環(huán)境污染和能源消耗已經(jīng)成為當(dāng)今世界亟待解決的社會(huì)問題，通過車身輕量化降低汽車質(zhì)量是一種降低汽車油耗的有效手段，車身輕量化是目前汽車工業(yè)的重要發(fā)展方向。

 

而另一方面，隨著汽車保有量和駕駛員數(shù)量的劇增，以及路況復(fù)雜多樣、城鄉(xiāng)環(huán)境差異大等問題，對(duì)車輛自身的安全性能以及駕駛員和公眾的交通安全意識(shí)提出了更高的要求，并且更為嚴(yán)苛的 C-NCAP（中國新車評(píng)價(jià)規(guī)程）管理規(guī)則已開始實(shí)施。

為了促進(jìn)汽車企業(yè)開發(fā)出更高安全標(biāo)準(zhǔn)的新車型，NCAP 要求在市場上可購買到的新車型按照更嚴(yán)格和更全面的標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行碰撞安全性能測(cè)試，評(píng)價(jià)結(jié)果按星級(jí)劃分，從而能有效的減少安全事故的發(fā)生及損失。在保證車身安全性能的前提下進(jìn)行輕量化設(shè)計(jì)是新車型開發(fā)過程中的主要任務(wù)，結(jié)合新車型輕量化需求，本文將 A 柱加強(qiáng)板、車身前縱梁內(nèi)外板進(jìn)行材料質(zhì)量降低及強(qiáng)度升級(jí)，參考 C-NCAP 50 km/h 正面 100%重疊剛性墻碰撞要求，應(yīng)用 ABAQUS 軟件對(duì)白車身進(jìn)行正面碰撞分析。獲取各參考點(diǎn)的碰撞分析結(jié)果，對(duì)比優(yōu)化材料前后的碰撞分析結(jié)果，利用有限元分析數(shù)據(jù)，為白車身輕量化設(shè)計(jì)及安全性能分析提供參考。

 

2 有限元模型建立

準(zhǔn)確的白車身有限元模型是保證分析結(jié)果正確的前提。有限元模型的建立包括幾何建模、網(wǎng)格劃分、材料賦予、載荷施加等。圖 1 為新車型的正面碰撞仿真分析數(shù)模，其中模型質(zhì)量為 307.9 kg，單位制采取 mm、TON、s、N、MPa。其中組件數(shù)量為296個(gè)，節(jié)點(diǎn)數(shù)量為553 354個(gè)，網(wǎng)格數(shù)量為 498 793 個(gè)，網(wǎng)格基本尺寸 10 mm。焊點(diǎn)為 Hexa 多邊形焊點(diǎn)，焊縫采用二維面網(wǎng)格焊縫，REB2剛性螺栓。

 

 

圖 1 白車身的正面碰撞仿真分析數(shù)模

 

3 輕量化材料

針對(duì)新車型進(jìn)行車身輕量化優(yōu)化，選取部分零部件進(jìn)行材料升級(jí)替換。分別選取保險(xiǎn)杠橫梁、前縱梁內(nèi)外板、A 柱加強(qiáng)板，見圖 2，新車型的 A 柱的原始材料為 HC340LA，厚度為 1.8 mm，優(yōu)化材料為熱成形鋼 PHS1500，厚度為 1.2 mm；前縱梁內(nèi)外板原始材料為 B410LA，厚度 2.0 為 mm，優(yōu)化材料為 DP780，厚度 1.5 為 mm；保險(xiǎn)杠橫梁的原始材料為 QSTE500TM，厚度 2.5 為 mm，優(yōu)化材料為 QP980，厚度為 2 mm；零件優(yōu)化前后質(zhì)量對(duì)比見表 1。

 

 

圖 2 材料升級(jí)零件示意

 

表 1 零件優(yōu)化質(zhì)量對(duì)比

 

 

實(shí)驗(yàn)室中利用 Zwick 100 kN 電子拉伸試驗(yàn)機(jī)測(cè)得6 種材料的基本力學(xué)參數(shù)見表 2。

 

表 2 單向拉伸力學(xué)性能指標(biāo)測(cè)試值

 

 

4 材料正碰優(yōu)化

依據(jù) C-NCAP（2018 版）管理規(guī)則，正面碰撞速度 50 km/h，設(shè)置剛性地面和剛性壁障，接觸方式為*Surface-to-Surface contact。設(shè)定邊界條件和求解控制參數(shù)后，導(dǎo)入到 ABAQUS 軟件中進(jìn)行求解。用Hyperview 和HyperGraph 后處理器分別對(duì)材料優(yōu)化前后的整車的正面碰撞情況進(jìn)行分析，從整車能量變化曲線、加速度曲線、部件侵入量對(duì)整體進(jìn)行評(píng)價(jià)。

 

4.1 可信性驗(yàn)證

計(jì)算的仿真模型需進(jìn)行可信性分析，確認(rèn)計(jì)算結(jié)果是否具備使用價(jià)值。本文的考察重點(diǎn)為計(jì)算過程中的能量變化和沙漏能占比。

 

白車身結(jié)構(gòu)質(zhì)量增量如圖 3 所示，最大質(zhì)量增量為 4.6%，且質(zhì)量增量穩(wěn)定，因此模型質(zhì)量增量檢驗(yàn)合格。碰撞過程中能量變化是評(píng)判仿真結(jié)果是否可信的重要依據(jù)。白車身結(jié)構(gòu)在碰撞過程中的動(dòng)能、內(nèi)能、沙漏能和總能量曲線如圖 4 所示。圖 4 表明，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(dòng)能與內(nèi)能相互轉(zhuǎn)化，沙漏能的變化較小。能量曲線無異常，總能量守恒，動(dòng)能轉(zhuǎn)換為白車身勢(shì)能的過程曲線平滑無缺陷，沙漏能占比低于 3%，表明計(jì)算結(jié)果具備可信性。

 

 

圖 3 質(zhì)量增量

 

 

圖 4 碰撞能量曲線

 

4.2 加速度曲線

對(duì)乘員來說受到的力與加速度呈正相關(guān)，因此正碰過程中需考察整車的加速度。為充分地反映出整車的加速度變化情況，選取 B 柱下方的某個(gè)點(diǎn)作為整車加速度計(jì)算點(diǎn)。B 柱下端參考點(diǎn)加速度曲線如圖 5 所示，在正面碰撞過程中原始參考點(diǎn)最大加速度為 71.3 g，優(yōu)化材料后最大加速度為 63.9 g，B 柱加速度有了顯著降低，這是因?yàn)榍氨M梁及前縱梁優(yōu)化后選料強(qiáng)度更高，因此在變形過程中吸收能量更加充分。

 

 

圖 5 B 柱下端考察點(diǎn)加速度曲線

 

4.3 入侵量

對(duì)于汽車碰撞仿真和試驗(yàn)來說，車身變形量的大小反映了車體被損壞的程度與車身的抗碰撞能力。在整車正面碰撞過程中，考慮到乘員艙的被動(dòng)安全，需重點(diǎn)關(guān)注的部件為 A 柱以及前圍板。

 

選擇碰撞左側(cè) A 柱加強(qiáng)板上的點(diǎn)作為測(cè)點(diǎn)，以 B柱上相應(yīng)位置作為參考對(duì)象，測(cè)量 A 柱加強(qiáng)板入侵量，如圖 6 所示，在正面碰撞過程中 A 柱加強(qiáng)板隨著時(shí)間推移開始入侵乘員艙，并在 0.049 s 時(shí)入侵量達(dá)到最大值，隨后車身結(jié)構(gòu)產(chǎn)生回彈，A 柱侵入量減小。A 柱加強(qiáng)板材料優(yōu)化后入侵量降低 8.97%，優(yōu)化效果明顯。

 

 

圖 6 A 柱加強(qiáng)板考察點(diǎn)侵入量曲線

 

同時(shí)，前排駕駛員與乘客的腿部需依靠前圍板進(jìn)行保護(hù)，因此選取駕駛員腿部及足部區(qū)域?yàn)閰⒖键c(diǎn)，前圍板入侵量曲線如圖 7 所示，可以看出將原有材料優(yōu)化后目標(biāo)車型對(duì)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 15.9%、9.9%、8.8%，因此優(yōu)化后的白車身碰撞安全性更佳。

 

 

(a)優(yōu)化前

 

(b)優(yōu)化后

圖 7 前圍板入侵量曲線

 

綜上所述，零件輕量化前后結(jié)構(gòu)耐撞性變化表見表 3，材料優(yōu)化后的正碰性能大幅提高。

 

表 3 材料優(yōu)化前后耐撞性變化表

 

 

4 結(jié)束語

以新車型為例，建立了正面碰撞的有限元分析模型，并進(jìn)行了模型的可信性驗(yàn)證，分析結(jié)果表明：

 

a.正碰模型的最大質(zhì)量增量為 4.6%，沙漏能占比低于 3%，表明計(jì)算結(jié)果具備可信性。

 

b. A 柱加強(qiáng)板熱成形鋼 PHS1500 替代傳統(tǒng)高強(qiáng)鋼、前縱梁內(nèi)外板使用 DP780 替代 B410LA、保險(xiǎn)杠橫梁使用 QP980 替代 QSTE500TM 后，入侵量降低 8.97%，優(yōu)化效果明顯。前圍板部分各參考點(diǎn)的侵入量有所降低，降幅分別為 15.9%、9.9%、8.8%，因此優(yōu)化后的白車身碰撞安全性更佳。

 

c.優(yōu)化后總質(zhì)量降低 6.224 kg，既達(dá)到輕量化目的，又能夠有效提高白車身碰撞安全性。

 

資料來源：達(dá)索官方