汽車側碰有限元仿真分析與應用

有限元科技

1、引言

車輛側面碰撞是發生率較高的交通事故形式，統計數據表明全世界約有30%的嚴重交通事故都與側面碰撞有關，因此車輛側面碰撞成為汽車被動安全性研究的重要內容，也越來越多的受到政府、汽車制造商，以及消費者三方共同關注。作為汽車企業，為滿足消費市場的碰撞安全法律法規要求，以及越來越嚴格的新車碰撞安全星級評價（NCAP）要求，已經廣泛采用虛擬仿真技術來解決真實的車輛碰撞問題。深圳市有限元科技有限公司成立于2007年，是一家以計算機輔助工程CAE為主業，以工程仿真軟件開發為核心，集CAE咨詢、CAE培訓、CAE軟件研發與銷售為一體的高科技企業。如有業務的需要請聯系電話：13632683051，咨詢QQ：2039363860

在一些實際的側面碰撞事故中，出現過車輛碰撞過程中存在車門開啟的情況，這必然造成車內乘員被甩出車外的危險，直接影響乘員的生命安全。故在中國的法規GB20071-2006的特殊要求中4.3.1條規定：在碰撞試驗過程中，車門不得開啟；而對于歐盟的法規ECER95的5.3.1條也有著相同的要求。除了法律法規對車門開啟有著這樣要求，NCAP也有著對此更為嚴格的評價，例如中國2012版C-NCAP的2.1.3.3條有總體罰分項規定：對于兩側的每一個車門，若在碰撞過程中開啟，則分別減去1分；而歐盟EuroNCAPV6.0中4.2.4條規定：側碰試驗中每開啟一個門（車門包括后背門和天窗），則總得分扣掉1分，且門開啟的修正得分不受車輛總得分的限制。鑒于以上法律法規和NCAP的要求，針對側面碰撞，一般可采用商業有限元分析軟件包RADIOSS、LS-DYNA、PAM-CRASH等進行相關仿真求解。

2、多域求解的原理

商業有限元軟件通常采用顯示有限元方法來求解汽車碰撞的大變形非線性問題，而顯示時間積分求解就涉及到時間步長問題，只有時間步長小于臨界時間步長時，計算結果才能穩定。臨界時間步長求解公式如下：

其中c為在材質中的傳播速度，l為單元的特征長度。材料波速c是與材料的楊氏模量E，泊松比ν和質量密度ρ的函數，而不同維數的單元，其特征長度受實際單元尺寸大小影響。而汽車常用金屬材料鋼和鋁，其傳播速度為5000m/s左右，故若時間步長為1us，則單元的特征長度為5mm。由此可知，單元尺寸越小，其時間步長也越小，故而在有限的計算資源條件下，所花費的計算時間也就越多。通常在汽車碰撞仿真計算中，需要合理控制模型中最小的單元尺寸，減少相應的質量增加，才能在較短時間內提供正確的計算結果，滿足工作需求。

在側碰中門開啟影響因素中，除了受到車身側圍結構變形影響之外，門鎖系統結構強度和空間布置等也影響著門體開啟。故對于門鎖結構建模就需要細化和詳細，有別于車身結構的單元尺寸，如圖1所示的某款車型的門鎖結構簡化模型和細化模型。由于門鎖細化模型單元尺寸在1mm左右，故而減小計算整車的時間步長，增加計算時間，給工程應用上帶來一定的麻煩。為此Altair在RADIOSS求解器中提供了多域求解技術來解決同一個模型涉及到時間步長不一致的問題，以滿足局部細化部件求解。其工作原理為RADIOSS分別使用各自的子域模型的時間步長求解計算獨立的子域模型，然后在主控程序（RAD2RAD）的穩定約束條件下計算各自子域模型之間相互傳遞的力和力矩，如圖2所示。

圖1門鎖結構的簡化模型（左）、細化模型（中）和其局部的細節（右）

圖2RADIOSS多域求解流程

3、側碰仿真模型的建立

側碰后門開啟的仿真模型主要有整車模型，后門鎖系統子模型，以及側碰移動可變性壁障（MDB）組成，如圖3所示。MDB模型由Altair公司提供，并經過相應的對標和驗證。采用RADIOSS的多域求解技術需要對子域模型的建立、連接以及接觸等重新定義，下面將逐一進行說明。

   

圖3側面碰撞仿真模型

（1）門鎖子域模型的建立

后門鎖子模型包含有門鎖機構、鎖體拉線，以及內、外開把手機構等，見圖3a所示。為了區分子域模型，通過RADIOSS的前處理軟件HyperCrash在主域中定義一個門鎖系統的子域RR_Door_Lock_System，其關鍵字為/SUBDOMAIN。為了后續操作方便，可將子域模型建立個Part集合（/SUBSET）。由于門鎖內部開啟機構較為復雜，為了模擬開鎖機制，工程上可采用調節拉線行程來控制鎖舌的旋轉開啟。由設計部門可獲知內、外開拉線開啟力分別為35N和25N，由此轉化內、外拉線行程分別在14mm和10mm，當兩者達其一就可將門鎖打開。通過在內、外拉線處分別設定帶有一定剛度的彈簧單元作為鎖舌扭轉彈簧開啟的必要條件，并由相應的傳感器（/SENSOR/OR）參數來控制判定，以此實現門鎖開啟仿真，如圖4所示。

圖4門鎖開啟前狀態（左）和門鎖開啟后狀態（右）

（2）門鎖子域模型的連接

子域模型與主域模型的連接，RADIOSS提供了兩種方式：共節點法和接觸法。前者是簡單地將交界處節點自動映射到子域，實際操作需要劈分三角形單元完成共節點過度；而后者采用Tied接觸（/INTER/TYPE2）方式將子域邊界節點與主域邊界的粗網格綁定在一起，而其在RADIOSSv11.0.240以后版本才支持。本文計算模型采用前者方式定義后門鎖與門體之間的連接。

（3）門鎖子域模型的接觸

由于采用多域求解，故在定義接觸時，除了整車自接觸和整車與MDB的接觸這些常規的接觸外，還需要額外定義后門鎖子域的自接觸、后門鎖子域與MDB的接觸，以及后門鎖子域與整車的接觸。在定義后門鎖子域與整車的接觸（/INTER/TYPE7）時，需要注意兩點：其一，后門鎖子域和整車定義接觸時，整車側選擇范圍要合理，保證有效接觸；其二，若后門鎖子域與整車采用TYPE2接觸做連接，此處節點位置不滿足Gap條件，故需要去除周邊一圈連接單元。

以上僅是子域模型的建模說明，若要調用多域求解計算還需要對RADIOSS的Engine文件做相關的調整，見表1所示。

表1主域和子域的Engine文件的設置

4、計算結果

整個側碰模型建立完成，采用RADIOSS進行相應的求解計算，通過結果文件重點考察分析了后門鎖系統的變形和拉線受力情況，以此判斷在側面MDB碰撞過程中后門體是否存在開啟的情況。

（1）鎖體結構變形

鎖體結構完整性是考察側碰中門開啟條件之一，若是鎖體結構無法承受側碰的撞擊力而失效，則門體必然會開啟。通過觀察鎖體結構的塑性應變，鎖體整體結構沒有受到破壞，完整性較好，而是在圓圈區域處結構受力較大，其應變值超出材料的屈服值，如圖5所示。

圖5鎖體的應變云圖                   圖6拉線受力時間歷程圖

（2）拉線受力

由圖5鎖體應變云圖可知，在圓圈區域即外開拉線與鎖體連接處，應變值較大，這說明此處的外開拉線受力也比較大。輸出拉線的受力時間歷程如圖6所示，從圖中可看出外開拉線受力值在16ms之后已達到其開啟力，說明后門存在開啟風險；而內開拉線由于受力很小，對后門鎖開啟基本無影響。

進一步對外開拉線受力分析可知，外開拉線除了與鎖體連接之外，另一端同外開把手的轉動機構相連，由平衡塊來控制外開把手的開啟，由此可知平衡塊所受到慣性力較大，是引起后門開啟的原因之一，如圖7所示。而外開拉線受力也可以受到門體鈑金件變形擠壓的影響，同樣也會帶動鎖體內部鎖舌轉動打開車門。

圖7外開把手的平衡塊運動狀態（后視圖）

考慮到更改車身結構來減小拉線受力方案，會帶來開發周期長，成本大等影響，故建議對門鎖結構系統進行相關優化，可以對平衡塊結構進行優化設計，減少相應質量，以便減小慣性力；或是對拉線布置進行相應的優化，增加長度，減弱拉線受力。

最后將側碰后門開啟仿真分析結果以及改進方案同設計部門進行溝通反饋，設計部門綜合采納以上相關建議，對門鎖結構設計進行相應的優化設計。而在此之后的相關側碰試驗中也驗證了分析的正確性，未曾發生過側碰后門開啟的情況。

5、結論

本文利用RADIOSS多域求解的技術，建立后門鎖機構的子域模型，模擬后門開啟過程，通過仿真結果分析后門開啟的原因，并提供相關的解決方案，有效的支持設計開發，減少后期設計變更和試驗費用。

本文只是在汽車側碰仿真應用的例子，其實RADIOSS多域求解可以應用在更多的汽車局部精細仿真模擬方面，例如行人保護頭部碰撞仿真中的雨刮結構模擬、氣囊展開仿真的儀表板撕裂縫模擬等等，以有效的虛擬仿真手段幫助設計部門再現動態過程和支持進一步的優化改進。