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1、Altair2015技術大會論文集汽車行李防護CAE仿真分析及優(yōu)化The Luggage Retention Analysis and Optimize of Auto by CAE 王圣波李路才 （一汽海馬汽車有限公司、?？?、570216 ）摘要：本文根據(jù)汽車研發(fā)的需要，利用 HyperWorks平臺搭建FE模型求解相結合 的有限元仿真技術，對一汽海馬某款汽車行李箱防護進行仿真計算。根據(jù)撞擊結果對防護裝置的變形情況和關鍵部件的應力應變等細節(jié)進行分析，判斷是否對乘員造成傷害。提出優(yōu)化方案，并通過仿真結果，滿足法規(guī)要求。為整個研發(fā)過程節(jié)省了大量的試驗費用，縮短研發(fā)周期。關鍵字：HyperWork

2、s、有限元仿真、行李防護裝置、優(yōu)化Abstract : In this paper, according to the needs of vehicle development, is about a simulation analysis of the auto luggage retention. According to the results of luggage retention parts impact process and judge if existent of harm to passenger. Propose optimum proposals and checkin

3、g the optimum proposals get through simulation by the result reach the rule.Key words : HyperWorks , FE simulation , Luggage retention , Optimize1前言在現(xiàn)在汽車研發(fā)制造中，車身結構的被動碰撞安全性能一直是一個研究的重點。車身結構抗撞性研究主要注重于研究汽車車身結構對碰撞能量的吸收特性，尋求改善車身結構抗撞性的方法。在保護成員空間的前提下，最大限度提高車身變形吸收的碰撞能力，從而降低傳遞給車內乘員的碰撞能量到最小。因此合理優(yōu)化車身結構，保證車身的抗撞性

4、和乘員的安全性，這是當前汽車設計師面臨的巨大挑戰(zhàn)1-3。單純依靠試驗來解決車身結構抗撞性的設計方法，難度比較大，費用高，而且周期長。運用有限元仿真和優(yōu)化相結合的方法，得到的信息多，分析問題準確有效， 費用低，時間比 較短。本文運用HyperWorks 軟件前后處理功能和其他求解器相結合的方法對自主品牌一汽 海馬汽車某款車的行李移動對乘客防護的問題進行了模擬分析，對行李撞擊防護裝置細節(jié)進行揭示，對行李防護裝置設計和座椅部件布置具有實際的指導意義1。本文對行李箱防護模擬包含兩部分：首先對行李箱移動撞擊防護裝置過程進行計算分析 并提出優(yōu)化方案，然后根據(jù)優(yōu)化方案再次進行有限元仿真，驗證優(yōu)化結果的可行性

5、。2基本理論車身結構碰撞是一個動態(tài)的大位移和大變形的瞬態(tài)接觸過程，碰撞過程受到接觸和沖擊載荷的影響，碰撞系統(tǒng)具有大應變、大轉動和大位移為特征的幾何非線性，以接觸摩擦為特征的接觸非線性和以材料彈塑性變形為典型特征的材料非線性的多重非線性特點。因此，碰撞計算仿真涉及一個未知邊界條件的偏微分方程的求解，包含連續(xù)介質的質量守恒、動量守恒和能量守恒，整個運動系統(tǒng)滿足以下各項條件：運動方程在有限元模型中每一個節(jié)點位置和時間的關系表達式為X = X(X,t)在t = 0時，初始位置為X( M ,0)=立 ?Xi ( Xa ,0) = Vi Xa其中，X為初始時刻的質點坐標，t為質點運動的時間，vi(i =

6、1,2,3 )為質點的初始速度。動量守恒方程? (Tij-+ P ?fi = P ? X?才 式中o-ij為Cauchy應力；f i (i = 1,2,3 )為單位質量體積力；x為質點加速度。質量守恒方程p = J po式中，p為當前質量密度，po為初始質量密度，J為密度變化系數(shù)。面力邊界條件：?師 ni = T(t)式中n(i = 1,2,3 )為？b邊界單元的單位法向量，T(i = 1,2,3)為面力載荷。位移邊界條件：?b2 才(X,t) = ki(t)式中，ki(t), i = 1,2,3是給定位移函數(shù)接觸內邊界條件：?b3( of -叼-)?n = 0當（為+ =才）接觸時沿接觸邊界

7、由上述各方程及邊界條件得到虛功原理的變分列式:8 =/x 8加+ ”必-JP?fi 8心-?小，靜=0其物理意義：作用在物體上的外力和內力的虛 功之和為零。3法規(guī)要求GB15083-2006汽車座椅、座椅固定裝置及頭枕強度是汽車被動安全的一個重要標準，是車輛公告試驗的強制檢查項目。標準中關于防止移動行李對乘員傷害有特殊要求，構成行李艙的座椅靠背和頭枕應具有足夠的強度以保護乘員不因行李的前移而受到傷害。試驗過程中座椅及其鎖止裝置需保持在原位置，試驗期間允許座椅靠背及其緊固件變形，條件是隔離裝置部分（包括試驗的座椅靠背和頭枕）邵爾（A）硬度大于50部分的前輪廓不能向前方移出一橫向垂面，此平面經過2

8、:a）座椅的R直前方150mm處的點（對頭枕部分），如圖 1所示B面線；b）座椅的R點前方100mm處得點（座椅靠背部分），如圖1所示A面線。圖1試驗邊界條件圖2試驗樣塊布置3.1 試驗條件3.1.1 試驗樣塊試驗樣塊，使用2塊剛性試驗樣塊代替行李箱，要求其慣性中心與幾何中心重合。尺寸 均為：300mme 300mme 300mm; 一切邊棱倒圓角均為 20mm ;質量為：18kg。3.1.2 試驗樣塊布置將試驗樣塊放置在行李艙底部， 其前部與構成行李艙邊界的車輛部件接觸，然后沿平行于車輛的縱向中心方向將其向后移動， 直至其質心移動200mm的水平距離（如圖1所示）。 車輛縱向中心面與各試驗樣

9、塊內側邊緣的距離應該為25mm,以使兩樣塊之間有 50mm的距離（如圖2所示）。3.1.3 試驗方法將車體固定在試驗臺車上。車體裝在臺車上的連接方式不應對座椅靠背和隔離系統(tǒng)有所加強。按照2.2.2的方式放置試驗樣塊，對乘員車體進行減速，法 規(guī)對減速度波形上下限有嚴格要求，本文為了模擬最苛刻的減速度工況，采用 減速度斜率最大的減速方式（如圖 3所示）。減速前，乘員車體的自由速度為50+2km/ h。曲仲曲0 mTivm 困D S 5 一aJLjcHlHJIla9U04圖3減速度曲線4有限元模型的建立4.1網(wǎng)格劃分為了節(jié)省建模時間和提高建模效率，去除轉向系 統(tǒng)、動力系統(tǒng)、前排座椅和底盤等對行李位移

10、防護影 響微弱的總成，并根據(jù)法規(guī)將邵爾（A）硬度小于 50的坐墊、頭枕等泡棉撤除3,僅保留后排座椅和后白車身兩大系統(tǒng)總成。為了能夠精準模擬行李位移沖擊 乘客防護裝置的細節(jié)，建模過程中，盡量保留幾何特 征（如圖4）。白車身內部結構復雜，零部件繁多，全部采用 抽取中面畫殼單元面網(wǎng)格的方法處理，面網(wǎng)格尺寸 按10mm的標準劃分，以保證零部件幾何特征得到 精確再現(xiàn)，對座椅安裝支架、座椅骨架和頭枕骨架 等局部強度計算，采用5mm的尺寸標準（如圖5）。 網(wǎng)格劃分完以后對零部件進行材料和厚度屬性的賦予，檢查網(wǎng)格干涉、穿透，然后根據(jù)焊點位置打焊點，做連接。整個 FE模型總共由294060個節(jié)點， 266177

11、 個殼單元，2149個焊點單元和 2576個膠 粘等體單元組成。4.2材料條件圖5后白車身內行李位移重點關注對后排座椅的沖擊過程, 后排座椅是關鍵考察對象，具體材料和厚度本構關系，屈服條件考慮材料的應變率。如圖6所示，材料模型使用 Cowper-Symonds圖6后白車身內部面網(wǎng)圖7減速度方向4.3邊界條件根據(jù)GB15083-2006 的試驗要求，約束車身 Y和Z方向的平動和 X、Y和Z方向的轉 動放開X方向（即整車的前進方向）的平動自由度。對車身進行減速度加載，按圖3的減速度和時間曲線加載，加載方向如圖 7所示。完成以上相關參數(shù)設定后，從HyperMesh軟件中導出包含所有參數(shù)信息的FE模型

12、的k文件，提交到服務器上，應用求解器進行計算。5計算結果及優(yōu)化圖8初次仿真變形結果圖5.1仿真結果分析根據(jù)計算結果顯示（如圖 8）,車輛減速過程中， 行李向前移動撞擊后排座椅，后排座椅變形較為嚴 重，所以重點考察座椅的變形情況。從圖 9和圖10 中可知，座椅頭枕侵入量超過 R點前方150mm的參 考平面，最大值為：-63mm102.5ms ;座椅骨架侵 入量超過R點前方100mm參考平面，最大值為： -12.2mm107.5ms ,未能達到法規(guī)要求。座椅的安裝支架強度不足，變形扭通過分析行李撞擊防護裝置過程，從圖8可以看1曲嚴重，導致座椅底部前傾，帶動座椅骨架和頭枕骨架向前方移動，移動數(shù)值均超

13、過法規(guī)要求的界限。說明該行李移動防護裝置方案對乘員保護性能不足。表1初次仿真座椅及固定點塑性變形零部件座椅骨架座椅連接支架座椅安裝地板塑性變形目標30%30%15%最大塑性應變32%9.5%3.1%150m(EE) KUBISaXQs頭枕骨架最大位移 座椅It消最大付移Min. -62.9000.10255000000O1TO 4540S5州252015105OB12圖9初次仿真座椅靠背骨架和頭枕骨架向前位移圖圖10測量目標到基準平面的位移量i.Q63E-02L307E-Q2C-nnLour PlptLiractiR/fi plaslic： stram(bcalar unlu%Sirrifjl

14、e Avtiygei No rccutl Mak - X nmE： Mode 1D1-2&2G Min = n nnnF i-m Mode 101S1911|_51-1nlUB-r崎h il MLLLMLUIk!LIJMt JO , L * 他耳后呢 ：QUhnlQur PIh1=111nMM& fI3i亡 lrar(aarii；lua hlatcj刈1-2 4W =-D1kk2T=11-1 7Ri-ni卜的二illjff1-1 Oft?刈-3.5&3=-02 -nirn=i0 Nd rasuH M?s 口 三式EE01 LUzhldsl I MHI=IJ圖11初次仿真座椅及固定點塑性變形接支

15、架的最大塑性變形為由圖11和表1可知，座椅骨架最大塑性變形為32%超過最大塑性變形目標；座椅連9.5%,在變性目標范圍內；車身安裝點的最大塑性變形目標為3.1%,符合工程設計目標要求。5.2 優(yōu)化方案由5.1的分析結果座椅頭枕骨架和座椅靠背骨架移動量均超過了GB15083-2006法規(guī)的要求。通過對比圖 4和圖8行李移動前后防護裝置的變化圖，從座椅骨架及其安裝支架變形模式可以看出，座椅骨架前傾量較大主要原因為座椅安裝支架強度不足變形較大如圖8紅圈標示。因此，需要對座椅安裝支架進行優(yōu)化，具體優(yōu)化方案如表2所示。其中，前排左右支架均與地板支架用兩個螺栓連接，后排左右支架分別通過兩個螺栓與座椅固定。

16、5.3 優(yōu)化結果分析如圖12所示，優(yōu)化后座椅頭枕骨架向前移動未超過R點前方150mm的參考平面，座椅靠背骨架向前移動未超過R點前方90mm參考平面，達到法規(guī)要求。頭枕骨架距離基準平面的距離為183mm95ms ,座椅靠背骨架距離其基準平面的最小距離為 108.4mm80ms ,安全裕度值較大（如圖13）。從圖12和表3中得到，優(yōu)化后座椅骨架最大塑性變形為 26% ,座椅連接支架最大塑性變形為12.7% ,座椅支架地板安裝點最大塑性變形為3.1%,以上最大塑性應變均在工程設計目標范圍內，優(yōu)化方案符合設計要求。圖12優(yōu)化后座椅靠背骨架圖13優(yōu)化后測量目標和頭枕骨架向前位移圖到基準平面的位移量表3優(yōu)

17、化后座椅及固定點塑性變形零部件座椅骨架座椅連接支架座椅安裝地板塑性應變目標30%30%15%最大塑性應變26%12.7%3.1%Urfq. Fl.EITaci/FtBi lafXSuLar q aIuat泗2 用CEOS11血血|r-6A25EC0 IL? ai13EU19.LKGED2a.4xSE-D2，工MED2 EHlE-n?I -4.224匚 D2I-2.616E-D2I UXHE-rQLn rmF-rri hn rRiill工Max - 1 JG?L 01ELEENT_SHELL d104Mi Mm = U LUjI=HJJEUEr/ENT SHELL 41Q4劃二I indrifl

18、AKOynamc Man. VoIjc - D. 127EU&MEnn SHELL 4103ZEB3圖14優(yōu)化、后座椅及固定點塑性變形6總結本文通過HyperWorks 和仿真平臺對研發(fā)過程中海馬某款車的行李移動撞擊防護裝置 過程進行模擬分析，并針對分析過程中存在影響乘員生存空間的問題提出優(yōu)化措施。優(yōu)化結果符合GB15083-2006 法規(guī)要求，能夠將汽車急停時行李移動沖擊乘員安全問題隱患扼制 在研發(fā)初期階段。大大降低了研發(fā)周期，減少重復性的試驗費用，具有指導意義。7參考文獻1 胡玉梅.汽車正面碰撞設計分析技術及應用研究.重慶大學博士學位論文，2002.9.2胡遠志，曾必強，謝書港.給予HyperWorks的汽車安全仿真分析.北京：清華大學出版社, 2011.3彭昌坤.汽車車身結構正面碰撞仿真分析.中國農業(yè)大學碩士學位論文，2007.4GB15083-2006 汽車座椅、座椅固定裝置及頭枕強度要求和試驗方法，2006.