1　概述

　　本文研究的是上汽股份汽车工程院的一款改型车，因此需要进行碰撞安全性分析。本文通过有限元方法建模，采用了特殊的处理方法和技术，模拟整车碰撞过程，最后将分析结果与实验做对标分析，调整验算后的有限元模型对于整车结构安全校核提供了很好的优化工具。

　　2　理论

　　汽车碰撞是一个动态的大位移和大变形的过程，接触和高速冲击载荷影响碰撞的全过程，系统具有几何非线性和材料非线性等多重非线性。对于汽车碰撞过程的模拟计算需采用动态大变形非线性有限元法。

　　接触问题是汽车碰撞模拟计算中的一个重点。接触不仅发生在车与外界环境之间、汽车的各个部件之间，汽车的某个部件也可能发生碰撞。全自动接触分析是接触碰撞的技术突破，目前可求解40多种的接触问题。本文采用全自动接触中的对称罚函数法，该算法简单，很少激起网格的沙漏效应，没有噪声，动量守恒准确，不需要碰撞和释放条件。

　　此外，在汽车仿真碰撞计算问题中，接触碰撞界面的搜索和计算占用整个计算时间的1/4～1/3。本文根据改型前车型碰撞的实验结果合理地选择了接触搜索区域，提高了接触计算效率。

　　3　整车有限元模型

　　整车有限元模型分为三部分：车身、悬架、轮胎。车身有限元模型的建立在前处理软件

　　Hyper Mesh中完成，悬架和轮胎采用汽车仿真分析软件Virtual Proving Ground(VPG)中的模型，并根据汽车真实结构做相应的调整得到。

　　3.1　车身有限元模型的建立

　　对于做碰撞分析，网格的大小一般为10×10mm。在正碰过程中，A柱前部分的车身结构是变形吸收能量的主要部分，变形的模式极为复杂，而B柱之后的部分在碰撞过程中几乎不发生变形，故在车身的前部单元划分较密，B柱之后较稀。本文使用Hyper Mesh建立七座小客车车身模型，单元总数为374774。

　　整车装配焊接在MEDINA软件中完成，使用休斯—刘梁单元模拟车身焊点链接。这种焊接形式不需要两层焊接单元完全匹配，每两层板间的焊点都垂直对齐，同时用语句，*CDNTACT_TIED_SHELL_EDGE—T0_SURFACE_ID实现焊接单元与被焊部件的连接。焊接原理如图1所示。

　　总共焊接点个数为4236个，自动焊接成功个数为4219个，有17个焊接点失败，最终通过手动重新焊接。车身焊接点如图2所示。

　　3.2　悬架和轮胎有限元建模

　　七座小客车的麦弗逊式悬架在VPG软件中建模，根据实车结构对该悬架模型进行调整，修改各关键点的坐标，得到与真实惠架相一致的有限元模型，如图3所示。轮胎模型直接使用VPG中的有限元模型。将车身和悬架轮胎装配成整车有限元模型，如图4所示，单元总数为39.53万个。

图1 焊接原理图

图2 车身焊接图

图3 麦弗逊式悬架模型

图4 整车有限元模型

　　3.3　整车中的约束施加

　　为了真实模拟车身的实际连接关系，除了用焊点模拟各部件连接关系外，还采用了转动铰、外部连接点等连接方式对整车零部件间进行连接。

　　发动机罩板通过一个四连杆结构和车身相连接，其中发动机罩板和轮胎罩板各通过一个有旋转自由度的销钉和四连杆相连。本文中将四连杆机构简化成刚体，将其之间的运动和连接关系用转动铰来实现。车门和立柱的铰链铰接，也是通过转动铰来实现。

　　轮胎、悬架与副车架和车身的连接关系通过外部连接点来模拟，如图5所示。前悬架通过a和b点与车身前轮罩处相连，后悬架通过c和d点与车身后轮罩处相连，后悬架与地板在h和i点处相连接；转向机在g点与前围板相连；横向稳定杆在e和f点与副车架相连。

图5　悬架和轮胎的连接

　　3.4　质量点约束的施加

　　在整车有限元模型中整车整备质量对碰撞结果精确度的影响不容忽略，因此需要考虑前后座椅、备用轮胎、仪表盘和随车工具等的质量。本文以质量点的方式将这些质量加到整车有限元模型中，质量点的坐标分g，j按各自的质心位置创建，划、按实际质量施加，其通过节点刚体与白车身相连，如图6所示。

　　4　计算结果

　　本文采用美国正面碰撞法规(FMVSS 208法规)，设置汽车初始速度为11.39m/s，终止时间为l00ms，求解器采用软件LS-DYNA970；求得整车碰撞过程的变形仿真结果，并对照了七座小客车在清华大学汽车安全与节能国家重点实验室的碰撞实况。详细试验数据参阅相关文献。

图6　质量点约束的实现

图7　能量曲线图

　　图7为能量曲线图，从中看出：碰撞过程中动能减少而内能增加，总能量守恒；沙漏能控制得很好，远小于5%，模拟分析结果准确。

　　5　结论

　　通过本文的有限元建模处理方法，准确地模拟了整车碰撞过程，不仅减小了实车碰撞实验次数，降低成本，还为工程人员提供了结构安全优化的设计依据。