在某轿车侧面碰撞对标分析中RADIOSS的应用

　1 引言

　　整车安全性能是反映汽车设计水平的重要性能指标之一，也是影响消费心理的关键因素。随着CAE软件及高性能并行计算硬件资源的不断提升，碰撞安全CAE仿真分析贯穿于概念设计阶段、工程详细设计阶段，及开发性试验问题解决阶段等整车开发流程，发挥着越来越重要的作用。其中，在概念设计阶段，针对标杆车的对标分析(Benchmarking)不但是设定整车安全性开发目标、确定VTS、SSTS指标、完成结构耐撞性指标分解的关键环节，而且可以通过标杆车试验与仿真分析结果的相关性研究，验证整车碰撞分析有限元模型的精度及建模方法。本文拟建立概念分析阶段的CAE流程，以侧面碰撞分析有限元模型对标分析为例，给出较为详细的对标过程，验证模型的有效性，为后续工程详细设计阶段的侧面碰撞性能开发提供对标过程，验证模型的有效性，为后续工程详细设计阶段的侧面碰撞性能开发提供高精度的仿真分析模型。

　　2 CAE对标流程

　　本文制定了概念设计阶段的CAE工作流程，主要包括对标和定标两个关键环节。建立初版整车碰撞模型后，选取对标分析工况，根据被选定对标工况的试验结果，开展整车碰撞模型的相关性研究(FE Model correlation)，当满足对标要求后，再实施新车型的定标流程，详细过程如图1所示。

　　图1 概念分析阶段CAE流程

　　美国公路安全保险协会(IIHS)是美国的两大NCAP机构之一，以优秀(Good)、良好(Acceptable)、及格(Marginal)和差(Poor)四个级别分级评定，为消费者提供权威的汽车安全信息，其测试结果直接与车辆保险费率挂钩，堪称是世界上最权威、标准最严格的第三方安全测试机构。本文根据标杆车侧碰试验数据掌握情况，选取IIHS的侧面碰撞工况开展标杆车侧面碰撞CAE模型的对标工作。

　　3 整车建模及对标工况设定

　　3.1 整车模型搭建

　　基于HyperMesh前处理平台，对白车身(BiW)、四门两盖、前/后副车架、动力总成、悬架及轮胎系统、IP横梁及仪表板，前/后排座椅骨架，左侧车门附件及门内饰等系统及零部件进行了网格划分，并按照BOM设定料厚及材料属性。

　　其中，对B柱，门槛梁，顶盖横梁及上边梁，座椅横梁，侧门防撞杠等影响车体侧面结构耐撞性的关键零部件使用了QEPH单元类型，厚度方向5个积分点。

　　在HyperCrash中读入连接信息，搭建整车碰撞模型，单元总数为1,617,538，其中Spring单元6868，Beam单元712，Shell单元1,239,104(三角形单元比例为4.4%)，Solid单元370,854。

　　3.2 侧面碰撞仿真分析工况设定

　　基于HyperCrash[2]，按照IIHS侧面碰撞工况要求，对整车碰撞模型进行信息确认，完成相关设定(见表1)，整车侧碰分析CAE模型如图2所示。

　　表1 侧面碰撞仿真分析工况设定步骤

　　图2 整车侧面碰撞CAE模型

　　4 CAE分析结果及试验对比

　　采用RADIOSS显式求解器进行仿真计算，从车身整体变形模式、壁障变形模式、车门防撞梁变形模式、B柱变形模式及关键位置变形量、车身侧面外板Y向变形轮廓曲线等方面，进行仿真分析与IIHS试验结果的相关性研究。

　　图3给出了车身侧面的整体变形模式。从图3可以看出，在车身的风窗立柱中部，门槛梁中部，后侧门中部及后上角等主要变形部位，试验与仿真结果吻合较好。

　　图3 侧面整体变形模式对比

　　图4给出了碰撞后IIHS试验壁障与仿真壁障的变形结果，壁障上部的变形主要发生在右上角，上部其余位置没有明显变形，试验与仿真吻合较好。

　　图4 壁障变形模式对比

　　图5给出了前、后侧门防撞梁，前、后侧门腰线加强板等侧面结构的变形轮廓，试验与仿真结果吻合较好。

　　图5 侧面结构件变形轮廓对比

　　B柱变形模式的对比结果如图6所示，碰撞侧的B柱整体变形模式与试验吻合很好，上部与中部有两个轻微的Buckling，B柱下部有较大程度弯折。从图7可以清晰的看出，B柱侵入变形剖视图轮廓的试验和仿真结果吻合度很高。本文按照IIHS测试报告给出的B柱内板中部测点位置(见图8a)，通过后处理平台，在仿真模型相同位置(见图8b)提取出了Y向动态侵入量，表2列出了上述两个关键测点的侵入量对比情况(因有限元模型中未包括测点5所在零件，故此点未作比较)，仿真结果的动态侵入量与实测点的静态侵入量比值(动静比)分别为1.08和1.15，对于IIHS侧面碰撞工况，动静比范围一般为1.05-1.2，因此本文认为该项分析结果与试验结果吻合程度较高，进一步验证了有限元模型的精度。

　　图6 B柱整体变形模式对比

　　图7 B柱变形轮廓剖视图

　　图8 B柱关键位置Y向变形量对比

　　表2 B柱关键测点Y向变形量

　　图9给出了车身侧面外板的侵入量轮廓曲线。测点位置如图9a所示，门槛外侧最下位置为Sill 0基线，沿Z向向上依次为Sill1~Sill6(沿X方向取19-23个测点)，最上端为Roof7(23个测点)。车身外侧面板中部侵入轮廓(Sill 3，Sill4)仿真曲线与试验吻合，下部(Sill1，Sill2)比试验之稍大，上部(Sill5，Sill6)比试验稍小，但轮廓曲线的趋势一致。可通过在模型中引入侧碰假人，添加中央通道上的副仪表板及其加强支架，来进一步提高模型精度。

　　5 结论

　　本文建立了包括对标和定标两个关键环节的整车碰撞安全概念分析阶段的CAE流程，以侧面碰撞有限元模型对标分析为例，给出了模型对标步骤，并基于IIHS试验数据，从车身整体变形模式、壁障变形模式、车门防撞梁变形模式、B柱变形模式及关键位置变形量、车身侧面外板Y向变形轮廓曲线等诸多方面，对侧面碰撞分析有限元模型进行了较为全面的校验，试验与仿真结果吻合度较高，为基于该轿车平台的新车型开发工作奠定了一定的基础。

　　需要指出的是，侧面碰撞对标分析仅是校验整车碰撞模型的部分工作，100%正面刚性墙及40%偏置碰撞模型的标定步骤及结构耐撞性参数将更为繁多，尤其是前副车架在碰撞过程中是否考虑设置失效，何时设置失效，均需要充足的对标实验数据支持，本文限于篇幅并未提及。