由于我國經(jīng)濟(jì)實(shí)力的不斷增強(qiáng)，人們的物質(zhì)生活水平日益提高，汽車已經(jīng)逐漸成為人們的代步工具。很多中國企業(yè)與外國跨國公司合作生產(chǎn)研發(fā)汽車產(chǎn)品。我國的汽車年產(chǎn)量逐年攀升，生產(chǎn)制造水平也逐步提高。紐約時報預(yù)測中國將成為世界上最大的汽車生產(chǎn)國。
私家汽車給人們帶來了便利，讓人們更充分的享受生活。隨著全世界汽車數(shù)量的迅速增加，汽車質(zhì)量、駕駛技術(shù)問題及道路狀況等多種因素合力作用結(jié)果，汽車交通事故已成為嚴(yán)重問題。聯(lián)合國世界衛(wèi)生組織（WHO）提交的最新報告顯示：近幾年全球每年因交通事故造成死亡的人數(shù)多達(dá)約120萬，另外還有數(shù)百萬人在汽車事故中受傷致殘。
面對這個嚴(yán)重的問題，各國的工程技術(shù)人員都在不遺余力的提高汽車的安全性能。各國政府相應(yīng)的制定了碰撞安全性能標(biāo)準(zhǔn)，具有代表性的有美國的FMVSS汽車碰撞安全法則、歐洲的ECE和EEC汽車碰撞安全法則。目前最為人關(guān)注的碰撞試驗為NCAP（NewCarAssessmentProgram）。
早期的被動安全性研究主要是通過大量的試驗來進(jìn)行，采用同樣的碰撞過程反復(fù)進(jìn)行，收集數(shù)據(jù)。這樣的試驗方法需要相當(dāng)長的時間。發(fā)達(dá)國家每次汽車安全性能的試驗都需要手工打造幾十輛新車，人力、物力、財力都需要很大的消耗。伴隨著計算機(jī)技術(shù)的發(fā)展，原來不可能完成的大量參數(shù)有限元計算成為可能。有限元計算分析方法運(yùn)用到汽車的碰撞模擬仿真中，極大地降低了汽車的設(shè)計成本和研發(fā)周期，并且獲得更為精確的數(shù)據(jù)對汽車結(jié)構(gòu)進(jìn)行下一步優(yōu)化。
1汽車碰撞過程的特點(diǎn)
汽車碰撞是汽車結(jié)構(gòu)在極短的時間內(nèi)(通常在100ms以內(nèi))，在劇烈碰撞沖擊載荷作用下發(fā)生的一種復(fù)雜的非線性動態(tài)響應(yīng)過程。在汽車碰撞中，各種非線性的問題都涉及到了，既有結(jié)構(gòu)發(fā)生大位移和大轉(zhuǎn)動所引起的幾何非線性，又有各種材料發(fā)生大應(yīng)變時所表現(xiàn)的物理非線性(材料非線性)。
2非線性有限元理論
在某一瞬間時，物體在空間所占據(jù)的區(qū)域V稱為物體的構(gòu)型。令在時間t=0時，物體的初始構(gòu)型為V0，并參考于一固定的直角坐標(biāo)系{xi}，物體的任一質(zhì)點(diǎn)P的位置可由一向徑P(x1,x2,x3)或其質(zhì)點(diǎn)坐標(biāo)(x1,x2,x3)確定。構(gòu)型V0稱為物體的參考狀態(tài)。在后來某一瞬間t，物體被移動到空間另一位置，其構(gòu)型為V，這時的狀態(tài)稱為變形狀態(tài)。描述這一變形狀態(tài)，用另一直角坐標(biāo)系{yi}。初始構(gòu)型中的P點(diǎn)，變形后被移動到空間的P點(diǎn)，可由一向徑P(x1,x2,x3)確定。如果令坐標(biāo)系{yi}和{xi}重合，則在二維情形下如圖1所示。
同一質(zhì)點(diǎn)變形前后有關(guān)系：yi=yi(x1,x2,x3,t)i=1,2,3yi是xi的單值連續(xù)函數(shù)。如果取ui為質(zhì)點(diǎn)沿xi軸方向的位移，那么顯然有yi=xi+ui(x1,x2,x3,t)i=1,2,3。在描述物體變形前后的不同狀態(tài)時，可用下面方法：把x1,x2,x3和t作獨(dú)立變量來描述物體的運(yùn)動（或變形），稱為物質(zhì)描述或拉格朗日描述，而x1,x2,x3和t稱為拉格朗日變量。
3 汽車碰撞仿真的有限元方法
汽車碰撞過程的模擬分析實(shí)質(zhì)上是要求解一個給定初始條件和初始邊界條件的偏微分方程，其中動態(tài)接觸邊界條件在問題求解之前是未知的，即問題的求解涉及到典型的動態(tài)接觸問題，設(shè)接觸系統(tǒng)在時刻t占據(jù)空間域力?，作用在接觸系統(tǒng)內(nèi)的體積力、邊界力、接觸力及內(nèi)應(yīng)力分別為b,q,qc,σ則接觸系統(tǒng)的運(yùn)動要滿足。
對于方程(2)，實(shí)際中廣泛應(yīng)用顯式的中心差分法來求解。顯式解法不需要進(jìn)行矩陣分解或求逆，無須求解聯(lián)立方程組，也不存在收斂的問題，因而計算速度較快；同時，其穩(wěn)定性準(zhǔn)則能自動控制計算時間步長的大小，確保了計算結(jié)果的精度。
對于汽車這樣復(fù)雜的薄壁板殼結(jié)構(gòu)系統(tǒng)，其碰撞模擬分析中最常用的結(jié)構(gòu)單元是二維殼單元，少量用到梁單元和體單元。4節(jié)點(diǎn)殼單元(稱BT單元)和4節(jié)點(diǎn)Hughes-Lio殼單元(稱HL單元)是汽車碰撞模擬分析中常用的殼單元。
4整車有限元模型的建立
整車包含許多的零部件,因而整車模型的單元通常比較多?？紤]到過大的整車模型會影響計算的成本(主要指計算時間),所以,結(jié)合側(cè)面碰撞變形特點(diǎn),在不影響計算要求和精度的前提下,盡可能地減少模型的單元數(shù)。
整車建模時,將汽車分為3個區(qū)域即：①區(qū)汽車發(fā)生碰撞的區(qū)域,即主要變形區(qū);②區(qū)以車身對稱平面為分界線的右側(cè)車身,這側(cè)的車身基本不變形;③區(qū)非撞擊區(qū),這一區(qū)域的車身也基本不變形。不同區(qū)域的零件,網(wǎng)格劃分的大小也不同。①區(qū)的網(wǎng)格大小一般為10～20mm,②區(qū)為20～40mm,③區(qū)可以大于50mm，如圖2所示。
整車模型以轎車的三維模型為基礎(chǔ),加上發(fā)動機(jī)、懸架及車輪,組成用于側(cè)面碰撞的整車模型。根據(jù)車身以薄鋼板沖壓零部件為主的特點(diǎn),整個車身采用殼單元建模。車身采用的材料主要為拉延性能較好的低碳鋼薄鋼板,采用分段線性塑性(PIECEWISE LINEAR PLASTICITY)材料模型模擬。分段線性塑性材料模型需要定義材料的密度、彈性模量、泊松比、屈服強(qiáng)度和應(yīng)力-應(yīng)變曲線。低碳鋼薄鋼板的密度ρ=7.85×103kg/m3,彈性模量E=210GPa,泊松比μ=0.272～0.30,屈服強(qiáng)度σs=270～390GPa,應(yīng)力--應(yīng)變曲線通過材料拉伸試驗獲得。由于低碳鋼材料在沖擊載荷作用下,其應(yīng)力-應(yīng)變的關(guān)系不僅與材料的本身性質(zhì)有關(guān),還與加載的時間歷程密切相關(guān)。采用Cowper和Symonds計算模型,應(yīng)變率參數(shù)C和P分別取40和5。車身主要通過焊點(diǎn)單元將零部件裝配在一起。車門與車身骨架的連接通過鉸接單元和彈簧單元連接,用鉸接單元模擬車門鉸鏈,用帶失效定義的一般彈簧單元模擬門鎖的鎖止作用。車輪與車軸之間采用鉸接單元連接,使車輪能夠繞車軸轉(zhuǎn)動。座椅與車身通過剛性短梁固定。整車模型共分52層,有185342個節(jié)點(diǎn),173529 個單元。
5 整車偏置碰撞的有限元仿真
整車偏置碰撞主要考核車身的安全性，因此有必要進(jìn)行該車的偏置碰撞仿真。參考?xì)W洲的NCAP正面碰撞試驗法規(guī)，建立整車偏置碰撞有限元模型。可變形壁障一般為可壓縮的蜂窩鋁塊，建模中采用六面體實(shí)體單元，材料模型為honeycomb材料。可變形壁障放置在駕駛員一側(cè)，與汽車前端的接觸面積只占車身寬度的4O%。如圖3所示，整車以64 km／h的速度正面碰撞可變形壁障，計算了100 ms的碰撞過程．
變形仍然集中在車身前部(A柱之前)，車輛后部基本沒有變形。主要吸能零部件是保險杠、翼子板、發(fā)動機(jī)罩和前縱梁．同時由于沖擊載荷不對稱，碰撞側(cè)的變形程度比正面100%碰撞的變形嚴(yán)重得多。由圖5和圖6可以了解到碰撞過程中的能量和速度變化情況。
6 結(jié)論
在汽車碰撞發(fā)生的極短時間內(nèi)，車身發(fā)生巨大的形變。這種形變伴隨著大位移、大轉(zhuǎn)動所引起的幾何非線性，又有各種材料發(fā)生大應(yīng)變時所表現(xiàn)的物理非線性(材料非線性)。所以很難通過常規(guī)的數(shù)學(xué)方法對其進(jìn)行求解，進(jìn)行實(shí)體碰撞試驗的數(shù)據(jù)很難進(jìn)行采集。本文論述了采用拉格朗日描述對物體的移動建立數(shù)學(xué)模型。通過有限元方法將整車按區(qū)域進(jìn)行建模。并且將建立的整車有限元模型進(jìn)行整車偏置碰撞的模擬仿真，模擬了碰撞過程后車身的變形結(jié)果，得到了碰撞過程中模型的能量與速度變化曲線。從而直觀地掌握了汽車在碰撞過程中能量等參數(shù)的變化情況。將有限元方法運(yùn)用在汽車碰撞問題的分析中，對汽車結(jié)構(gòu)安全性的改進(jìn)有一定指導(dǎo)意義。
（轉(zhuǎn)載）
