分网格。车尾、车身中部、车头部分的网格单元大小平均分别为20 mm、15 mm、10 mm。客车车身有限元模型如图1 所示，共有426 299 个单元，453 391个节点。

图1 车身有限元模型

1.2 材料属性设置

碰撞过程中的塑性变形是车身碰撞吸能的主要形式，合理的材料参数设置对碰撞仿真精度有着重要的影响[5]。 在有限元模型中，车身蒙皮的材料是08AL 钢，车身骨架是16Mn 钢。 材料模型选用的是RADIOSS 中各向同性的弹塑性材料PLAS_JOHNS。表1 是车身材料的密度、泊松比、弹性模量以及屈服极限等参数。

表1 材料参数

1.3 点焊装配

通常情况下，车身各钣金件的连接方式主要有焊接、螺栓连接以及铆接。 其中车身装配的常用连接方式是点焊。 在碰撞有限元仿真中，模拟焊点模型主要有梁单元、体单元以及弹簧单元几种形式[6]。本文选取弹簧单元焊点模型来装配客车车身各部件，其主要通过弹簧单元连接各部件的壳单元，然后通过定义弹簧单元的材料属性来模拟焊点的应力应变特性。 图2 是车身装配的焊点模型，共包含了6 728 个焊点。

图2 车身焊点模型

1.4 接触设置

在汽车碰撞仿真计算中，常用的接触类型有节点与面的接触、面与面的接触、单面的自接触。此次碰撞仿真分析中，接触类型选用的是RADIOSS 中的/INTER/TYPE7[7]，它可以模拟自接触以及主从点面接触，其中静摩擦系数设置为0.25。

2 仿真结果分析

按照法规GB 11551-2014《汽车正面碰撞的乘员保护》的要求，在RADIOSS 软件环境下，设置碰撞初始速度为48.3 km/h，仿真时间为130 ms。

2.1 变形分析

图3 是在不同时刻下(0 ms、40 ms、80 ms、120 ms)车身的变形图。从图中可发现，车头前部变形较大，其中引擎盖、前围、保险杠的吸能效果较好。 此外，在40 ms～80 ms 时间段，车身前部变形趋势明显，在之后的时间段，车身结构变形不大。

图4(a)是车门相对变形量曲线，图中最大变形量为4 mm，碰撞结束后车门可以在不借助其他工具的情况下打开。 图4(b)是驾驶室的相对变形量曲线，由图可知最大变形量为46.4 mm，远小于法规规定的127 mm[8]，并且该变形量对驾驶室乘员的安全生存空间影响不大。

2.2 能量分析

汽车发生碰撞时，大部分动能都转化为系统内能，另外一部分则转化为沙漏能和接触能，还有极少部分以发光、发热等形式耗散掉。 图5 是能量变化曲线，从图中发现，系统总能量(初始动能)为360 kJ，碰撞结束后，系统内能为340 kJ，占总能量的94.4%。另外沙漏能为11 kJ，占总能量的3%，小于5%的控制目标[9]，这也表明了计算结果的合理性。

图3 不同时刻变形图

2.3 速度及加速度分析

图6是保险杠上点(节点417403)和驾驶室地板上点(节点355864)的速度变化曲线。 从图中发现，保险杠的速度下降很快，在3 ms 时速度就降为0，接着又增大到4.1 m/ms，随后又减小接近为0。 驾驶室地板上的速度则一直在减小，在109 ms 时，速度降为0，之后开始回弹。 通过这里分析得出，车身前部保险杠等部件的变形吸能，使得车头往后部件速度的衰减程度明显小于前面。

图4 变形量曲线

图5 能量变化曲线

图6 速度变化曲线

图7 加速度变化曲线

在评价车身结构安全性时，加速度分析是一项重要指标，过大的加速度峰值会导致乘员受到二次碰撞[10]。 图7 是驾驶室座椅下方地板上某点的加速度曲线，由图可知当车身与刚性墙接触后，加速度曲线发生急剧变化，在70 ms 时，曲线出现最大峰值，最大值为110.6g(g 为重力加速度)；80 ms 之后，车身前部结构变形基本结束，加速度变化曲线逐渐趋于平缓。

3 碰撞试验

图8 是该型客车实车碰撞试验图。 从图中发现，引擎盖经过碰撞后向上折叠隆起，塑性变形发生在客车前围部位，挡风玻璃没有破碎，车门没有明显的挤压变形，驾驶室乘员空间完好，假人姿势也保持较好。

图8 实车碰撞试验

将试验结果与仿真结果对比发现，在碰撞仿真过程中，车头结构的变形部件、变形位置、变形趋势与试验结果相吻合，这也较好地验证了车身模型的准确性。 此外，碰撞仿真过程中驾驶室、车门的变形对驾驶员乘员的安全生存空间影响不大，与实车碰撞试验结果相一致，也进一步验证了碰撞仿真结果的可靠性。

4 结论

本文利用PRO-E、HyperMesh 软件，建立了车身正面碰撞有限元模型，并通过调用先进的RADIOSS求解器对客车车身进行正面碰撞仿真计算。 仿真计算结果表明：车身前部的引擎盖、前围、保险杠变形量较大，起到了良好的吸能作用；车门与驾驶室变形较小，保障了乘员的安全生存空间。 车身变形仿真结果与碰撞试验结果基本一致，所建立的车身模型得到了有效验证。

仿真结果与碰撞试验结果对比的一致性可以说明，基于RADIOSS 的计算机仿真方法可以有效地指导客车车身的碰撞试验，同时可以在实车碰撞试验中大量地缩减试验成本，具有较大的工程借鉴意义。 本文的仿真与试验为进一步优化车身结构提供了参考价值。