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1、Altair2015技术大会论文集汽车行李防护CAE仿真分析及优化The Luggage Retention Analysis and Optimize of Auto by CAE 王圣波李路才 （一汽海马汽车有限公司、海口、570216 ）摘要：本文根据汽车研发的需要，利用 HyperWorks平台搭建FE模型求解相结合 的有限元仿真技术，对一汽海马某款汽车行李箱防护进行仿真计算。根据撞击结果对防护装置的变形情况和关键部件的应力应变等细节进行分析，判断是否对乘员造成伤害。提出优化方案，并通过仿真结果，满足法规要求。为整个研发过程节省了大量的试验费用，缩短研发周期。关键字：HyperWork
2、s、有限元仿真、行李防护装置、优化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前言在现在汽车研发制造中，车身结构的被动碰撞安全性能一直是一个研究的重点。车身结构抗撞性研究主要注重于研究汽车车身结构对碰撞能量的吸收特性，寻求改善车身结构抗撞性的方法。在保护成员空间的前提下，最大限度提高车身变形吸收的碰撞能力，从而降低传递给车内乘员的碰撞能量到最小。因此合理优化车身结构，保证车身的抗撞性
4、和乘员的安全性，这是当前汽车设计师面临的巨大挑战1-3。单纯依靠试验来解决车身结构抗撞性的设计方法，难度比较大，费用高，而且周期长。运用有限元仿真和优化相结合的方法，得到的信息多，分析问题准确有效， 费用低，时间比 较短。本文运用HyperWorks 软件前后处理功能和其他求解器相结合的方法对自主品牌一汽 海马汽车某款车的行李移动对乘客防护的问题进行了模拟分析，对行李撞击防护装置细节进行揭示，对行李防护装置设计和座椅部件布置具有实际的指导意义1。本文对行李箱防护模拟包含两部分：首先对行李箱移动撞击防护装置过程进行计算分析 并提出优化方案，然后根据优化方案再次进行有限元仿真，验证优化结果的可行性
5、。2基本理论车身结构碰撞是一个动态的大位移和大变形的瞬态接触过程，碰撞过程受到接触和冲击载荷的影响，碰撞系统具有大应变、大转动和大位移为特征的几何非线性，以接触摩擦为特征的接触非线性和以材料弹塑性变形为典型特征的材料非线性的多重非线性特点。因此，碰撞计算仿真涉及一个未知边界条件的偏微分方程的求解，包含连续介质的质量守恒、动量守恒和能量守恒，整个运动系统满足以下各项条件：运动方程在有限元模型中每一个节点位置和时间的关系表达式为X = X(X,t)在t = 0时，初始位置为X( M ,0)=立 ?Xi ( Xa ,0) = Vi Xa其中，X为初始时刻的质点坐标，t为质点运动的时间，vi(i =
6、1,2,3 )为质点的初始速度。动量守恒方程? (Tij-+ P ?fi = P ? X?才 式中o-ij为Cauchy应力；f i (i = 1,2,3 )为单位质量体积力；x为质点加速度。质量守恒方程p = J po式中，p为当前质量密度，po为初始质量密度，J为密度变化系数。面力边界条件：?师 ni = T(t)式中n(i = 1,2,3 )为？b边界单元的单位法向量，T(i = 1,2,3)为面力载荷。位移边界条件：?b2 才(X,t) = ki(t)式中，ki(t), i = 1,2,3是给定位移函数接触内边界条件：?b3( of -叼-)?n = 0当（为+ =才）接触时沿接触边界
7、由上述各方程及边界条件得到虚功原理的变分列式:8 =/x 8加+ ”必-JP?fi 8心-?小，静=0其物理意义：作用在物体上的外力和内力的虚 功之和为零。3法规要求GB15083-2006汽车座椅、座椅固定装置及头枕强度是汽车被动安全的一个重要标准，是车辆公告试验的强制检查项目。标准中关于防止移动行李对乘员伤害有特殊要求，构成行李舱的座椅靠背和头枕应具有足够的强度以保护乘员不因行李的前移而受到伤害。试验过程中座椅及其锁止装置需保持在原位置，试验期间允许座椅靠背及其紧固件变形，条件是隔离装置部分（包括试验的座椅靠背和头枕）邵尔（A）硬度大于50部分的前轮廓不能向前方移出一横向垂面，此平面经过2
8、:a）座椅的R直前方150mm处的点（对头枕部分），如图 1所示B面线；b）座椅的R点前方100mm处得点（座椅靠背部分），如图1所示A面线。图1试验边界条件图2试验样块布置3.1 试验条件3.1.1 试验样块试验样块，使用2块刚性试验样块代替行李箱，要求其惯性中心与几何中心重合。尺寸 均为：300mme 300mme 300mm; 一切边棱倒圆角均为 20mm ;质量为：18kg。3.1.2 试验样块布置将试验样块放置在行李舱底部， 其前部与构成行李舱边界的车辆部件接触，然后沿平行于车辆的纵向中心方向将其向后移动， 直至其质心移动200mm的水平距离（如图1所示）。 车辆纵向中心面与各试验样
9、块内侧边缘的距离应该为25mm,以使两样块之间有 50mm的距离（如图2所示）。3.1.3 试验方法将车体固定在试验台车上。车体装在台车上的连接方式不应对座椅靠背和隔离系统有所加强。按照2.2.2的方式放置试验样块，对乘员车体进行减速，法 规对减速度波形上下限有严格要求，本文为了模拟最苛刻的减速度工况，采用 减速度斜率最大的减速方式（如图 3所示）。减速前，乘员车体的自由速度为50+2km/ h。曲仲曲0 mTivm 困D S 5 一aJLjcHlHJIla9U04图3减速度曲线4有限元模型的建立4.1网格划分为了节省建模时间和提高建模效率，去除转向系 统、动力系统、前排座椅和底盘等对行李位移
10、防护影 响微弱的总成，并根据法规将邵尔（A）硬度小于 50的坐垫、头枕等泡棉撤除3,仅保留后排座椅和后白车身两大系统总成。为了能够精准模拟行李位移冲击 乘客防护装置的细节，建模过程中，尽量保留几何特 征（如图4）。白车身内部结构复杂，零部件繁多，全部采用 抽取中面画壳单元面网格的方法处理，面网格尺寸 按10mm的标准划分，以保证零部件几何特征得到 精确再现，对座椅安装支架、座椅骨架和头枕骨架 等局部强度计算，采用5mm的尺寸标准（如图5）。 网格划分完以后对零部件进行材料和厚度属性的赋予，检查网格干涉、穿透，然后根据焊点位置打焊点，做连接。整个 FE模型总共由294060个节点， 266177
11、 个壳单元，2149个焊点单元和 2576个胶 粘等体单元组成。4.2材料条件图5后白车身内行李位移重点关注对后排座椅的冲击过程, 后排座椅是关键考察对象，具体材料和厚度本构关系，屈服条件考虑材料的应变率。如图6所示，材料模型使用 Cowper-Symonds图6后白车身内部面网图7减速度方向4.3边界条件根据GB15083-2006 的试验要求，约束车身 Y和Z方向的平动和 X、Y和Z方向的转 动放开X方向（即整车的前进方向）的平动自由度。对车身进行减速度加载，按图3的减速度和时间曲线加载，加载方向如图 7所示。完成以上相关参数设定后，从HyperMesh软件中导出包含所有参数信息的FE模型
12、的k文件，提交到服务器上，应用求解器进行计算。5计算结果及优化图8初次仿真变形结果图5.1仿真结果分析根据计算结果显示（如图 8）,车辆减速过程中， 行李向前移动撞击后排座椅，后排座椅变形较为严 重，所以重点考察座椅的变形情况。从图 9和图10 中可知，座椅头枕侵入量超过 R点前方150mm的参 考平面，最大值为：-63mm102.5ms ;座椅骨架侵 入量超过R点前方100mm参考平面，最大值为： -12.2mm107.5ms ,未能达到法规要求。座椅的安装支架强度不足，变形扭通过分析行李撞击防护装置过程，从图8可以看1曲严重，导致座椅底部前倾，带动座椅骨架和头枕骨架向前方移动，移动数值均超
13、过法规要求的界限。说明该行李移动防护装置方案对乘员保护性能不足。表1初次仿真座椅及固定点塑性变形零部件座椅骨架座椅连接支架座椅安装地板塑性变形目标30%30%15%最大塑性应变32%9.5%3.1%150m(EE) KUBISaXQs头枕骨架最大位移 座椅It消最大付移Min. -62.9000.10255000000O1TO 4540S5州252015105OB12图9初次仿真座椅靠背骨架和头枕骨架向前位移图图10测量目标到基准平面的位移量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图11初次仿真座椅及固定点塑性变形接支
15、架的最大塑性变形为由图11和表1可知，座椅骨架最大塑性变形为32%超过最大塑性变形目标；座椅连9.5%,在变性目标范围内；车身安装点的最大塑性变形目标为3.1%,符合工程设计目标要求。5.2 优化方案由5.1的分析结果座椅头枕骨架和座椅靠背骨架移动量均超过了GB15083-2006法规的要求。通过对比图 4和图8行李移动前后防护装置的变化图，从座椅骨架及其安装支架变形模式可以看出，座椅骨架前倾量较大主要原因为座椅安装支架强度不足变形较大如图8红圈标示。因此，需要对座椅安装支架进行优化，具体优化方案如表2所示。其中，前排左右支架均与地板支架用两个螺栓连接，后排左右支架分别通过两个螺栓与座椅固定。
16、5.3 优化结果分析如图12所示，优化后座椅头枕骨架向前移动未超过R点前方150mm的参考平面，座椅靠背骨架向前移动未超过R点前方90mm参考平面，达到法规要求。头枕骨架距离基准平面的距离为183mm95ms ,座椅靠背骨架距离其基准平面的最小距离为 108.4mm80ms ,安全裕度值较大（如图13）。从图12和表3中得到，优化后座椅骨架最大塑性变形为 26% ,座椅连接支架最大塑性变形为12.7% ,座椅支架地板安装点最大塑性变形为3.1%,以上最大塑性应变均在工程设计目标范围内，优化方案符合设计要求。图12优化后座椅靠背骨架图13优化后测量目标和头枕骨架向前位移图到基准平面的位移量表3优
17、化后座椅及固定点塑性变形零部件座椅骨架座椅连接支架座椅安装地板塑性应变目标30%30%15%最大塑性应变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划二I indrifl
18、AKOynamc Man. VoIjc - D. 127EU&MEnn SHELL 4103ZEB3图14优化、后座椅及固定点塑性变形6总结本文通过HyperWorks 和仿真平台对研发过程中海马某款车的行李移动撞击防护装置 过程进行模拟分析，并针对分析过程中存在影响乘员生存空间的问题提出优化措施。优化结果符合GB15083-2006 法规要求，能够将汽车急停时行李移动冲击乘员安全问题隐患扼制 在研发初期阶段。大大降低了研发周期，减少重复性的试验费用，具有指导意义。7参考文献1 胡玉梅.汽车正面碰撞设计分析技术及应用研究.重庆大学博士学位论文，2002.9.2胡远志，曾必强，谢书港.给予HyperWorks的汽车安全仿真分析.北京：清华大学出版社, 2011.3彭昌坤.汽车车身结构正面碰撞仿真分析.中国农业大学硕士学位论文，2007.4GB15083-2006 汽车座椅、座椅固定装置及头枕强度要求和试验方法，2006.