|
1 前言
随着人们对汽车安全性要求的日益增高，世界各发达国家均对汽车碰撞安全性做出了强制性要求。目前标准GB11551-2003中所要求的正面刚性墙100％碰撞是我国汽车正面碰撞试验验证所依据的国家标准，我国此类试验及模拟研究大多数围绕此标准进行。而欧美、澳大利亚及日本等国正在探索使用正面100％刚性固定壁障碰撞和40％的偏置可吸能壁障碰撞两项试验，用于综合评价汽车的正面碰撞安全性。这两种碰撞试验方式，乘员的伤害机理不同，对安全车身和乘员约束系统考核的侧重面也不同，因此只有同时采用这两种试验才能较全面的评价车辆的正面碰撞安全性能。文中在对刚性固定壁障碰撞仿真模拟与试验对比验证的基础上，使用PAM-CRASH软件进行了正面偏置可吸能壁障碰撞仿真研究，对轿车在偏置碰撞条件下（参照欧美碰撞法规）的结构耐撞性做出预测，为提高轿车碰撞安全性研究提供参考。
2 偏置碰撞试验
欧洲的NCAP试验标准，偏置碰撞试验车辆时速64.4 km/h，可变形壁障与车辆重叠率40％，试验车辆与可变形壁障成一直线，可变形壁障右侧表面到车辆中心线偏移10％车辆宽度，如图1。
图1 40%偏置碰撞中汽车与蜂窝铝位置关系
车辆宽度使用SAE J1100中指出的方法定义和测量，机动车尺寸为测量车辆最宽零件间的最大尺寸，零件包括保险杠，装饰条，薄钣金凸出物，两侧车轮和其他标准设备，但不包括外后视镜，示宽灯，挡泥板。
2.1 蜂窝铝模型
在偏置碰撞法规中使用可变形体壁障（Deformable Barrier）。可变形壁障宽1m，由一个1.723MPa蜂窝铝材料的缓冲部分附加在0.345MPa蜂窝铝的基体上构成。可变形壁障底面离地面高度20cm，壁障尺寸及定位如图2。
图2 蜂窝铝尺寸及定位图
参考国外公司的蜂窝铝数据，在PAM-CRASH中建立蜂窝铝有限元网格模型，如图3。
图3 蜂窝铝有限元模型
该偏置壁障模型由12个部分构成：5个长方体(主蜂窝铝障碍块、缓冲器构件、背片、覆面和缓冲器覆面)，7个矩形面，凸出的缓冲器构件是为了模拟汽车保险杠的凸出部分。分别选择Solid 41：Honeycomb，Shell 106作为其单元类型。对于蜂窝铝材料分别在单元的T（Transverse 横向）、L（Longitudinal 纵向）、W（Width 宽度）方向定义了材料的压缩弹性模量、压缩屈服应力及在TL、LW、WT平面上的剪切模量、剪切屈服应力等确定其材料特性。蜂窝铝单元材料的T、L、W方向的定义参考图4。蜂窝铝失效准则采用PAM-CRASH中的Law1。参考国外公司的模型数据，通过多次试验计算调整，使蜂窝铝壁障块和缓冲构件的刚度特性满足法规要求。
图4 正交各向异性蜂窝材料的方向
2.2 整车模型
整车有限元模型共215408个单元，261957个节点，模型中包括六面体单元、板壳单元、梁单元、杆单元、弹簧单元和阻尼单元，如图5。前纵梁网格最小尺寸取为5mm；文中整车有限元模型单元的尺寸控制在5mm-30mm的范围内。根据经验，汽车在正面碰撞过程中，车身B柱以后部分的零件（地板除外）很少发生焊点失效，因此在PAM-CRASH中将车身B柱以后部分的有限元模型（地板除外）定义成刚体，这样可减少车身后部有限元模型的自由度数目，大大节省了有限元解算的时间。除此以外，对于其它一些刚性较大、碰撞过程中几乎不变形吸能的零件，也将其定义为刚体，如发动机、变速箱、转向器、车门铰链部分等。
图5 偏置碰撞计算模型
2.3 模型对比试验验证
实车试验中在驾驶员、乘员位置安放Hybrid Ⅲ型假人，车身在A柱、B柱和中央通道位置安装16个加速度传感器，车内使用汽车碰撞记录仪与上述传感器连接。依照国家汽车正面碰撞法规GB11551-2003，对该车进行正面48 km/h碰撞。正面碰撞试验中车身的加速度值与乘员的伤害数值紧密相关，车身加速度一般都选取车身B柱位置加速度。图6是按GB11551-2003要求，对整车模型在正面100％刚性碰撞模拟计算后B柱减速度曲线(实线)，并与实车碰撞试验B柱下减速度曲线测量结果(虚线)进行对比，从曲线图中可以看出模拟曲线趋势与试验曲线基本一致。两条曲线在碰撞后40ms的走势一致；两条曲线持续的时间均为120ms左右，说明模拟比较准确的反映了整车碰撞过程。50ms以后模拟曲线数值较大主要是由于B柱后的车身焊点简化定义后刚度比较大造成加速度上升较大。
图6 模拟和实测的减速度曲线对比
3 偏置碰撞仿真
建立的整车偏置40%碰撞仿真模拟过程（仰视）如图7，第一阶段可以认为是可变形蜂窝铝变形和轿车前保险杠变形吸能过程，这一阶段特点是蜂窝铝发生了较大变形，而轿车前部结构挤压变形较小，这一过程中蜂窝铝变形吸能，汽车动能迅速下降。第二阶段是轿车前部结构压缩吸能过程，其特点是前部结构发生了较大的挤压变形，而乘员舱挤压变形较小。第三阶段是B柱前的乘员舱吸能过程，其特点是由驾驶员侧车身及纵梁等结构继续吸收碰撞变形能量，同时驾驶员舱车身侧围部分发生很大变形，而前排乘员舱变形不明显。
图7 偏置碰撞仿真
图8 40％偏置可吸能壁障碰撞B柱下同一位置加速度曲线
对比图6与图8中的曲线可以看出，40％偏置碰撞形式与100％全宽碰撞形式相比较，车身B柱加速度最大值减少，加速度时间历程变长。40％偏置碰撞形式的试验中，驾驶员侧是主要的碰撞区域，碰撞过程中大部分能量是靠左侧车身变形来吸收。而且碰撞过程中轿车发生了明显的横向摆动，这与同类汽车在偏置碰撞条件下的情形是一致的。
4 结论
欧洲NCAP标准的40％偏置碰撞是与标准GB11551-2003要求的碰撞形式不同的一种碰撞形式，在偏置碰撞的一侧车身前部变形严重，并且比全宽碰撞中偏置一侧的车身侵入乘员舱要更大。碰撞中的能量大部分由偏置侧的车身变形来吸收，另外，偏置碰撞过程中由于车身前部接触可变形壁障区域的不同，造成车身在碰撞后期发生明显的横向摆动。
|
