作者简介: 张金换(1954-), 女(汉), 北京, 教授。
随着有限元仿真模拟计算技术的成熟,有限元模型越来越多被用于汽车碰撞安全研究进行模拟试验,有限元模型的调试和对标对模型复现实际试验的精确程度有着重要影响。为研究影响有限元模型仿真计算与实际试验输出差异的主要因素,进行了14次行人头模块冲击试验,并建立了相应的有限元模型进行仿真模拟。在有限元模型对标的过程中,通过改变有限元模型结构建立上的处理方式和一些容易影响有限元模型输出的参数,得到了一些有限元模型对标的有效手段,并总结了有限元建模过程中需要严格控制的对结果影响显著的敏感参数。
With the development of finite element method, finite element models become commonly used in the research of automotive safety with debugging and calibrating having great influence on the output accuracy of a finite element model. 14 pedestrian headform impact experiments were made to study the major factors that affect the output of an FE model, with the corresponding FE model being built. During the calibration of the FE model, some methods for FE model structure building have been used, with the sensitive parameters debugging, which leads to the conclusions about effective means for calibration and the sensitive parameters that should be controlled accurately in the FE modeling.
随着汽车碰撞安全技术领域的不断发展,汽车车内安全系统例如气囊、安全带等已经普及到绝大部分汽车产品当中。但是,道路交通事故中的弱势群体,如行人、骑车人等,其在与汽车发生碰撞的事故中所受到的伤害远远大于车内乘员,并且占到了因道路交通事故受伤和死亡人数的相当一部分。世界卫生组织(WHO)统计显示,每年有2 000万到5 000万人在道路交通事故中致伤或致残,并且有130万人在交通事故中丧生,其中行人死亡人数约占到死亡总人数的65%。而据我国公安部交通管理局统计, 2006年,我国至少发生了378 781起行人道路交通事故,至少有89 455名行人在事故中死亡,占当年交通事故死亡总人数26%[1]。一份IRHA在多个国家范围内调查的资料[2]显示,在交通事故中头部受伤或致死的行人数量约占总人数的1/3。
针对行人碰撞安全[3,4,5,6,7,8,9,10,11,12,13]研究,各国都有规定行人碰撞试验的标准和法规,例如Euro-NCAP、 J-NCAP。行人头部碰撞试验主要采用成人头型冲击器和儿童头型冲击器来进行模块化的冲击试验,以此模拟行人头部在实际碰撞中受到的冲击。而使用有限元仿真模型来模拟成人和儿童头模块冲击试验,对于增加研究汽车行人头部保护性能的手段,提高汽车行人头部保护性能优化设计效率有重要意义。
本文以吉利帝豪EC7作为试验车型,试验头模块包括GTR法规下的儿童行人头模块和成人行人头模块,头模块参数和试验参数见表1。冲击速度均为11.1 m/s, 冲击方向与水平夹角分别为50°和65°。试验冲击点的位置见图1。
 | 表1 行人头模块主要参数 |
 | 图1 儿童和成人头模块试验冲击点位示意图 |
时间步长是有限元计算中的重要参数,确定一个好的时间步长可以既保证计算结果正确收敛,同时也能够增加效率,减少有限元模型模拟计算花费的时间。
当使用LS-Dyna进行有限元模型计算时, Dyna会根据模型网格划分情况给出一个能够保证计算结果收敛的时间步长上限。对于本模型, Dyna给出的时间步长上限是3.33×10-7 s。由图3可见,当时间步长为2×10-7 s、 3×10-7 s和9×10-7 s时,计算得到的加速度曲线基本重合; 当时间步长为2×10-6 s时,计算结果已经出现明显的不收敛; 当时间步长为4×10-6 s时,计算结果与收敛的计算结果偏差显著。对时间步长为2×10-7 s、 3×10-7 s和9×10-7 s下的加速度曲线作对应的HIC值,结果见表2。
 | 图3 同一点不同时间步长下的仿真加速度曲线 |
| 表2 不同时间步长下模拟计算HIC值 |
根据计算结果, 9×10-7s的时间步长下,加速度曲线对应的HIC值与2×10-7s和3×10-7s两个建议时间步长下加速度曲线对应的HIC值非常接近,基本无异。由此可见,适当增大模型计算的时间步长,完全可以在保证模型计算精确度的前提下提高计算效率,减少模型计算时间。
在实际车型的零部件连接中,有焊接、螺栓连接、胶粘等多种连接方式。连接方式不同会影响零部件的受力方式和大小。在有限元模型当中通常用刚性共节点(rigids)、 壳单元共节点、接触约束(contact_tie)等连接方式模拟实际中的零部件连接。
在儿童头模块冲击下,发动机罩板的吸能特性与外罩板与内罩板的连接方式相关。发动机外罩板与内罩板连接方式既可使用rigids进行刚性共节点连接,同样也可使用共节点壳单元(shell element)模仿粘胶,见图4。
通过以上2种不同的方式连接发动机内外罩板,可以分别得到头模块冲击试验加速度曲线,见图5。
 | 图5 共节点与壳单元模拟胶粘对比加速度曲线 |
可以看到在碰撞过程中, rigids连接方式下的加速度峰值更高一些,但总体上看2条加速度曲线的差异并不大。根据所得到的加速度曲线计算HIC值,见表, 刚性共节点连接方式下的HIC为708., 壳单元模拟胶粘的连接方式下HIC为735.6, 用壳单元模拟胶粘的HIC值更高一些。而实际试验HIC为716.2, 种连接方式下输出的HIC值与实际值误差均不超过3%。在建立有限元模型的过程中,可根据实际试验情况决定使用何种方式模拟发动机内外罩板的连接。
| 表3 不同连接方式下模拟计算HIC值(1) |
在成人头模块冲击试验中,风挡前围区域的吸能特性与风挡和前部塑料零件的粘接属性直接相关。风挡玻璃与前部塑料盖板的连接可以用刚性共节点连接,也可以通过接触约束来定义约束。2种不同连接方式对应的加速度曲线见图6。
 | 图6 共节点与接触约束模拟胶粘对比加速度曲线 |
从图6可以看到,两种连接方式在碰撞发生的初期没有明显差异,波形基本重合,但是在出现加速度峰值后,波形变产生了明显不同。使用刚性共节点连接风挡玻璃和前部塑料盖板,连接较硬,且不会产生变形和失效,力的传递非常直接,因此加速度迅速上升,达到200 g。使用接触约束的连接方式模拟胶粘,失效强度设为25 MPa, 虽然在加速度峰值上比实际试验有1 ms左右的延迟,但是峰值更接近实际试验,且波形后半段与实际试验吻合较好,具体HIC值见表4。可见接触约束HIC与实际试验更为接近。
| 表4 不同连接方式下模拟计算HIC值(2) |
在成人头模块冲击试验中,冲击区域覆盖了风挡玻璃的前部。风挡玻璃因其结构复杂,现在很多风挡玻璃都采用的是夹层结构,相对钢材料,风挡玻璃的特性更难由有限元进行复现。在实际模拟中,可以采用MAT32号材料模拟风挡材料,也可以将风挡玻璃简化为MAT24号材料。
MAT32号材料对应的材料属性是夹层玻璃,而MAT24号材料对应的是一般的弹塑性材料(例如钢)。由图7可知,在相同厚度下, MAT24号材料相对较硬,响应较快,因而波峰较高,且波形较早; MAT32号材料则相对软一些,受到冲击后响应稍慢。据加速度曲线计算HIC可得到, 24号材料属性下HIC为3 264.2, 32号材料属性下HIC为1 404.3, 两者差距非常明显。由于MAT24号材料相对较硬,加速度波形整体要高于MAT32号材料下的波形,波形持续时间更短,因此HIC也较高。建模过程中应结合实际风挡玻璃的材料属性,选择适当牌号。
 | 图7 不同牌号下的仿真加速度曲线 |
对于头模块冲击发动机罩盖等平板零件受冲击工况,被冲击零件的厚度是决定加速度曲线的最主要因素。将发动机罩盖外板厚度设置为0.7 mm、 1.5 mm和2.0 mm进行模拟计算,得到曲线见图, 各曲线对应的HIC值见表5。
| 表5 不同材料厚度下模拟计算HIC值 |
 | 图8 同一点不同罩盖厚度的仿真加速度曲线 |
当发动机罩盖外板厚度为0.7 mm时,加速度峰值不明显, HIC很低; 当发动机罩盖外板厚度增加至1.5 mm时,加速度曲线峰值明显升高,达到105 g左右, HIC值显著升高; 进一步增加发动机罩盖外板厚度,加速度曲线峰值继续显著升高, HIC升高。
因此,当对所建立的有限元模型进行模拟计算和实际试验结果对标时,如果出现加速度曲线峰值相差较大的情况,首先应检查冲击区域内的各个零件的厚度是否设置正确。
由于实际试验冲击点坐标转换到有限元模型当中不可避免要出现一定的偏差,因此实际试验头模块冲击位置与有限元模型中头模块冲击位置也会有一定差异。冲击位置的不同必然会造成模拟计算结果的差异,且差异大小的不同会因冲击点所在的区域而不同。
当冲击点位于发动机罩盖时,由于冲击区域的强度和刚度较为平均,差异不大,在一定的冲击位置变化范围内加速度曲线不会出现太大差异,见图, 对应HIC值见表6。
| 表6 不同冲击位置下模拟计算HIC值(1) |
 | 图9 不同冲击点位置偏差下的仿真加速度曲线1 |
通过表6可知,发动机罩盖等强度和刚度较为平均的冲击区域,冲击点位置发生一定偏差,不会对模拟计算结果产生显著影响。因此,在实际有限元建模过程中,对于类似碰撞区域的冲击点位置精度并不需要控制得太精确。
当冲击点位于汽车前围板近风挡玻璃处时,由于风挡玻璃、雨刷驱动电机等硬点的存在,小范围的冲击点位置变动也会导致加速度曲线的明显变化,如图10所示。
 | 图10 不同冲击点位置偏差下的仿真加速度曲线2 |
由图可见,加速度曲线在时间上出现了一定偏离,这主要是X方向平移之后,头模块与风挡玻璃的距离发生了变化,且导致雨刷变形程度产生了差异,因此第一个波峰持续时间各不相同。头模块冲击点位置的不同还进一步导致加速度波形最高峰的形状产生了不同。各加速度波形对应的HIC值见表7。
| 表7 不同冲击位置下模拟计算HIC值(2) |
从表7可以看出,冲击点位置的偏差会明显导致HIC值的变化,实际标定中如果有限元模型坐标系与实际冲击位置坐标系出现偏差,很有可能会影响模拟计算的结果。因此,在实际有限元模型建立中,必须要精确控制如汽车前围板近风挡玻璃等刚度和强度分布不均等冲击区域的冲击位置精度。
在行人头与汽车发生碰撞的过程中,摩擦因数也会对冲击加速度产生影响,通常摩擦因数在0.25~0.3之间。将儿童行人头模块与冲击发动机罩盖接触的摩擦因数分别设为0.2、 0.25和0., 得到的加速度曲线如图11所示。
 | 图11 不同冲击点位置偏差下的仿真加速度曲线3 |
从图11可以看到,摩擦因数的改变会对加速度曲线产生一定影响, 0.3的摩擦因数下加速度波形的第一峰较高, 0.25次之, 0.2最小,依次相差5 g左右; 但是对整体加速度曲线而言影响较小,摩擦因数0.3下HIC值为72, 摩擦因数0.25下HIC值为710.4, 摩擦因数0.2下HIC值为693.5, 分别相差不超过3%。因此摩擦因数一般设置为0.28~0.3即可。
本文通过建立行人头模块冲击试验的有限元模型,根据实际试验结果进行有限元模型对标分析和研究,探究了一些建模对标过程中模型结构的模拟方式对模拟输出的影响,并讨论了一些影响有限元模型输出结果的参数的敏感性,总结了一些有限元建模和对标的方法。在实际建模过程当中,可以根据本文探讨的结果,适当选用适合实际情况的处理方法,并精确控制影响模拟计算输出的敏感参数,有助于精确快速完成有限元模型对标工作。
致谢 本论文工作中清华大学汽车碰撞实验室所使用的Hypermesh软件由Altair公司提供, LS-DYNA软件教育版由LSTC提供,特此表示感谢。
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