隨著我國經(jīng)濟(jì)的快速發(fā)展，汽車保有量迅速增長，安全、節(jié)能、環(huán)保一直是汽車行業(yè)的3個重要課題[1−7]。隨著環(huán)保法規(guī)要求越來越嚴(yán)格，白車身輕量化能夠解決環(huán)保和節(jié)能的問題[8−13]。而輕量化的同時，車身的被動安全問題越來越受到人們的關(guān)注，在新車型的開發(fā)過程中，車身結(jié)構(gòu)的碰撞性能分析成為研究熱點(diǎn)[14−19]。

本文以PHS1800熱成形鋼輕量化材料為例，實驗研究其在不同應(yīng)變速率條件下的高速拉伸曲線，然后建立熱成形鋼碰撞卡片，依據(jù)汽車碰撞安全法規(guī)，以LS-DYNA為求解器進(jìn)行了車身正面碰撞的模擬和分析，得到車身結(jié)構(gòu)的耐撞性結(jié)果。

1.   實驗材料及方法

實驗材料為PHS1800熱成形鋼，厚度為1.4 mm，實驗參照標(biāo)準(zhǔn)見表1，通過材料的準(zhǔn)靜態(tài)和高速拉伸實驗，獲得8個應(yīng)變速率（0.001，0.01，0.1，1，10，100，500和1000 s−1）的工程應(yīng)力–工程應(yīng)變曲線數(shù)據(jù)，見圖1（a）。將工程應(yīng)力–工程應(yīng)變曲線進(jìn)行數(shù)據(jù)處理，并采用Swift?Hockett?Sherby模型對材料的不同應(yīng)變速率曲線進(jìn)行擬合外推，得到塑性應(yīng)變外推到1的真實應(yīng)力–塑性應(yīng)變曲線，見圖1（b）。圖1（b）中可以明顯看出，PHS1800具有明顯的應(yīng)變率效應(yīng)，隨著應(yīng)變率增加，材料的應(yīng)變呈增加的趨勢。

利用LS-PrePost制作材料卡片，材料類型為MAT_24，輸入PHS1800熱成形鋼的密度、彈性模量、泊松比等材料參數(shù)，并將不同應(yīng)變速率的真實應(yīng)力-塑性應(yīng)變曲線導(dǎo)入LS-PrePost，制成PHS1800熱成形鋼碰撞材料卡片。通過LS-DYNA軟件建立仿真模型對標(biāo)，驗證實驗數(shù)據(jù)外推有效性，確保材料卡片準(zhǔn)確性。

2.   有限元模型建立

圖2為新車型的三維數(shù)模，將原模型中的部分先進(jìn)高強(qiáng)鋼用PHS1800熱成形鋼進(jìn)行替代，厚度從1.6降為1.4 mm。在Hypermesh軟件中建立有限元模型，包括網(wǎng)格的劃分、創(chuàng)建白車身零部件對應(yīng)的材料和屬性，建立完成部件之間的接觸和約束關(guān)系等。依據(jù)《C-NCAP管理規(guī)則》中現(xiàn)行國內(nèi)外法規(guī)與相關(guān)實驗要求的標(biāo)準(zhǔn)工況進(jìn)行正面碰撞工況分析。

正面碰撞分析重點(diǎn)考察白車身零部件的碰撞吸能特性，故將底盤件進(jìn)行簡化處理，采用質(zhì)量點(diǎn)單元進(jìn)行配重，均勻分布在地板上，建立無限大的剛性墻來模擬地面。

為防止碰撞過程中白車身各部件發(fā)生穿透，將所有零部件定義一個單面接觸*contact_automatic_single_surface，靜動摩擦系數(shù)均定義為0.2。實驗車與可變形壁障之間定義面面接觸*contact_automatic_surface_to_surface，靜動摩擦系數(shù)均定義為0.2。車體速度為50 km/h，剛性墻法向為坐標(biāo)系x軸正向。仿真中車體速度方向為整車坐標(biāo)系x軸負(fù)方向，剛性墻固定不動。輪胎與接觸的剛性地面采用車輛實車半載地面線高度。

3.   結(jié)果與討論

計算過程中選擇整車模型作為計算對象（圖3），模擬整車與剛性墻發(fā)生碰撞過程中白車身所受到的傷害程度，設(shè)定正面碰撞考察對象：A柱侵入量分析、前圍板腿部部位防火板以及B柱下端加速度。

3.1   能量分析

圖4給出了整車碰撞的分析結(jié)果，白車身結(jié)構(gòu)在整車中的碰撞效果如圖4（a）所示，從圖4（a）可以看出經(jīng)過正面碰撞后，其駕駛艙部位保存較為完好，前艙變形相對嚴(yán)重，在這個過程中白車身前艙防撞梁、吸能盒及前艙中的發(fā)動機(jī)變速箱等吸收大量能量，確保了乘員安全性。

正碰過程中的動能、內(nèi)能、沙漏能和總能量曲線如圖4（b）所示。從圖4（b）可知，沙漏能占比均遠(yuǎn)小于5%，說明計算結(jié)果真實可信。在碰撞過程中，滿足能量守恒定律，白車身零部件系統(tǒng)的動能與內(nèi)能相互轉(zhuǎn)化，沙漏能的變化較小。

3.2   A柱入侵量

A柱入侵量測點(diǎn)示意圖如圖5（a）所示，選擇碰撞左側(cè)A柱上的點(diǎn)作為測點(diǎn)，以B柱上相應(yīng)位置作為參考對象，測量A柱侵入量。A柱各時刻的最大變形云圖見圖5（b），最終變形云圖見圖5（c）所示。

入侵量曲線如圖6所示，在正面碰撞過程中A柱隨著時間推移開始入侵乘員艙，并在0.049 s時入侵量達(dá)到最大值，隨后車身的動能減小，系統(tǒng)的動能很大一部分轉(zhuǎn)化為勢能，因而結(jié)構(gòu)的回彈力大于碰撞的力，A柱入侵量減小，在0.08 s時入侵量僅有不到0.3 mm。

A柱優(yōu)化前后入侵量見表2，對比原白車身與優(yōu)化的白車身，可以看出應(yīng)用了PHS1800熱成形鋼后的白車身在正碰工況下A柱侵入表現(xiàn)更加優(yōu)良，優(yōu)化前最大入侵量為5.93 mm，優(yōu)化后的入侵量為5.44 mm，入侵量降低了8.26%。

3.3   前圍板入侵量

在正面碰撞過程中，前圍板保護(hù)前排駕駛員與乘客的腿部，因此前圍板入侵量是衡量白車身正碰被動安全性能的重要指標(biāo)，計算中前圍板考察點(diǎn)如圖7（a）所示，對應(yīng)駕駛員腿部及足部區(qū)域。在正碰過程中前圍板將入侵至駕駛艙內(nèi)，擠壓乘坐人員的腿部空間，通過有限元分析可得出當(dāng)時間為0.049 s時前圍板入侵量達(dá)到最大值，隨后零件在內(nèi)應(yīng)力等力的作用下開始回彈，前圍板的最大變形云圖和最終變形云圖見圖7。

正碰過程中的前圍板入侵量曲線如圖8所示，其中圖8（a）為原車型入侵量曲線，8（b）為優(yōu)化材料后白車身入侵曲線。可以看出用PHS1800熱成形鋼替換部分先進(jìn)高強(qiáng)鋼后，車型對應(yīng)駕駛員腿部、腳上部及腳下部的前圍板部分侵入量有所降低，降幅分別為6.10%、5.87%、5.25%，優(yōu)化前后前圍板入侵量見表3。因此使用熱成形鋼后的白車身具備更好的碰撞安全性。

3.4   B柱下方加速度

B柱正面碰撞加速度考察點(diǎn)位置如圖9（a）所示，選取B柱下方的某個點(diǎn)作為整車加速度計算點(diǎn)，這是因為在正碰過程中B柱下方是整車中結(jié)構(gòu)完整性最好的部位，變形量較小，可以充分地反映出整車的加速度變化情況。

B柱加速度曲線如圖9（b）所示，在正面碰撞過程中原車身最大加速度為51.6 mm/s2，優(yōu)化后白車身為50.4 mm/s2，加速度下降了2.38%，表明替換為熱成形鋼后碰撞性能得到提升。

4.   結(jié)束語

1）實驗中獲得了不同速率的應(yīng)力應(yīng)變曲線，為碰撞分析提供準(zhǔn)確的數(shù)據(jù)支持。同時，應(yīng)用LS-DYNA軟件能夠很好地預(yù)測新車型的正面碰撞性能。

2）PHS1800熱成形鋼替代后的白車身在正碰工況下A柱侵入表現(xiàn)更加優(yōu)良，入侵量降低了8.26%。

3）優(yōu)化后的車型對應(yīng)駕駛員腿部、腳上部及腳下部的前圍板部分入侵量降幅分別為6.10%、5.87%、5.25%，表明熱成形鋼具有能夠明顯的提升車身正面碰撞性能。

4）優(yōu)化后正面碰撞過程中B柱加速度下降了2.38%，表明替換為熱成形鋼后碰撞性能得到提升。

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文章來源——金屬世界