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[其他] 基于有限元碰撞分析的柱饰板结构优化

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发表于 2015-10-24 21:56:59 | 显示全部楼层 |阅读模式

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基于有限元碰撞分析的柱饰板结构优化

基于有限元碰撞分析的柱饰板结构优化

        图1 立柱上饰板碰撞点

        本文主要论述了在汽车内饰的头部碰撞区域零件设计时的要求和准则,以A柱饰板为研究对象,通过将碰撞有限元理论引入到优化设计中,得到了有效的柱饰板优化设计方案。
        在汽车交通事故中,乘员头部撞击内饰件引起的伤害被视为主要伤害,为降低这种伤害,美国汽车联邦协会制订了关于头部保护的安全法规FMVSS201。此法规针对于头部保护规范了内饰上部零件的设计要求,这些零件包括A、B、C柱和顶饰板等,其中乘员在交通事故中频繁撞击的A柱的安全性设计尤为重要。目前研究汽车碰撞普遍采用的方法为试验方法和计算机仿真法。试验方法存在周期长、费用高、重复性差以及采集的数据少等缺点,而计算机仿真相对于试验方法具有费用低、周期短、重复性好而且结果信息全等优点。通过碰撞仿真分析,可以在短期内完成多次改进,为真车碰撞试验提供充分的技术准备。本文以汽车内饰A柱为研究对象,利用碰撞有限元技术指导A柱结构优化。
        柱饰板结构优化方法
        1.碰撞有限元优化设计现状
        汽车正面碰撞时,头部撞击属于薄壁塑料件和钣金件的压塌、失稳、撕裂以及弯曲失效等非线性大变形吸能过程,这种结构在计算时需要同时考虑材料类型、几何形状、接触方式和摩擦因数等多种非线性因素的影响,运动方程式的建立和求解十分复杂。
       

基于有限元碰撞分析的柱饰板结构优化

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        一些学者在碰撞有限元建模及应用方面开展了一些研究,欧盟第四框架计划项目建立了HUMOS有限元模型,丰田汽车研究中心建立的人体有限元模型,还有杨济匡等建立的基于人体解剖学结构的头颈部三维有限元模型,这些模型都可以应用于CAE分析。徐申明等利用有限元分析进行了前保险杠、发动机罩等结构的参数优化,高云凯等研究了轿车前舱件的结构并利用有限元技术进行了优化,雷刚等建立了整车的有限元模型,对整车模型进行了正面碰撞仿真分析。以上研究多为汽车前部碰撞,其碰撞危害多来于车身变形对人的挤压危害,而对于高关注度头部碰撞区吸能件的优化设计研究甚少,且以上研究的优化设计多集中在某个具体参数的变化,具有一定的研究意义,但仍缺乏应用价值。本文基于此展开研究,通过建立头部碰撞区的有限元模型,对不同优化方案进行了有限元分析,得到了最佳优化模型并给出了此区域吸能件的设计准则。
        2.柱饰板设计准则
        上饰板A、B、C柱的设计要充分考虑其头部碰撞吸能设计能力,尤其是如图1 所示的立柱上饰板的碰撞区。吸能的原理是当头部受到撞击时,缓冲空间和吸能结构能部分吸收碰撞动能,使乘员不受致命伤害,吸能设计可以通过三种有效的方法来实现。
       

基于有限元碰撞分析的柱饰板结构优化

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        (1)通过A柱B面(产品的结构面)和钣金之间预留合适的安全距离来延长冲击时间,以达到缓冲作用,在设计布置时需要保证B面和钣金之间有一定距离,保证碰撞时A柱溃缩吸能。
        (2)在A柱B面和钣金之间可以设计吸能筋或者吸能支架。吸能筋的布置要充分考虑模具的制造可行性以及产品的外观质量。筋不宜布置的太高或者太密,否则会导致脱模困难,从而导致零件变形。
        (3)通过更改A面(产品的外观面)形状,选择合理的撞击点,增大安全距离,来改变冲击时间以达到缓冲作用。
       

基于有限元碰撞分析的柱饰板结构优化

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        基于Primer9.3的碰撞有限元模型创建
        1.模型的建立
        本模型应用有限元前处理软件Hypermesh8.0进行网格化前处理,应用Primer9.3建立碰撞有限元模型。
        (1) 使用侧面碰撞的BIW或正面碰撞的BIW,将撞击区域附近的网格局部细化。
        (2) 按照FMVSS201标准的要求,将侧门去掉,车窗打开,AGL调到中间位置。
        (3)建立立柱、顶饰、把手、密封条、气帘及遮阳板等内饰件的模型,并按照实际安装状态与BIW连接。材料属性的对仿真结果影响很大,模型的材料属性设置和实际应用中保持一致。
       

基于有限元碰撞分析的柱饰板结构优化

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        ①建立HeadForm的有限元模型。
        ②将BIW的rocker根据实际使用工况进行约束,并建立与整车的接触。创建完后的模型如图2所示。
        2.Headform的定位与摆放
        按照法规FMVSS201的要求作出确定目标点的坐标。整个头部碰撞区域的撞击目标点的位置如图3所示。表1是落在A柱和B柱上的撞击点位置。
       

基于有限元碰撞分析的柱饰板结构优化

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        确定单个目标点都有一定的撞击角度要求,将Headform的垂直角度调到最大后回转一定角度,确定好HeadForm的撞击姿态。图4为AP1的初始姿态。
       

基于有限元碰撞分析的柱饰板结构优化

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        3.模型的运算与结果处理
        本模型采用LS-DYNA970求解器求解,输出Headform的质心加速度曲线,用sae1000滤波后按照下面公式计算伤害值。
       

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        其中:aR为质心合成加速度,t1,t2为间距不超过36ms的任意两个时间点。
        结构优化实例
        以某车型A柱饰板优化过程为研究对象,产品A面结构及B面吸能筋结构如图5所示。
        初始产品设计方案,B面结构简单,布置少量支撑筋,筋的高度位10mm,间距为20mm,厚度1mm。按照上面所述步骤,将A柱局部网格细化,创建有限元模型进行分析,输出Headform的质心加速度曲线,根据公式1、公式2计算得知,AP2和AP3的HICd值分别为1256,1345超过1000,且加速度峰值较高,头部受到严重伤害,需要优化产品结构设计。
        改进产品设计,其中将筋的厚度改为1.2mm,高度改为16mm,令分布面积增大,将筋进行如图6所示网格状布局,得到改进方案1。同样按步骤进行碰撞有限元分析,得到结果Headform的质心加速度曲线及伤害值HICd,分析结果显示HICd值已经能控制在800~900,较之方案1有明显的改进,能够满足法规要求。
       

基于有限元碰撞分析的柱饰板结构优化

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        为了继续研究筋及形面的改进对产品碰撞性能的改进程度,将产品继续进行结构优化得到方案2,改进方案1中将筋布置的已经很密,继续改进的空间有限。改进方案2尝试优化产品A面形面来降低HICd。将产品的A面调整到如图7所示,通过改变A面结构进行,增大碰撞接触点和车身钣金的距离,来增大碰撞时从A柱到钣金的时间,同时距离增大有利于缓冲吸能。
        将改进方案2按步骤进行有限元建模仿真得到HICd为600以下,使得A柱的碰撞性能进一步得到改善。将三个方案输出的HeadForm的质心加速度曲线进行拟合,得到图8,图8为三个方案分析的加速度时间曲线,由图知改进方案2其加速度变化更加均匀,且峰值和均值均低于原始方案和改进方案1,表明改进方案HICd降低,具有很好的碰撞性能。
       

基于有限元碰撞分析的柱饰板结构优化

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        试验验证
        将经过有限元优化过的改进方案2进行物理试验,将Headform以设定的角度置于发射器上,并使其与内饰的第一接触点为目标点,进行发射。如图9所示,碰撞速度为12 Mile/h,碰撞后得到头部质心的加速度曲线。
        将碰撞试验的结果与之前的仿真结果进行对比,中表2为试验与模拟的HICd结果对比,图10和11分别为AP2和AP3点的试验和模拟加速度曲线的对比。对比结果显示,仿真结果和物理试验结果接近,误差基本能控制到8%~10% 区间内的表明仿真结果可信,能用于指导柱饰板优化设计。同时改进后的饰板很好地满足了法规要求。
        图10和图11是AP2、AP3两点的碰撞加速度物理试验和仿真对比结果,通过对比结果可知仿真结果和试验结果接近,误差均值控制到10%以内,仿真结果具备可信性。
        结语
        本文将碰撞有限元引入到柱饰板优化设计中,建立了有限元模型并进行分析,通过比较各方案输出的HeadForm质心加速度曲线,计算得到的伤害值及后续的物理试验结果和仿真结果,经过对比分析,我们认为仿真结果真实可信,可以用在解决头碰危害值预测中。前期应用仿真方案能大量减少物理试验量,降低零件开发成本和周期,能显著提高A柱饰板的安全性能指标。文中改进方案1和方案2为汽车柱饰板优化设计提供了切实可行的吸能方案,可以推广到其他柱饰板设计中,具有广泛的应用价值。
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