车辆正面碰撞与小角度碰撞仿真模拟研究

第38卷第3期

Journal of Qingdao University of Technology

青岛理工大学学报

车辆正面碰撞与小角度碰撞仿真模拟研究

李银龙，郭世永

(青岛理工大学汽车与交通学院，青岛

266520)

HY-

摘要:主要研究了车辆正面全宽碰撞和小角度碰撞，分析2种形式下车身的位移变化.首先利用

PERMESH软件对模型进行参数设置，设置初始速度均为56 km/h,然后利用LS-DYNA对模型进行碰撞分

析，最后利用HYPERVIEW对结果进行分析查看并得出结论:当整车以56 km/h的速度撞向刚性墙面时，小

角度碰撞对驾驶员生存空间影响更大.

关键词：-

LSDYNA;小角度碰撞;位移变化中图分类号：U467. 1+3 文献标志码：A

文章编号= 1673-4602(2017)03-0108-06

Simulation study of vehicle frontal collision

and small angle collision

(School of Automobile and Transportation, Qingdao University of Technology, Qingdao 266520,China)

LI Yin-long, GUO Shi-yong

small angle collision, and then it makes an analysis of the vehicle body?s displacement chan­ges under the two forms. Firstly, it sets the model parameter of initial velocity to 56 km/h using the software of HYPERMESH. Secondly, it uses LS-DYNA to simulate the collision.At last, it analyzes the result using HYPERVIEW and it comes to the conclusion that when the vehicle crashed into a rigid wall at the speed of 56 km/h, the small angle collision has a greater impact on the driver?s survival space.Key words LS-DYNA； small angle collision； variation of displacement

：

Abstract This research is mainly designed for the study of the full frontal collision and the

：

各类交通事故主要由碰撞、侧翻、坠崖等造成，其中汽车碰撞是最常见也是伤亡较大的形式之一，正面 碰撞的比例占到所有碰撞形式的66. 9%，真实情况下最容易发生的是小角度碰撞.从统计数据中看，每年 的正面碰撞事故中仍然有超过10 〇〇〇人的死亡数量，而造成死亡的原因大部分来自于小面积重叠碰撞. 美国和机构主要致力于正面碰撞和侧面碰撞的研究，对于小角度的碰撞研究较少，相应的

IIHSNHTSA

法律法规和标准也不完善.实际情况下，考虑到驾驶员的应激反应和道路状况，真正的碰撞形式大多数为 有一定角度的碰撞[1].本田公司曾进行过两车15°夹角25°偏置碰撞的测试，假设将目标车辆简化为刚性 墙，可以更加直观地观察两种碰撞方式对车辆的损害情况(图1、图2).

收稿日期：

作者简介:李银龙

2016-04-12

(1991-)，男，山东济南人.硕士，研究方向为汽车现代设计方法.E-mail:184410132@qq. com

第3期李银龙，等:车辆正面碰撞与小角度碰撞仿真模拟研究109

1汽车碰撞的研究步骤和方法

Hypermesh中进行网格划分和几何清理，并对模型进行连接设置、

材料属性设置、初始速度设置以及载荷与约束条件的设置等;其次将划分好网格的模型保存为K文件，利 用LS-DYNA进行仿真碰撞计算;最后对计算结果进行后处理，得到车身撞击后的位移图并提出改进建 议.经过对研究对象进行初步碰撞模拟仿真后发现，前纵梁、A、B柱和前围板等为主要的吸能部件，这些

部件的材料属性设置一定要准确，网格质量必须符合要求.1.2研究方法和理论依据

在有限元模型中每个节点位置和时间关系表示为在?。时刻初始位置为

1.1碰撞研究步骤

以丰田凯美瑞轿车为研究对象，在

x] (jca ,0)=vl(jca)每个节点和整体都满足动量守恒、能量守恒和质量守恒定律：

p D,i〇(xi)=i〇〇(XII)

其中牵引力边界条件如下：位移边界条件如下：接触内边界条件如下：

dbiffy *Sb-zJC.ijCa

9&3(

.

)

.

尽=〇(*r+

.)

通过将以上边界条件带人各节点进行运算可以得到每一个节点的运动规律和能量变化规律，即整个 结构碰撞响应的特征关系.

2模型的建立和调整

有限元网格划分和材料设置

在碰撞过程中车身和车架等的变形都属于非线性问题，在进行模拟仿真时要注意车身材料的选择并

2. 1

考虑非线性因素.一定要筒化车身模型，但是可以引导碰撞力传递的部件不能筒化.抖莫型进行几何清理， 删除小尺寸孔洞和其他不必要的几何特征以提高计算速度，对汽车前部碰撞后变形较大的部件进行网格 细化，以提高计算精度;对车身中部和后部几乎不变形的部件适当增大网格尺寸来提高计算速度.在­

X

permesh 中进行有限元模型的建立，整车共划分 275 992 个单元， 283 858 个节点，进行网格质量检查后确

Hy

110脅岛理工大学学报：®38#

定网格质量符合要求.车身和车架大部分采用壳体单元,MAI\"24材料，发动机变速箱等几乎不变形的结 构采用实体单元，MAT20材料，对于车内座椅、中控台和内饰等采用质量块代替，以提高计算速度，车内

rigid walls面板中进行刚性墙的设置，并在add选项中:与整

车进行接触设燃前围板、前纵梁和A、B、C.柱均采用壳体单元和MAT24材料，按照实际情况赋予其材料

乘员也使用质量块代替并赋予相应的质量，在属性(表1 )，并为其材料定义相应的材料曲线.

表1车身各关键部位材料属性

位置前围板前纵梁八、、柱

密度

BC

/(t • mm-3)

7. smio~97. 89Ml〇-97. 89Kl〇-9

弹性模量

2

/MPa

泊松比

屈服应力

/MPa

. mio5

2.1M1052.1K1050. 30. 30. 3250400300

2.2连接和接触设置

隹Hypermesh中^使甩不髮藝赋予材料和属性的weld焊点或rigid单元模拟可:变形体之间的焊接：! .使用XtraNodes进行刚体和可变性体之间:的连接;使用Constrained Ri.gidBody进行刚体与挪体之苘的连 接-萁中:要注意的是在一维Spotwe.lt单元中，■:主节点不能同时为从节点，否则计算过程中会报错•■在inter-

faces菜单里进行接触设置，主要采用2种接触形式5自动单面接触(CONTACT_AUTOMATIC_SINGLE —SURFACE)和自动面面接触(CONTACT- AXJTOMATTIC-SURFACE-TC) SURFACE；). AUTOMAT-

IC的接触形式可以适应大部分复杂的接触类型，在车辆碰撞大模拟仿真中应用较多.2.3速度设置和穿透检查

令车辆行驶方向为X轴正方向，根据美g NHTSA疋面全宽碰撞的相关标准，赋予整车沿X轴茧向 的56

施加向下的重力常数，为9 810 mm/s2.最后对模型进行初始穿透检查，对不符合要求的填元进行调整CsJI

km/h的速度，即15 555 mm/s，使其以这一速度撞向刚性墙面，观察车身各部位的位移变化.对模型

2.4控制卡片设置

controlcardsCONTROL_HOURGLASS (沙漏控制）、CO^fTROL— CONTACT (接触控制）、CONTROL—ENERGY (能儀控制.)、CONTROL_ SHELL(壳体控制）、C0NTR0L,_S0LID(实体控制）、CONTROL_TERMINATION(计算时间长度控 制)、C〇STROLjriMESTrEP(计算步长控制)、DATABASE—BlNARY—DSPLOTf输出动画控制）、DA- TABASE—OPTION(结果文件选项).计算时间设董为150 ms,将设置完成后的模塑保存为K文件，导入 LS-DYNA进行计算分析W.

3

结果文件的查看和分析

在参数设鳘的过程中，除了进行连接、接触、材料属性等的设置外，还要进行沙漏控制，避免计算过程 中出现错误.在 菜单中^需要设置的计算参数关键字主要包括

LS-DYNA计算完成后，将会产生一个d3plot文件，利用Hyperview软件打开d3plot文件对结果进

行查看和分析.

由图3可以看出，随着动能的减小内能

逐渐増加，在各个时刻，动能与内能之和能够 基本等于S纛，遵循了能量守恒定律，证明了 建模结果的准确性.

l s \\—

16 -14

2

------—

—---——-一一一—-一—^--------------------

3.1正面100%全宽碰撞

从图4可知，车辆前部变形较为严重，前

086

.T~_____ _____

0.02

0.04

围盖板、左右翼子板和前纵梁都已经发生较 为严重的变形•但A柱和好，没有发生明显变形.

0.06

\\_______|_______|_______|_______|_______|

0.08

B柱形状保持良

-----时间

图

总能量；

/s

0.10 0.12 0.14 0.16

3能量变化曲线-----动能；------内能；........沙漏能

第3期李银龙，等:车辆正面碰撞与小角度碰撞仿真模拟研究111

3.1.1前围板人侵量分析

前围板的人侵会对驾驶员腿部空间造成影响，所以用前围板人侵量来作为驾驶员腿部空间的评判标 准，如果前围板人侵量较大，可能会造成驾驶员腿部被挤压甚至被卡住.

由图5可知，在80 左右时，前围板人侵量达到最大值，约为154

msmm，位置为驾驶员一侧，由于车辆

前部吸能效果理想，前围板人侵量符合要求，不会对驾驶员腿部空间造成太大影响.

2 140

2 120

2 100

>

| 2 080

^ 2 060

$ 2 040

2 020

2 000

1 980

〇 0.02 0.04 0.06 0.08 0.10 0.12 0.14 0.16

时间/s

图4

正面100%全宽碰撞车身变形

图5

正面碰撞前围板入侵量

3. 1.2前纵梁变形分析

前纵梁为车辆前部主要吸能部件，是车辆发生正面

碰撞时主要的研究对象.由图6可知，前纵梁变形充分，吸能效果明显，由于车辆发动机舱的布置并不是完全对 称，另外网格密度也不一定完全相同，造成左右纵梁压溃 量出现细微差别是正常的.碰撞能量大部分被吸收，并没 有传递到驾驶室，乘员生存空间几乎没有受到影响.3. 1.3 、、柱变形分析

ABCA

由于车辆前方发生碰撞后，车门和门框会受到纵向 的冲击力，导致门框结构发生变形，影响车门的正常打 开.一般以柱和柱的变形量为评价指标来判断驾驶

B

员的头部生存空间是否受到影响，柱一般不发生变形， 形，通过测量，人侵量分别为23和20 碰撞发生后车门可以顺利打开.3.2 15°夹角碰撞

C

图6正面碰撞前纵梁变形

以车门铰链处的变形为评价指标来判断车门能否正常打开.由图7可知，柱和左前门槛处出现轻微变

mm，但并没有破坏车门结构，车门铰链处没有发生明显变形，判断

A

由图8可知，在15°夹角碰撞中，左侧纵梁、左前翼子板变形明显大于右侧，由于能量没有被充分吸收， 导致能量向驾驶室传递，左前门已经发生严重变形，柱变形明显，对乘员头部空间应该造成很大影响.

A

图7

正面碰撞A、B、C柱变形

图8 15°夹角碰撞车身变形

3.2. 1前围板人侵量分析

由图9可知，在90

ms左右时，前围板变形量达到最大值，约为325 mm，位置在驾驶员一侧，由于吸能

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效果不理想，碰撞能量没有被很好地吸收，窗围板左侧被发动机舱内其他部件向内挤 压，对乘员腿部空向造成很大影响,可能会 .导致_乘员.腿部挤压或::卡住的现象..

3.2.2前纵梁变形分析

由图10可知，由资15°夹角碰撞中，驾 驶员一侧的碰撞力较大，导致左前纵梁变 形充分，并出现一定程度的横向位移，但右 纵梁变形不充分，吸能效果不明显，碰撞能

量只能沿左前纵梁向后传递，无法被充分吸收，从而造成左 侧柱和柱的变形.通过测量，其中左纵梁压溃量为152

图9 15°夹角碰撞前围板入侵量

ABmm,.右纵梁仅为93 .mm, f|量无法被寒全吸收从而传.导到

驾驶室，使车门发生严重变形.3,2.3 、、柱变形分析

A柱的变形会对驾驶员头部生存空间造成挤压、，由图 11 ¥知s左前A柱下部和中部变形最为严重，B柱整体变

ABC

mm,可能会影响车门的正常打开，分别选取左前A柱f部 和中部2个节点.选取A柱1个节点和车身后部变形很小

的部件上的1个节点，通过査看2个节裔距离的荣化来确 定

形较小，车门铰链处发生一走变形，通过测量，位移约为53

A柱的变形量.

由图I2和图I3可知，在卯ms左有 时，A柱下部变形量达到最大值，约为155 mm，在g& mp左右財，A柱中部变形量.达 到最大值，约为73 mm. A柱变形较大，导 致门框结构发生破坏方面会对乘M生

w

加困难.

2 080 2 060 2 040

图10 15°夹角碰撞前纵梁变形

存空间造成很大影响*另一方'面由铲车门 受到挤压进而产生变形，车门的开启会吏

m

圈11 _|g°夹角碰撞A、B、G.柱变琅

g 2 020

S 2 000

涵 1 980 960 1 940 1 9201 900

0

0.02 0.040.06 0.08 0.10

时间/s

0.12 0.14 0.16

图12八株下部节点栾卿養

B柱之后的车身部分变形

较小，因此B柱的减速度曲线相对而言较为稳定，对宁车身前都吸能较好的情况而言，B柱减速度曲线应 该呈矩形波状，变化平稳.但是由图14可以看出，B柱减速度曲线没有很好地•矩形波状变化，起伏较大，

减速度曲线也常常作为假人头部减速度曲线来间接地评价假人受伤程度.由予变化不平稳，从而间接说明车辆前方吸能效果不明显，导致碰撞能量词后方纵向传递

B柱减速度和时间历程曲线，常常作为评价乘屈受伤程度的童要指标，对f

. 无假人的牟辆模型，柱

B

第3期李银龙，等:车辆正面碰撞与小角度碰撞仿真模拟研究113

4结论

1)

当整车以56

km/h的速度撞向刚性

墙面时，正面全宽100%碰撞和15°夹角碰撞 的车身变形有比较大的差异.

2) 量、左前

相同的碰撞速度下车辆前围板变形

图

A柱变形量和左前纵梁变形量15°

14 B柱减速度和时间历程曲线

夹角碰撞都要大于正面全宽碰撞，从而说明

3) 4)

发生碰撞后，小角度碰撞对驾驶员的生存空间影响更为严重.

车辆和乘员的损伤都要更大一些，因此对于小角度碰撞进行分析研究有着非常重要的现实意义.

装置和吸能装置，或者延长吸能装置的横向长度，同时国内车企应对车辆进行小角度碰撞的测试并制定相 应的法律法规[6].参考文献(References):

日常生活中的碰撞事故大部分都是小角度碰撞，因此，在相同速度的撞击下，小角度碰撞对于此

为提高车辆偏置碰撞下更为全面的安全稳定性，建议在车辆的侧前方尤其是驾驶员一侧加装防

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