分享：基于热成形钢的白车身正碰性能模拟与评价
运动型汽车随着我国经济的快速发展，汽车保有量迅速增长，安全、节能、环保一直是汽车行业的3个重要课题[1−7]。随着环保法规要求越来越严格，白车身轻量化能够解决环保和节能的问题[8−13]。而轻量化的同时，车身的被动安全问题越来越受到人们的关注，在新车型的开发过程中，车身结构的碰撞性能分析成为研究热点[14−19]。
本文以PHS1800热成形钢轻量化材料为例，实验研究其在不同应变速率条件下的高速拉伸曲线，然后建立热成形钢碰撞卡片，依据汽车碰撞安全法规，以LS-DYNA为求解器进行了车身正面碰撞的模拟和分析，得到车身结构的耐撞性结果。
1. 实验材料及方法
实验材料为PHS1800热成形钢，厚度为1.4 mm，实验参照标准见表1，通过材料的准静态和高速拉伸实验，获得8个应变速率（0.001，0.01，0.1，1，10，100，500和1000 s−1）的工程应力–工程应变曲线数据，见图1（a）。将工程应力–工程应变曲线进行数据处理，并采用Swift‒Hockett‒Sherby模型对材料的不同应变速率曲线进行拟合外推，得到塑性应变外推到1的真实应力–塑性应变曲线，见图1（b）。图1（b）中可以明显看出，PHS1800具有明显的应变率效应，随着应变率增加，材料的应变呈增加的趋势。
利用LS-PrePost制作材料卡片，材料类型为MAT_24，输入PHS1800热成形钢的密度、弹性模量、泊松比等材料参数，并将不同应变速率的真实应力-塑性应变曲线导入LS-PrePost，制成PHS1800热成形钢碰撞材料卡片。通过LS-DYNA软件建立仿真模型对标，验证实验数据外推有效性，确保材料卡片准确性。
2. 有限元模型建立
图2为新车型的三维数模，将原模型中的部分先进高强钢用PHS1800热成形钢进行替代，厚度从1.6降为1.4 mm。在Hypermesh软件中建立有限元模型，包括网格的划分、创建白车身零部件对应的材料和属性，建立完成部件之间的接触和约束关系等。依据《C-NCAP管理规则》中现行国内外法规与相关实验要求的标准工况进行正面碰撞工况分析。
正面碰撞分析重点考察白车身零部件的碰撞吸能特性，故将底盘件进行简化处理，采用质量点单元进行配重，均匀分布在地板上，建立无限大的刚性墙来模拟地面。
为防止碰撞过程中白车身各部件发生穿透，将所有零部件定义一个单面接触*contact_automatic_single_surface，静动摩擦系数均定义为0.2。实验车与可变形壁障之间定义面面接触*contact_automatic_surface_to_surface，静动摩擦系数均定义为0.2。车体速度为50 km/h，刚性墙法向为坐标系x轴正向。仿真中车体速度方向为整车坐标系x轴负方向，刚性墙固定不动。轮胎与接触的刚性地面采用车辆实车半载地面线高度。
3. 结果与讨论
计算过程中选择整车模型作为计算对象（图3），模拟整车与刚性墙发生碰撞过程中白车身所受到的伤害程度，设定正面碰撞考察对象：A柱侵入量分析、前围板腿部部位防火板以及B柱下端加速度。
3.1 能量分析
图4给出了整车碰撞的分析结果，白车身结构在整车中的碰撞效果如图4（a）所示，从图4（a）可以看出经过正面碰撞后，其驾驶舱部位保存较为完好，前舱变形相对严重，在这个过程中白车身前舱防撞梁、吸能盒及前舱中的发动机变速箱等吸收大量能量，确保了乘员安全性。
正碰过程中的动能、内能、沙漏能和总能量曲线如图4（b）所示。从图4（b）可知，沙漏能占比均远小于5%，说明计算结果真实可信。在碰撞过程中，满足能量守恒定律，白车身零部件系统的动能与内能相互转化，沙漏能的变化较小。
3.2 A柱入侵量
A柱入侵量测点示意图如图5（a）所示，选择碰撞左侧A柱上的点作为测点，以B柱上相应位置作为参考对象，测量A柱侵入量。A柱各时刻的最大变形云图见图5（b），最终变形云图见图5（c）所示。
入侵量曲线如图6所示，在正面碰撞过程中A柱随着时间推移开始入侵乘员舱，并在0.049 s时入侵量达到最大值，随后车身的动能减小，系统的动能很大一部分转化为势能，因而结构的回弹力大于碰撞的力，A柱入侵量减小，在0.08 s时入侵量仅有不到0.3 mm。
A柱优化前后入侵量见表2，对比原白车身与优化的白车身，可以看出应用了PHS1800热成形钢后的白车身在正碰工况下A柱侵入表现更加优良，优化前最大入侵量为5.93 mm，优化后的入侵量为5.44 mm，入侵量降低了8.26%。
3.3 前围板入侵量
在正面碰撞过程中，前围板保护前排驾驶员与乘客的腿部，因此前围板入侵量是衡量白车身正碰被动安全性能的重要指标，计算中前围板考察点如图7（a）所示，对应驾驶员腿部及足部区域。在正碰过程中前围板将入侵至驾驶舱内，挤压乘坐人员的腿部空间，通过有限元分析可得出当时间为0.049 s时前围板入侵量达到最大值，随后零件在内应力等力的作用下开始回弹，前围板的最大变形云图和最终变形云图见图7。
正碰过程中的前围板入侵量曲线如图8所示，其中图8（a）为原车型入侵量曲线，8（b）为优化材料后白车身入侵曲线。可以看出用PHS1800热成形钢替换部分先进高强钢后，车型对应驾驶员腿部、脚上部及脚下部的前围板部分侵入量有所降低，降幅分别为6.10%、5.87%、5.25%，优化前后前围板入侵量见表3。因此使用热成形钢后的白车身具备更好的碰撞安全性。
3.4 B柱下方加速度
B柱正面碰撞加速度考察点位置如图9（a）所示，选取B柱下方的某个点作为整车加速度计算点，这是因为在正碰过程中B柱下方是整车中结构完整性最好的部位，变形量较小，可以充分地反映出整车的加速度变化情况。
B柱加速度曲线如图9（b）所示，在正面碰撞过程中原车身最大加速度为51.6 mm/s2，优化后白车身为50.4 mm/s2，加速度下降了2.38%，表明替换为热成形钢后碰撞性能得到提升。
4. 结束语
1）实验中获得了不同速率的应力应变曲线，为碰撞分析提供准确的数据支持。同时，应用LS-DYNA软件能够很好地预测新车型的正面碰撞性能。
2）PHS1800热成形钢替代后的白车身在正碰工况下A柱侵入表现更加优良，入侵量降低了8.26%。
3）优化后的车型对应驾驶员腿部、脚上部及脚下部的前围板部分入侵量降幅分别为6.10%、5.87%、5.25%，表明热成形钢具有能够明显的提升车身正面碰撞性能。
4）优化后正面碰撞过程中B柱加速度下降了2.38%，表明替换为热成形钢后碰撞性能得到提升。
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文章来源——金属世界