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1、汽车王707522点焊联接在车身有限元模型中，车体各零件间的联接主要通过点焊方法来实现。模型中的焊点主要由工艺设计部门所提供的部件详细焊接图来布置。焊点连接的破坏通过定义失效力来模拟，失效的准则为：肾阿1 (51)式中，晶为法向失效力，函为剪切失效力，厅为法向焊点力指数，小为剪切焊点力指数。523模型参数设置整车有限元模型的参数主要包括以下两大类：一是物理参数：(1)各个部件的材料本构模型参数以及板厚一般金属材料包括密度、弹性模量、屈服强度、抗拉强度、应力应变曲线等。(2)刚体惯性参数主要是指定发动机及变速箱等简化成刚体部件的质量、质心参考坐标、转动惯量等等。这些参数获取的方法有：基于结构Qm
2、实体模型的数值计算方法，以及试验识别测试方法，如三线摆实验仪或基于试验模态分析技术的识别方法。(3)悬置橡胶刚度特性硕I：学位论文悬置参数的获取方法有三种，从零件设计图中读取参数，试验测试悬置各向刚度和利用有限元分析方法预测刚度特性。(4)整车模型质量的配重在进行车辆碰撞仿真时，由于处于初样设计阶段，缺少车身附件系统如仪表板、空调电器等的详细数据，可能造成有限元模型与实际车辆的质量差距。为了使有限元模型质量和实车质量一致，采用添加集中质量单元(mass)的方法调整有限元模型的质量，使有限元模型和实车模型的质量和重心基本一致。二是分析参数：(1)时间步长的控制时间步长的选择决定了求解的效率和中心
3、差分算法的稳定性。由显式积分理论可知，对于给定材料后，计算时步只与单元尺寸(特征长度)有关。单元形状随着结构的不断变形而不断变化，因此在实际计算时临界时间步长并不是一个固定值。所以，初始时步的设定应以模型网格划分情况为依据，以最小单元临界步长为参考，一般取10810r6s，时间步长的确定仍需要在实践中探索。(2)沙漏控制由于显式有限元算法采用减缩积分，虽然避免了体积闭锁，大大降低了计算时间，但同时也带来了沙漏模式，或称为零能模式。沙漏变形过大，仿真会失败。因此，必须采用适当的沙漏控制系数。文中通过总体附加刚度或粘性阻尼来控制。524接触设置在汽车碰撞仿真中接触碰撞界面的搜索和计算占用整个计算时
4、间的14到13。在接触搜索方面目前仍有大量的研究以提高搜索效率。由于在碰撞前无法预知接触区域，因此以往的仿真接触区域必须定义得足够大才行，或者通过试算来减少接触区域的定义。本文尽可能地使用自动单面接触，因为此类接触是最容易定义的接触类型而不花费过多的CPU时间。525边界条件设置(1)碰撞速度本文按照CNCAP的要求来建立有限元模型，因此定义汽车以50kmll的初速度冲击刚性墙。53整车正面碰撞有限元模型验证依照CNa廿建立起来的整车正面碰撞有限元模型如图51所示。模型的基本数据如表51所示。建立的有限元仿真模型必须经过验证后方可进行后续的改进，以便保证改进结果的可靠性。仿真结果与试验结果的精
5、确性对比一般有两种方法。定性的评价方法是比较仿真与试验的变形结果及主要部件碰撞后的变形模式。定量的评价方法是比较47汽车前纵梁结构耐撞性设计与应用研究变形的区域和大小，车体的加速度曲线等。图51整车正面碰撞有限元模型表51有限元模型基本数据531模型可靠性检验模型建立后我们必须对所建立的有限元模型进行可靠性检验，以证明建模方法的正确性，确保所建立的模型有效可信。模型可靠性的检验通过检查仿真模型中的能量关系来进行。仿真模型的主要能量关系如图52所示。仿真结果中，内能占系统总体能量的8885，界面能及沙漏能分别占606、170。在整车碰撞过程中，汽车的初始动能基本上由车身部件的弹性和塑性变形所吸收
6、。只有少部分被接触界面的摩擦力做功所吸收。从能量的分布来看，界面能及沙漏能所占总能量的比重在合理的范围内，因此所建立的有限元仿真模型是可信有效的。雷l酬强图52系统总体能量曲线532车身变形比较仿真模型计算终止时间设定为110ms，计算后车身结构变形时序图如图53所示。从变形时序图中可以看出在碰撞60ms后车身变形过程基本结束。从100lIlls的车体变形结果来看，整车乘员舱在前碰撞中没有大的变形，基本保持了乘员舱的完整性。仿真与硕=学位论文试验的车身变形对比如图54所示。从整体的车体变形来看，仿真与试验有较高的近似度，车体变形主要集中在前舱。从试验及仿真来看原车在正面碰撞中整体有着较好的表现
7、。20ms40ms60ms100ms图53车身结构变形时序图49汽车前纵梁结构耐掩性设计与应用研究图54仿真与试验总体变形结果对比上述从整体上对比了仿真与试验中车体的变形，对于车内部件如踏板组的变形位移定量的比较如图55所示。i；奋鉴ii螽盏时闩(眦)a)踏板组向后侵入量曲线时同(脚)b)踏板组向上侵入量曲线图55踏板组侵入量曲线由于在试验中对踏板组侵入量的测量都是在静态条件下测得，因此对仿真中测得的峰值还需乘以一个系数得到表52所示的侵入量值。表52踏板组侵入量对比(单位：咖)从表52中可以看出，在向上(Z向)的侵入量方向，仿真与试验的数值较为接近。在后向(X向)的侵入量方向，仿真与试验的数
8、值差距稍大，但差值在一个合理的范围硕十学位论文内。仿真与试验中，转向管柱的侵入量差距稍大，是由于转向管柱弹簧的弹性特性难以精确模拟所致。仿真与试验的车门变形数值很接近，说明整车的变形距离较为接近。533车体加速度比较试验中车体左右B柱下侧各放置了一个传感器用以输出加速度信号。仿真中也分别在模型的相应位置设置了加速度单元。经60HZ频率滤波后，仿真与试验的加速度曲线对比如图56所示。龟U性捌畏QU性恻晨a)左侧B柱仿真与试验加速度对比时问(ms)b)右侧B柱仿真与试验加速度对比图56仿真与试验加速度对比从图56中可以看出，仿真中左右两侧B柱的加速度曲线与试验有较好的吻合度，加速度曲线的变化趋势是
9、一致的。仿真与试验中左右两侧B柱加速度峰值出现的时刻、大小对比分别如表53和表54所示。同时从表53和表54中也可看出仿真与试验加速度曲线峰值出现的时刻及大小也较为吻合。从图56及表53、54中可以看到仿真与试验加速度曲线在中间时刻峰值大小差异较大，在后处理动画中可以看到此时正是发动机、变速箱等刚性部件撞击到副车架及地板所导致。出现这种现象的原因是：实车碰撞时发动机及变速箱等刚性部件的转动惯量参数无法准确获知，再者碰撞过程中各部件的应变率效应及冲压硬化等难以准确得知，造成加速度峰值比试验中低。但是，总的来说试验和仿真的变化趋势一致，模型可用于后续的改进设计。5l汽车前纵梁结构耐撞性设计与应用研
10、究表53左侧仿真与试验加速度曲线峰值对比试验峰值时刻(ms) 91 174 266 337 42 493试验峰值大小(g) 113 286 214 288 573 459仿真峰值时刻(ms) 80 162 233 313 414 504仿真峰值大小(g) 105 197 239 346 372 363表54右侧仿真与试验加速度曲线峰值对比试验峰值时刻(ms) 93 174 255 333 436 519试验峰值大小(g) 117 289 224 352 498 447仿真峰值时刻(脚) 6 177 244 403 459 559仿真峰值大小(g) 128 215 ：208 387 393 40
11、154整车正面碰撞特性及设计原则根据汽车碰撞损伤机理可知，汽车正面碰撞中对乘员的损伤主要由以下两个因素造成：(1)过大的减速度在正面碰撞中，由于在很短的时间内两车及车内乘员的速度降为零，因此会产生很大的减速度作用于乘员。如果此减速度值超过人体的耐受极限，将对乘员造成损伤。(劲乘员的生存空间受到挤压在碰撞过程中由于前舱部件的挤压变形而侵入乘员舱与乘员发生接触或乘员舱内部件与乘员发生二次碰撞导致乘员损伤。因此，针对上述两因素，我们在进行整车碰撞安全性设计时的设计理念是：一是要保证乘员舱基本完好，前舱的部件的侵入量必须要得到控制；二是要使乘员尽可能少地吸收能量，使得车体和乘员保护系统尽量多地吸收能量
12、；三是乘员在碰撞过程当中所经历的减速度必须在受伤的容忍度之内，这样的一个速度变化我们希望尽可能的长时间持续，实现减速度值能够在人体的受伤容忍度之内。为实现上述的设计理念，在整车设计时我们应确定以下设计原则：首先我们在设计初期就应将整车结构分为可变形区与不可变形区，很显然，乘员舱是不可变形区，前舱及后舱都是可变形区，如图57所示。在正面碰撞中前舱的变形控制尤为关键。具体的设计原则如下：(1)变形区与不可变形区刚度的匹配乘员舱的结构刚度大于前部变形区域的刚度，并要达到一定的指标限值，这可通过整车结构的刚柔匹配以及采用特殊的传力路径等来实现。52硕士学位论文(2)变形区变形模式的控制对于碰撞变形区域
13、，设计起来较为复杂，因为除了要尽可能多地吸收撞击能量外，其变形模式及变形特性等还要满足一定的要求，即低速碰撞时，车辆的变形及变形力值都较小，以保护行人或车辆自身；当发生中等速度的碰撞时，变形力值应尽量均匀，以最大限度地降低撞击加速度峰值；而当发生高速碰撞时，为了阻止变形扩展到乘坐室，从悬架到车身前围板之间的变形力值应急剧上升，这种特性即是理想的车辆前碰撞变形特性，其示意图如图58所示【矧。(3)乘员减速度值的控制在碰撞中，乘员随汽车一起运动，也同样随汽车一块停止。那么乘员也有动能，这个妄m，2动能最后被转换掉，也就是一个简单的力乘以距离的概念来消耗掉。我们首先看看距离，车内的空间距离是有限的，
14、乘员运动的距离就是所坐的位置到风挡玻璃或者到方向盘或者到仪表盘的距离，就是这么有限的距离。在汽车里面距离是有限的，那么我们控制的就是这个力了。这个力的大小多少合适?那么在安全气囊或者安全带等乘员约束系统的设计就需考虑了。图57车辆纵向碰撞时理想的变形与不变形区域示意(图中阴影部分是撞车可变形区域)图58车辆前碰撞理想特性曲线53汽车前纵梁结构耐撞性设计与应用研究55整车正面碰撞结果分析及改进设计方案551整车正面碰撞结果分析对于正面碰撞，前舱部件的变形是重点的关注对象。前舱的变形结果如图59所示。纵梁前部的变形如图510所示。从图59、图510、图511可以看出，左纵梁在受到轴向的压溃力作用下
15、，纵梁后部顶向防火墙，导致在防火墙与左纵梁接触处的侵入量达到了最大。纵梁中部在碰撞过程中发生折弯，避免了纵梁刚性顶入防火墙导致过大的侵入量，但同时由于纵梁中部折弯导致发动机后移抵住防火墙，导致防火墙对乘员舱有个较大的侵入，如图511所示。从图510中可以看出，纵梁拼焊前段虽发生了溃缩变形，但变形模式很不稳定，左纵梁拼焊前段中部有个明显的类似“颈缩”一样的塑性变形。总的来说左右纵梁没有发生稳定的对称折叠溃缩变形模式。图59前舱主要部件仿真变形结果图510左右纵梁及吸能盒仿真变形结果从前舱主要部件的吸能来看，前保横梁吸能4067J，吸能盒吸能15953J，左右纵梁共吸能约43490J，各主要吸能部
16、件吸能占总能量的百分比如图512所示。依据经验，上述部件的吸能特性在正面碰撞中得到了较好体现。硕十学位论文Co竹IoutPIaImc口铆确肌m=醮黧酸黧图511防火墙仿真变形结果3 10 囱前保横梁，8：豢羹嘉焊前端口纵梁拼焊后端_纵梁拼焊后端加强板园其他图512前舱主要吸能件吸能占系统总能量百分比552改进设计从53节中关于正面碰撞乘员损伤机理及安全性设计原则再结合到本车型仿真结果分析，考虑到企业在成本等各方面条件的限制，只对纵梁进行改进，因此可以确定下面的改进设计目标。(1)纵梁拼焊前段应发生稳定的轴向溃缩变形。(2)减少左纵梁与防火墙接触处的侵入量。(3)车体减速度应平稳，避免出现过大峰值。首先从图513该车前
