碰撞分析  

前部碰撞分析 

目前前部碰撞主要有兩類，一種是正面剛性墻碰撞，如GB 11551、FMVSS 208；另一種是偏置可變形壁障（ODB）碰撞，如ECE 94、IIHS。盡管這兩種試驗在試驗設置和評價上不盡相同，但其主要目的都是為了使乘員在碰撞事故中得到保護，以及評價車輛結構性能。 

車輛結構性能包括轉向柱的垂直和向后移動量、燃油系統(tǒng)完整性、在試驗過程中車門不應打開、安全帶固定點強度、風擋保持力、車上的零件不應侵入乘客箱、發(fā)動機蓋的后邊緣不應通過風擋侵入、碰撞后至少有一個門能打開。 

乘員的響應與以下條件有關：車輛的加速度、安全帶約束系統(tǒng)、安全氣囊約束系統(tǒng)、方向盤與轉向柱、防火墻的侵入、膝墊的約束。由此可見，每個子系統(tǒng)的設計都與乘員有關。這使得問題很復雜，從設計和分析的觀點看很難處理。于是傳統(tǒng)的問題被分成設計與分析子系統(tǒng)，即先保證車輛結構性能，再進行乘員仿真來模擬臺車試驗。 

這里介紹車輛前碰結構性能分析。通過分析，在合理的精度下，能夠預測A柱與轉向柱的移動量、防火墻的侵入量、車輛與氣囊傳感器布置點的加速度波形、能量分布、載荷的傳遞、特殊的變形模式等。而燃油系統(tǒng)泄漏、車門的開啟性無法直接模擬，只能根據變形情況做初步判斷。 

 

1. 正面碰撞建模 

（1）模型質量匹配 

前碰分析中，車是運動的，因此車輛模型的質量分布、總質量、質心、軸荷分配是至關重要的，應該與實際狀態(tài)一致。但模型是簡化過的，其質量要比實際車的輕，質量分布也與實車有差別，為匹配模型的質量，一般采用添加集中質量（mass單元）的方法。 

質量單元要均勻分散加在車輛上剛度較大的地方。 如果模型中不包括假人，那么假人的重量也要合理匹配。 

（2）定義接觸 

在前碰過程中，車輛中不同的部件、障礙墻、假人會發(fā)生自身和相互接觸。因此，要定義接觸面來表現(xiàn)這些相互關系。 

前碰中一般要定義下列接觸： 

1） 將整個車輛定義為一個單一接觸面； 

2） 在硬的和軟的材料間定義接觸面，例如座墊泡沫與結構； 

3） 要監(jiān)測相互作用的部件，例如輪胎與門檻、燃油箱與周圍部件； 

4） 假人與方向盤、儀表板、座椅、安全帶、氣囊、內飾、結構間的接觸面應分開定義； 

5） 氣囊和結構間應定義接觸面；

 6） 局部邊與邊的接觸。 

所有的接觸類型用自動接觸。接觸面可以是節(jié)點集、單元集、part集、segement等，也可用BOX選取需要定義接觸的區(qū)域。 

（3）定義壁障與地面 

一個固定的無限大的平面剛性墻barrier用于模擬壁障。剛性墻的定義要注意以下幾點： 

1） 墻位于距離車輛最前端前1mm處（留出前保險杠的厚度），其法向量與車輛行進方向相對，即X軸的正方向； 

2） 將車輛前部可能與墻接觸的節(jié)點定義為從節(jié)點集nodes to barrier，注意不要包括剛性墻上的節(jié)點； 

3） 定義滑動摩擦系數為0.6。 

一個固定的無限大的平面剛性墻ground用于模擬地面。剛性墻的定義要注意以下幾點： 

1） 墻位于距離車輛最底部下1mm處（留出輪胎的厚度），其法向量沿車的高度方向，

即Z軸的正方向； 

2） 將地面到車輪中心以下的節(jié)點定義為從節(jié)點集nodes to ground，注意不要包括剛

性墻上的節(jié)點； 

3） 定義滑動摩擦，摩擦系數為0.3。 

（4）定義重力 

整個模型都要施加重力，包括車輛與假人。首先將要施加重力所有部件定義為一個part集parts for gravity，再定義重力加速度隨時間變化的曲線，最后定義相應關鍵字，并選取已定義的part集和重力加速度曲線。 

（5）定義初速度 

碰撞車輛的所有節(jié)點要定義沿車輛行進方向（X軸負向）的初速度，在模型中該初速度應該設為-13888.9mm/s（50km/h）。 

（6）定義輸出力的截面 

在圖8-4所示的各處定義截面，關鍵字為*DATABASE_CROSS_SECTION_PLANE。

（7）定義控制與輸出卡片 

正面剛性墻的碰撞模擬時間一般設定為0.09～0.12秒。

2. 側面碰撞

目前側面碰撞保護也主要有兩類，一種是移動可變形壁障（MDB）碰撞，如FMVSS 214、IIHS、ECE 95/EuroNCAP；另一種是剛性柱撞，如FMVSS 201、EuroNCAP。盡管這些試驗在試驗設置和評價上不盡相同，但其主要目的都是為了使乘員在碰撞事故中得到保護，以及評價車輛結構性能。 

車輛結構性能包括燃油系統(tǒng)完整性、在試驗過程中車門不能打開或與車脫離、側圍與車門的侵入量和侵入速度、碰撞后B柱內側到座椅的距離、碰撞后能打開足夠多的門。 

通過分析，在合理的精度下，能夠預測B柱與車門的侵入量和侵入速度、氣囊傳感器和控制模塊布置點的加速度波形、能量分布、載荷的傳遞、特殊的變形模式、乘員的傷害值等。而燃油系統(tǒng)泄漏、車門的開啟性無法直接模擬，只能根據變形情況做初步判斷。 

側面碰撞建模應先完成車輛模型、座椅模型、乘員模型、移動可變形壁障模型，再將各系統(tǒng)集成為一個完整的模型。 

車門要詳細建模，應包括內飾部件、玻璃升降系統(tǒng)，鉸鏈與門鎖要仔細處理。如果有的話，門內飾中的泡沫填充物材料特性需要指明應變率，可以使用與碰撞速度相近的材料試驗的試驗數據；為防止計算不穩(wěn)定，泡沫避免細的網格，并使用固連接觸“粘”到主面上。 

側碰模型的質量匹配、重力定義、控制與輸出卡片與前碰模型類似，不再贅述，下面僅說明后碰建模的特別之處。

（1）定位假人模型 

按試驗要求將假人定位到正確位置。假人模型的精確定位很重要，即使數毫米的差別就可能會在響應上有很大變化。 

（2）定位壁障模型 

FMVSS 214壁障定位基于車輛的軸距，而歐洲是基于乘員參考點（R點）的。 壁障的位置滿足條件： 

1） 放置于駕駛員一側； 

2） 被撞面平行于車輛的縱向平面，壁障的縱向切面通過碰撞參考線； 

3） 壁障撞擊試驗車左（右）側時，它的所有輪子與其縱向切面向右（左）成27±1角； 

4） 最前端可變性部分的下端面距地面的距離為279mm； 

5） 碰撞塊與被撞車輛外表面的距離為1mm（要考慮殼單元的厚度）。 FMVSS 214規(guī)定轎車按下面的要求標定一條鉛錘線作為碰撞參考線：

a）對軸距為2896mm或更小的轎車，碰撞參考線在輪距中心向前940mm的位置。 b）對軸距大于2896mm的轎車，碰撞參考線在輪距中心向后508mm的位置。 （本例車輛的軸距為2907mm，因此根據b）確定碰撞參考線。 

（3）定義地面 

地面的定義方法與前碰相同。車輛的“地面”與移動壁障的“地面”要分開定義，車輛與地面的摩擦系數設為0.6，移動壁障與地面的摩擦系數設為0.3。 

（4）定義接觸 

為表現(xiàn)不同的部件及系統(tǒng)間的相互作用，側碰中一般要定義下列接觸：

 1） 將整個車輛定義為一個單一接觸面； 

2） 在硬的和軟的材料間定義接觸面，例如座墊泡沫與結構； 

3） 要監(jiān)測相互作用的部件，例如座椅與側圍和車門、燃油箱與周圍部件；

 4） 假人與座椅、安全帶、氣囊（簾）、內飾、結構間的接觸面應分開定義； 5） 氣囊和結構間應定義接觸面； 

6） 局部邊與邊的接觸； 

7） 車與移動壁障的接觸。 

車與移動壁障的接觸中，車為主、壁障為從。先定義part集parts for contact_vehicle-MDB，選取車輛上可能與移動壁障接觸的部件，再在壁障與車之間定義接觸contact_vehicle-MDB。 

（5）定義初速度 

法規(guī)要求碰撞時被撞擊車輛靜止，移動壁障的速度為53±1km/h。 

移動可變形障礙物的所有節(jié)點要定義沿整車坐標系X、Y方向的初速度，X方向的初速度為6797mm/s，Y方向的初速度為13410mm/s。 先將移動壁障上的所有節(jié)點（注意不要包括剛性墻上的節(jié)點）定義為一個節(jié)點集nodes for velocity，再定義以下卡片： 

（6）定義輸出力的截面

在圖2-1所示的各處定義截面。 

（7）定義求解時間 

移動可變形壁障側面碰撞的模擬時間一般設定為0.08～0.10秒

本文轉自微信公眾號【FESIM有限元分析】

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