目录
1 分析目的和意义 .......................................................................... 1 2 使用软件说明 .......................................................................... 1 3 整车参数 .................................................................................. 1
3.1 整车参数 .................................................................................. 1 3.2 有限元模型坐标与实车坐标对比 ......................................... 2 3.3 整车及各总成有限元模型 ..................................................... 2 3.4 边界条件定义 ......................................................................... 5
4 碰撞模拟结果分析 ................................................................. 5
4.1 碰撞模拟总体变形结果 ......................................................... 5 4.2 整车速度变化 ......................................................................... 8 4.3 碰撞模拟能量变化情况 ......................................................... 9 4.4 刚性墙的接触力 ................................................................... 10 4.5 主要吸能部件变形及吸能情况分析 ................................... 11 4.6 主要吸能部件变形图 ........................................................... 11 4.7 B柱下端减加速度 ................................................................. 14 4.8 门框变形量............................................................................ 15 4.9 前围板侵入量 ....................................................................... 17 4.10 A柱侵入量 .......................................................................... 19 4.11 方向盘侵入量 ...................................................................... 20
5 总结 ........................................................................................ 20
安全带安装点强度分析
1 分析目的和意义
为了在汽车的设计阶段使被设计车辆更好的满足耐撞性的要求，采用动态大变形非线形有限元模拟技术，进行了CP08车型正面撞击刚性墙的仿真分析，主要是根据《乘用车正面碰撞的乘员保护》(GB11551-2003)进行的仿真模拟。GB11551的全部技术内容为强制性要求，适用于M1类车辆(M1类车辆为包括驾驶员座位在内，座位数不超过9座的载客车辆)。汽车车体结构变形特性是影响汽车安全性能的关键因素，本文通过对CP08车型模拟结果进行分析，为整车的耐碰撞性提供参考。
2 使用软件说明
在本次模拟中，主要使用了Hypermesh前处理软件和Ls-Dyna求解器，Hypermesh是世界领先的、功能强大的CAE应用软件包，由美国Altair公司开发，目前在世界上的应用非常广泛。LS-DYNA是一个以显式为主，隐式为辅的通用非线性动力分析有限元程序，可以求解各种二维、三维非线性结构的高速碰撞、爆炸和金属成型等非线性问题。
3 整车参数
3.1 整车参数
整车碰撞仿真模拟，必须真实的模拟实车碰撞时的状态，要模拟实车各总成之间的连接，按照其实际材料特性，密度、质量等参数进行设置。
根据项目组提供的整车零部件明细表及质量、材料特性，材料主
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要由
DC01,DC03,DC04,DC05,DC06,B400/780,B250,B340/590Dp,HC400,B210P1,B280Dp,HC450/980,b280Vk等组成。
3.2 整车及各总成有限元模型
该整车有限元模型共有单元1180057个，其中四边形单元1112412个，三角形单元53611个，一般来说三角形单元数量超过5%会影响分析的精度，本模型中三角形数量为4.6％；其中最小网格单元长度取为较小的3mm,可以满足较高的精度要求。汽车碰撞区域金属部件全部保留，保证了碰撞中汽车部件变形的真实性，图1至图6为整车及各总成有限元模型。
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图1 有限元整车模型
图2 前悬架有限元模型
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图3 前舱主要部件有限元模型
图4 地板有限元模型
图5 前围有限元模型
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图6 底盘有限元模型
3.3 边界条件定义
GB11551正面碰撞法规规定，被试验车辆以48~50km/h的速度与固定障碍壁表面垂直相撞，在本次模拟中，撞击接触方式为刚性墙，碰撞时速度为50 km/h （沿x轴负向），碰撞角即垂直于壁障前表面的直线与车辆纵向行进方向线之间的夹角为0度，同时对整车模型施加向下的重力加速度g=9.8m/s2，如图7所示。
图7 正面碰撞模型
4 碰撞模拟结果分析
4.1 碰撞模拟总体变形结果
碰撞模拟过程中各个时段的变形情况可以反映出整车在碰撞过程中的变形情况，0ms、20ms、40ms、60ms、80ms整车碰撞变形如图8至图12所示：
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图8 0ms整车碰撞变形情况
图9 20ms整车碰撞变形情况
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图10 40ms整车碰撞变形情况
图11 60ms整车碰撞变形情况
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图12 80ms整车碰撞变形情况
由上面一组图可见，在整个碰撞过程中，前舱室压溃情况及整车上扬趋势均正常，驾驶舱室未见明显挤压变形。
4.2 整车速度变化
整车速度曲线表示整车碰撞过程中平均速度的变化情况，整车的初始速度为50km/h，即13889mm/s，从图13可以看出，在52ms左右，整车开始回弹，并在81ms时，速度为0，回弹停止。
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图13 速度时间历程曲线
4.3 碰撞模拟能量变化情况
碰撞过程中总体能量的变化情况是评价建模是否正确的重要指标。图14为整车能量的变化曲线，能量曲线表征碰撞过程中动能向内能转化的过程，总能量基本保持不变，从初始时刻到52ms左右，车速由50km/h变为0，结构发生压缩变形，冲击动能大部分转变为材料塑性变形的应变能和材料发生弹性变形的弹性位能，从52ms左右到碰撞结束，弹性变形的弹性位能转变成反弹的动能。
图 14 各主要能量变化的时间历程曲线
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能量变化过程中还有一个重要的评价指标是沙漏能和总能量的比值，沙漏能的产生主要是由于计算过程中，单元的积分形式而引起的，这个比值在1％以内。
4.4 刚性墙的接触力
刚墙反力曲线反映碰撞过程中刚墙受冲击力的大小，同时也可以看出整车加速度的变化情况，如果刚性墙反力波动过大，将会导致车架乃至车身加速度的波动，可能导致乘员区的加速度出现较大的峰值，这对于乘员的保护是不利的。刚墙反力时间历程曲线如图15所示，从图中可以看出，最大反力为500000N，在30ms左右处出现。
图15 刚性墙反力时间历程曲线
要满足碰撞法规试验的要求，从技术指标上来讲，就是使车体的碰撞性能及乘员的损伤指标都在一定的限制范围以内。其中，乘员头部、胸部的碰撞加速度受车体碰撞加速度的影响较大，所以在生产实际中，降低车体碰撞加速度是设计需要重点考虑的一个方面，由刚性墙反力曲线可以得到整车加速度曲线如图16所示：从图中可知，对
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应于刚墙反力最大处的整车最大加速度为45.6g。
图16 整车加速度时间历程曲线
4.5 主要吸能部件变形及吸能情况分析
碰撞过程中，前防撞梁、吸能盒以及前左右纵梁（如图17）吸收了碰撞的大部分能量，为主要吸能部件。
图 17 主要吸能部件
4.6 主要吸能部件变形图
图18到图22为主要吸能部件0ms、20 ms、40 ms、60 ms、80 ms变形，
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图18 0ms
图19 20ms
图20 40ms
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图21 60ms
图22 80ms
从变形图中可以看出，两侧吸能盒均正向压溃吸能充分，但右侧吸能盒压溃不如左侧充分。两侧纵梁中后段充分弯折，但纵梁前段未见明显压溃或弯折迹象。主要原因在于，发动机几何尺寸较大，且为前排气布置，几何前端线超过纵梁前段（见图23）。在20ms左右，吸能盒未完全压溃时，防撞梁内凹，撞到发动机，发动机通过悬置将左右纵梁向内拉，使得纵梁中后段开始发生弯折，而处于发动机悬置前端的纵梁前段未发生压溃。
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未发生压溃变形 弯曲变形程度较大 发动机悬置施加力
图 23 发动机前端位置图及前左纵梁变形图
图24为碰撞结束时前防撞梁变形图，可见防撞梁刚度略显不足，内凹明显。
图 24前防撞梁变形
图25为右侧吸能盒变形图，从图中看出，由于前防撞梁刚度不足导致在碰撞过程中向左右两侧传力不均匀，导致右侧吸能盒后段未完全压溃。
图 25 左侧吸能盒变形
4.7 B柱下端减加速度
在匹配乘员约束系统时，需要提供整车碰撞减加速度、ECU减加速度以及B柱下端减加速度等时间历程曲线，而在模拟乘员约束系统
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时，B柱下端减加速度时间历程曲线是其中最重要曲线之一。
根据原方案与改进方案碰撞结果对比分析，减加速度时间历程曲线如图28所示，从图中看出，加速度峰值逐步递增，过度平稳，未出现加速度值陡降等情况，曲线走势正常，左B柱峰值为50g，右B柱峰值为45.5g，与同类车型B柱加速度峰值相当。
图 28 B柱下端加速度时间历程曲线
4.8 门框变形量
根据汽车碰撞法规规定，碰撞结束后对应于每排座位，至少要一个车门能正常打开。在碰撞仿真的过程中，确定碰撞结束后能否在规定作用力下正常开启难度较大，因此，一般通过对车门框的变形量的分析间接的评价这项内容。
在纵向冲击力的作用下，汽车门框主要承受与车辆坐标系XZ平面平行的纵向冲击力的作用，门框变形主要表现为纵向压缩的状况。当车门框变形量足够大以至于与车门发生挤压，使车门发生变形，在变形力的作用下会出现门框与车门之间的卡死现象，是导致车门不能
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开启的主要原因。
图24 门框变形参考点位置图
如图24所示，取出门框上下铰链和门锁处的参考点，分别测出门框图示的S1（上铰链处）、S2（门锁处）、S3（下铰链处）的变形量，来判断门框与车门发生挤压的程度大小。
图25 门框变形量曲线图
根据门框变形量曲线图，分别得到上下铰链及门框门锁处的变形量，如表3所示。门框动态变形量最大值为16.2mm,最大静态变形量
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为10.8，均小于一般要求的40mm。
表3 门框变形量/mm S1（上铰链处） S2（门锁处） S3（下铰链处） 最大动态变形量 16.2 12.1 4.6 最大静态变形量 10.8 7.4 2.5 4.9 前围板侵入量
在正面碰撞过程中，前围板的侵入是造成假人胸部、腹部以及大腿受到伤害的主要原因，如果侵入量过大，则可能导致这些部位的伤害程度高于国标的要求。前围板最大动态侵入量（图26）为109.4mm，小于一般要求的最大侵入量150mm。前围板最大静态侵入量（图27）为89.4mm，小于一般要求的130mm。
最大入侵量109.4mm
图 26前围板最大动态侵入量
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最大入侵量89.4mm
图 27前围板最大静态侵入量
值得说明的是，变形量最大变形处为安装在右侧前围板上的ABS控制器支架向内挤压所致，考虑到左侧为驾驶员侧，有方向盘等硬物挤压的可能，此处对左侧进行了单独分析。图27为前围板左侧变形最大时与变形结束时刻的位移对比图，从图中看出，左侧前围板侵入量明显小于右侧最大动态侵入量为92.6mm，静态68.7mm，而且前围板左侧对应于假人膝部的位移较小，最大动态变形量77.8mm，静态变形量为64.5mm。
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对应于假人膝部 变形量77.8mm 变形最大时刻 对应于假人膝部 变形量64.5mm 变形结束时刻 图27 前围板左侧变形最大时与变形结束时刻的位移对比
4.10 A柱侵入量
A柱侵入量是衡量碰撞过程中驾驶舱室总体挤压空间的重要指标，图28为A柱最大动态变形时刻与结束变形时刻侵入量对比图，从图中看到，A柱最大动态变形量为27.4mm，小于一般要求的最大动态变形量35 mm，最大静态变形量为12.5mm，小于一般要求最大静态变形量25 mm。
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最大变形量27.4mm 最大变形量12.5mm
图28 A柱最大动态变形时刻与结束变形时刻侵入量对比
4.11 方向盘侵入量
图29为方向盘及其中部区域最大动态与最大静态侵入量对比图，
从图中可以看到，最大动态侵入量为79mm，最大静态侵入量为53mm；中部区域最大动态侵入量为38.5mm，最大静态侵入量为28.6mm
最大静态侵入量53mm 最大动态侵入量79mm
中部区域最大动态侵入量38.5mm 中部区域最大j静态侵入量28.6mm
图29 方向盘及其中部区域最大动态与最大静态侵入量对比
5 总结
本文根据项目组提供的数模，进行了该车的正面结构的碰撞模
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拟，在模拟过程中，严格按照项目组提供的模型，真实反映了实车的结构形式，根据项目组提供的材料特性、密度、质量设置参数等进行计算。由于尚未进行实车试验，一些参数的调整只能根据经验数据获得，故在此我们对模拟结果进行初步评价。 碰撞模拟的结果如下：
1) 由碰撞过程中的能量变化曲线可以看出，总能量基本守恒，主要由动能、内能和沙漏能组成，而且沙漏能所占比例在规定范围以内，证明了所建立的模型基本正确。
2) 整车的初始速度为50km/h，即13889mm/s，在52ms左右，整车开始回弹，并在81ms以后，回弹停止。
3) 从车架的变形及吸能比例情况来看，吸能盒以及左右纵梁吸收了大部分的能量，起到了较好的吸能作用。只是纵梁前端没有发生压溃，减少了吸能。
4) 由刚墙反力曲线可以得到，整车的最大加速度约为46g，一般共识认为车身加速度为40g-50g。
5) B柱下端减加速度，左B柱峰值为50g，右B柱峰值为45.5g，与同类车型正碰B柱加速度峰值相当。
6) 门框变形量对比分析结果为, 门框动态变形量最大值为16.2mm,最大静态变形量为10.8mm，均小于一般要求的40mm，控制较好。 7) 前围入侵对比分析结果为，前围板最大动态入侵量为137.5mm小于一般要求的150mm，最大静态侵入量为105.4mm，小于一般要求的130mm，从前围板左边位移云图中可以明显看出对应于假人
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膝部的位移是很小的，最大动态位移不超过82mm，最大静态位移不超过62mm，控制较好。
8) A柱变形量结果为，A柱最大动态变形量为27.4mm，小于一般要求的最大动态变形量35 mm，最大静态变形量为12.5mm，小于一般要求最大静态变形量25 mm。控制良好。
9) 方向盘侵入量，最大动态侵入量为79mm，最大静态侵入量为53mm；中部区域最大动态侵入量为38.5mm，最大静态侵入量为28.6mm。
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