黄超群

摘 要：以某轿车为研究对象，利用有限元模拟仿真技术，进行了的正面碰撞研究。针对该轿车驾驶区压溃严重、驾驶员生存空间变小的情况，对车架前纵梁进行结构改进，改进后B柱加速度最大值有所减小，提高轿车的正面碰撞安全性。关键词：正面碰撞;有限元分析;被动安全中图分类号：U462.1  文献标识码：B  文章编号：1671-7988（2020）08-62-03

Abstract： Taking a car as the research object， the frontal collision research is carried out by using the finite element simulation technology. In view of the serious collapse of the driving area and the small living space of the driver， the structure of the front longitudinal beam of the car frame is improved. After the improvement， the maximum acceleration of the B-pillar is reduced， and the safety of the car in front collision is improved.Keywords： Front impact; the finite element simulation technology; Passive safetyCLC NO.： U462.1  Document Code： B  Article ID： 1671-7988（2020）08-62-03

前言

汽車被动安全的研究最可靠的方法是进行实车碰撞试验，但实车碰撞试验存在费用昂贵、周期长，不具备可重复性，数据采集少等缺点。随着高性能计算机的出现，汽车被动安全方面的工作，越来越多的单位都引进了计算机模拟技术 [1-6]。

本文以某轿车为研究对象，采用有限元仿真分析技术，对其进行了正面碰撞的分析及改进研究，改进后的轿车正面安全结构能够有效地在正面碰撞中保护乘员。

1 轿车正面碰撞模型建立及验证

1.1 有限元正面碰撞模型建立

所建立的某轿车正面碰撞模拟分析的有限元模型如图1所示。

（1）根据正面碰撞发生时车身的变形情况，车前端变形大，车后端变形小甚至不变形，进行单元网格划分，其遵循的原则“前密后疏”，即在发生正面碰撞变形严重的部位的网格划分细，不变形区域的网格划分粗。

（2）对于正面碰撞过程中产生严重压溃变形的车前端零部件，采用非线性的各向同性随动塑性材料模型.

（3）对发动机等在碰撞过程基本上不发生变形的总成，采用刚性材料模型。

（4）保险杆至驾驶室之间的车身各部件连接用的焊点考虑失效，其它焊点不考虑失效。

1.2 有限元模型验证

图2所示为整车正面碰撞B柱的加速度曲线，由图2可知，试验曲线仿真曲线和的变化趋势基本一致，试验加速度的第一个峰值为45.2g，仿真结果为44.5g，试验加速度的第二个峰值为43.4g，仿真结果为43.6g，仿真曲线上的两个峰值出现的时刻稍提前。由此可见，本文所建立的轿车正面碰撞有限元模型是有效，可以用来进行正面碰撞仿真分析。

2 仿真结果分析

利用LS-dyna软件，对该轿车进行正面碰计算，得到的变形情况如图3所示，分析该轿车的正面碰撞的结果，其变形特点主要有：

（1）前保险杆到乘员舱防火墙间，变形严重，特别是发动机到前保险杠之间，前纵梁发生了折弯和失稳变形，见图4所示，这也是加速度曲线上出现第二个波峰的原因。

（2）乘员舱区域被压缩，防火墙被挤压，并且乘员舱下的地板纵梁出现了向内弯折的现象，并造成方向盘后移动挤压驾驶员，驾驶员的生存空间变得很小。

3 结构改进以及对比分析

3.1 改进方案

车身前纵梁是车辆发生正面碰撞时的主要吸能部件和传递载荷的主要路径，因此，优化前纵梁的结构使其能够产生合理的变形形态和吸收足够的碰撞能量，是能够提高车身正面碰撞性能。国内外的研究结果表明：前纵梁理想的变形是褶皱变形。

该轿车前纵梁在正面碰撞过程中出现了失稳现象，故需要对其进行结构优化设计，以便其在碰撞过程中能发生较好的褶皱变形，以提高其吸能特性并降低加速度峰值。结构优化后的前纵梁有限元模型见图5所示，在其内侧增加了2个加强板。

3.2 改进后的计算结果分析

按相同的边界条件再次进行仿真计算，改进后前纵梁的变形情况见图6所示，对比图4和、图6，可以看出改进后前纵梁的变形得到了明显改善。图7为改进前后的B柱加速度曲线，从图中可以看出：碰撞加速度峰值由改进前的43.4g降为32.9g，且碰撞缓冲时间增长了约40ms。可见改进后前纵梁具有更好的缓冲吸能能力，加速度峰值和缓冲时间的延长大大的降低了乘员危险系数。

4 结语

本文建立的某轿车的正面碰撞有限元模型，并进行了碰撞分析，该轿车的前纵梁在碰撞中发生了失稳变形，为此进行了结构设计和优化，改进后的前纵梁在碰撞中未出现失稳变形，B柱的加速度峰值大大降低，提高了该轿车的正面碰撞安全性能。

（1）本文以某轿车为研究对象，完成了该型轿车正面碰撞的模拟仿真，与试验对比，验证了轿车正面碰撞有限元模型是有效，可以用来进行正面碰撞仿真分析;

（2）指出了该款车前纵梁在正面碰撞中存在失稳现象，致使整车加速度曲线出现了第二次波峰;

（3）对前纵梁进行了结构优化，仿真数值表明了整车加速度峰值降低，碰撞缓冲时间增长，有利于保护乘员。

参考文献

[1] 吴松.某轿车正面碰撞安全性仿真分析[J].内燃机与配件，2019 （24）：54-57.

[2] 谭飞，王旭飞，焦登宁，张重阳，王蒙.某微型电动汽车保险杠结构优化及仿真分析[J].陕西理工大学学报（自然科学版），2019，35（06）： 22-26+47.

[3] 邓世宽，李盼东，王洪川，闫成.汽车正碰后排假人胸压伤害原因分析和优化[J].汽车工程师，2019（11）：27-30.

[4] 郑建洲，陈有松，吕斌斌，尹浩庆.基于Kriging模型的座椅子系统安全性能优化研究[J].汽车工程，2019，41（11）：1301-1307.

[5] 雷正保，黄敏，苟明兴.吸导结构耐撞性的主从关联拓扑优化[J].汽车工程，2019，41（11）：1308-1312+1326.

[6] 孙涛，王熙泉，陶钧.乘用车正面碰撞中假人膝部碰撞的研究与应用[J].汽车科技，2019（06）：70-75.