燃料電池車(chē)車(chē)架正面碰撞模擬試驗(yàn)分析

1、燃料電池車(chē)車(chē)架正面碰撞模擬試驗(yàn)分析*宗玉州1左曙光1王曉華2(1同濟(jì)大學(xué)汽車(chē)學(xué)院,上海200092(2上海燃料電池汽車(chē)動(dòng)力系統(tǒng)有限公司,上海201804An analysis on the front crash simulation test of a fuel cell car frameZONG Yu-zhou 1,ZUO Shu-guang 1,WANG Xiao-hua 2(1Automotive Engineering College of Tongji University ,Shanghai 200092,China (2Shanghai Fuel Cell vehicle P

2、owertrain Co.,Ltd ,Shanghai 201804,China 文章編號(hào):1001-3997(200810-0197-03【摘要】為了在碰撞事故中有效的保護(hù)乘客的生命安全,汽車(chē)的車(chē)架必須符合一定的要求。特別是前部車(chē)架必須能夠吸收一部分的能量,同時(shí)保證乘員能有足夠的生存空間。針對(duì)一款燃料電池小車(chē)的車(chē)架,利用Hypermesh 和Ls -Dyna 軟件,進(jìn)行正面碰撞的計(jì)算機(jī)仿真模擬,分析得到的計(jì)算結(jié)果,提出相應(yīng)的改進(jìn)方案,并對(duì)改動(dòng)前后的相關(guān)數(shù)據(jù)進(jìn)行比較和驗(yàn)證。關(guān)鍵詞:燃料電池車(chē)車(chē)架;正面碰撞;仿真;改進(jìn)【Abstract 】The design of car frame shou

3、ld follow some principles to protect the passengers efficientlyin the car accidents.Especially ,the front part of the car frame should be capable to absorb most of the crash energy ,and enough surviving space must be guaranteed for the passengers.It focuses on a front crash simulation test of a fuel

4、 car frame ,and analysis the results by using the Hypermesh and Ls-Dyna softwares.Then ,a primary improvement is suggested.Comparing the data with the previous one ,the ultima improve-ment is brought up and validated.Key words :Fuel cell car frame ;Front crash ;Simulation ;Improvement!*來(lái)稿日期:2007-12-

5、28*基金項(xiàng)目:國(guó)家863計(jì)劃電動(dòng)汽車(chē)重大專(zhuān)項(xiàng)資助(2005AA501000中圖分類(lèi)號(hào):TH16文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼:A1前言21世紀(jì),面對(duì)日益緊張的傳統(tǒng)石油能源供給,飛速飆升的原油價(jià)格,不斷惡化的大氣環(huán)境質(zhì)量和居高不下的汽車(chē)碰撞事故傷亡人數(shù),環(huán)保、節(jié)能和安全性已經(jīng)成為所有汽車(chē)廠商最關(guān)心的三大主題。燃料電池汽車(chē)已作為新世紀(jì)最有前途的產(chǎn)品,得到了全球性的關(guān)注。隨著人們對(duì)汽車(chē)安全性能的要求越來(lái)越高,燃料電池車(chē)的安全問(wèn)題也更加引起了大家的重視。燃料電池車(chē)由于車(chē)載氫氣燃料系統(tǒng)和電池系統(tǒng)的存在,就不可避免地會(huì)對(duì)車(chē)輛的動(dòng)力系統(tǒng)、總布置做了很多的改進(jìn),使其具有許多特有的安全性問(wèn)題。因此,非常有必要對(duì)其進(jìn)行碰撞安全性分

6、析。但由于現(xiàn)階段對(duì)燃料電池汽車(chē)的開(kāi)發(fā)僅為動(dòng)力系統(tǒng)的研究和在原型車(chē)上的總布置設(shè)計(jì),所裝的樣車(chē)還不能做實(shí)車(chē)碰撞試驗(yàn)。因此,本文是采用有限元法,通過(guò)計(jì)算機(jī)模擬分析燃料電池車(chē)車(chē)架的正面碰撞安全性。2正面碰撞安全法規(guī)目前,汽車(chē)被動(dòng)安全性法規(guī)有兩大體系;美國(guó)聯(lián)邦機(jī)動(dòng)車(chē)安全標(biāo)準(zhǔn)(FMVSS 和歐洲經(jīng)濟(jì)委員會(huì)標(biāo)準(zhǔn)(ECE 、歐洲經(jīng)濟(jì)共同體指令(EEC 。這兩種法規(guī)都制定了相應(yīng)的碰撞試驗(yàn)方法和評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)。美國(guó)在1986年率先頒布的FMVSS 208法規(guī)乘員碰撞保護(hù),統(tǒng)一規(guī)定車(chē)輛碰撞速度為48.3km/h ,固定障礙壁為剛性表面。正面碰撞試驗(yàn)以下面三種方式進(jìn)行:(1車(chē)輛縱軸線(xiàn)與障礙壁表面垂直。(2障礙壁前放置30的

7、楔形塊,碰撞時(shí)車(chē)輛左前端先接觸楔形塊。(3障礙壁前放置30的楔形塊,碰撞時(shí)車(chē)輛右前端先接觸楔形塊。文中的碰撞形式,采用車(chē)輛的縱軸線(xiàn)與障礙壁表面垂直,障礙壁為固定剛性平面,車(chē)輛的碰撞速度為50km/h 。測(cè)量B 柱減速度,用以代表乘員頭部減速度;測(cè)量前圍板的侵入量,衡量乘員的生存空間。3車(chē)架的計(jì)算模型的建立3.1車(chē)架有限元模型的建立首先,幾何模型的導(dǎo)入和清理,這里可以采用UG 或CATIA 軟件,這兩種軟件都是側(cè)重于幾何實(shí)體建模,在幾何實(shí)體建模方面功能強(qiáng)大,使用方便。采用的是CATIA 軟件。與一般靜態(tài)有限元分析不同,碰撞分析主要是計(jì)算結(jié)構(gòu)的變形,因此,建模時(shí)主要考慮的也是可變形部件。要求是,必

8、須準(zhǔn)確反映結(jié)構(gòu)的幾何特征,尤其注意保證曲面的正確過(guò)渡、面與面之間不出現(xiàn)裂縫等。建好車(chē)架的CATIA 模型(因?yàn)榉治龅能?chē)架是國(guó)家863電動(dòng)汽車(chē)重大專(zhuān)項(xiàng)燃料電池轎車(chē)項(xiàng)目中的一款車(chē)架,涉及到保密問(wèn)題,這里就不提供完整的車(chē)架結(jié)構(gòu)模型。導(dǎo)入Hypermesh 中,劃分單元網(wǎng)格,基本上都是采用殼體單Machinery Design &Manufacture 機(jī)械設(shè)計(jì)與制造第10期2008年10月197-元。因?yàn)?車(chē)架絕大部分都是由薄壁金屬件焊接而成的,殼單元最能描述薄壁金屬件的彎曲變形效應(yīng);另外,采用殼單元可以大大降低計(jì)算所需的時(shí)間,節(jié)省內(nèi)存。網(wǎng)格劃分的質(zhì)量好壞會(huì)很大程度上影響到有限元模型計(jì)算的精度和效率

9、。網(wǎng)格劃分一般的原則是:變形較大或可能失效的部位,網(wǎng)格密度應(yīng)較高,單元尺寸應(yīng)選的較小;變形較小或基本不變形的部位,網(wǎng)格可以較稀疏,單元尺寸可以選的較大。由于研究的是車(chē)架的碰撞特性,因而單元?jiǎng)澐衷瓌t上采用四邊形單元。但由于車(chē)架零部件結(jié)構(gòu)形狀非常復(fù)雜,單使用規(guī)則的四邊形單元會(huì)產(chǎn)生在邊界和結(jié)構(gòu)形狀突變處的單元過(guò)于狹小,長(zhǎng)寬比過(guò)大等問(wèn)題,所以在定義網(wǎng)格時(shí),允許在局部(非平面處使用內(nèi)角大于45的三角形單元。不過(guò),應(yīng)該盡量少用三角形單元,因?yàn)槿切螁卧壤^(guò)高,會(huì)導(dǎo)致模型的剛度偏高,而且會(huì)大大降低計(jì)算的速度。三角形單元比例為0.3%,遠(yuǎn)低于要求的10%。網(wǎng)格劃分還應(yīng)包括下列單元檢查和修改:(1消除重合節(jié)點(diǎn)

10、和重合單元。(2檢查自由邊和自由面,防止模型中含有裂縫。(3坐標(biāo)系統(tǒng)和單元連接檢查,以保證殼法線(xiàn)的一致。(4單元形狀的檢查,包括翹曲度、長(zhǎng)寬比、最大及最小內(nèi)角、滲透等。建立車(chē)架的有限元模型。建出的車(chē)架有限元模型,包括114154個(gè)節(jié)點(diǎn),111442個(gè)殼單元,1044個(gè)桿單元。3.2連接的模擬連接的模擬。在碰撞模擬中采用桿單元來(lái)模擬車(chē)身鈑金件之間的點(diǎn)焊連接。零件之間的螺栓連接其實(shí)也可以簡(jiǎn)化為桿單元連接的方式,因?yàn)槁菟ǖ氖П憩F(xiàn)為剪切和拉斷,只要定義此處焊點(diǎn)在這些方向上的失效就能代替螺栓連接。3.3材料模型汽車(chē)零部件所使用的材料多種多樣,在進(jìn)行碰撞仿真分析計(jì)算時(shí),賦予單元的材料模型應(yīng)與部件本身的材

11、料以及變形特性相對(duì)應(yīng)。車(chē)架材料采用的類(lèi)型是*MAT_PIECEWISE_LINEAR_ PLASTICITY。塑性曲線(xiàn),如圖1所示。圖1材料塑性曲線(xiàn)圖3.4接觸類(lèi)型在碰撞仿真計(jì)算中,碰撞接觸是需要事先定義好的。接觸形式可以分為三大類(lèi):節(jié)點(diǎn)對(duì)面的接觸、面對(duì)面的接觸以及單面自動(dòng)接觸。車(chē)架與剛性墻的接觸定義為面對(duì)面的接觸;車(chē)架內(nèi)部各零件間的接觸定義為單面自動(dòng)接觸,即采用的接觸類(lèi)型為*CON-TACT_AUTOMATIC_SINGLE_SURFACE。接觸參數(shù),如穿透厚度、懲罰系數(shù)、摩擦系數(shù)等的定義,則均通過(guò)多次模擬結(jié)果與試驗(yàn)數(shù)據(jù)對(duì)比獲得。4車(chē)架碰撞仿真結(jié)果分析和改進(jìn)在LsDyna中,進(jìn)行車(chē)架的正面碰

12、撞模擬,汽車(chē)的碰撞時(shí)間一般也就大概在0.1s左右。為了節(jié)省計(jì)算時(shí)間,分析了(00.08s 這段時(shí)間的碰撞情況(車(chē)架在0.08s時(shí)已經(jīng)發(fā)生回彈現(xiàn)象,已經(jīng)可以反映出車(chē)架的真實(shí)碰撞情況了。碰撞模擬結(jié)束時(shí),車(chē)架的VonMiss等效應(yīng)力分布云圖,如圖2所示。圖2改進(jìn)前的車(chē)架VonM iss等效應(yīng)力分布云圖縱梁發(fā)生折疊的A處應(yīng)力值最大,在465MPa左右,明顯超過(guò)了材料的許用應(yīng)力值,產(chǎn)生了塑性變形。前車(chē)架很多地方的應(yīng)力值都不是很大,在150MPa左右,沒(méi)有很好的起到緩沖吸能的作用。駕駛員座位下部的斜支撐梁,應(yīng)力值最大達(dá)到了300MPa,發(fā)生了塑性變形。該車(chē)碰撞主要吸能件的吸能空間較小,在碰撞的中后期已經(jīng)沒(méi)

13、有能力吸收碰撞沖擊能量,使得能量沿縱梁及其相關(guān)部件向車(chē)體中部、后部傳遞,其正面碰撞的耐撞性能令人十分不滿(mǎn)意。改進(jìn)方案:首先,A處已經(jīng)出現(xiàn)了彎折斷裂,導(dǎo)致前圍板的侵入乘員艙的量非常大,這會(huì)嚴(yán)重影響到乘員的生存空間,所以,后面的改進(jìn)時(shí),在A處特別添加了加強(qiáng)筋,如圖3所示。車(chē)架前部的零部件基本沒(méi)怎么發(fā)生壓縮變形,沒(méi)起到緩沖吸能的作用,這主要是因?yàn)榍皣逄帣M梁B的剛度太低,因此,改進(jìn)時(shí),在橫梁B 中間部位,加焊了一根支撐梁,如圖4所示。在乘員艙前部的地板下的斜支撐梁C處也發(fā)生了比較大的彎曲變形,這會(huì)影響到乘員的生存空間,改進(jìn)時(shí),也分別增加的一根支撐梁,如圖5所示。另外,前縱梁在碰撞中,最好能夠發(fā)生壓潰

14、變形,從而起到緩沖吸能的作用,但是,這里明顯沒(méi)有發(fā)生壓潰變形,后面的改進(jìn)時(shí),我在前縱梁的局部開(kāi)槽和挖孔,使它成為變截面梁,因而會(huì)比較容易產(chǎn)生壓潰變形,如圖6所示。圖3車(chē)架局部改進(jìn)圖圖4前圍板改進(jìn)圖AA支撐梁支撐梁B第10期宗玉州等:燃料電池車(chē)車(chē)架正面碰撞模擬試驗(yàn)分析* 198-圖5前艙地板支撐梁改進(jìn)圖圖6前縱梁改進(jìn)圖改進(jìn)后的車(chē)架Von Miss 等效應(yīng)力分布云圖,如圖7所示。圖7改進(jìn)后的車(chē)架Von-M iss 等效應(yīng)力分布云圖從圖7可以看出,車(chē)架前部的應(yīng)力值已經(jīng)變的很大,在300MPa 左右,很好的起到了緩沖吸能的作用。乘員艙前部地板下縱梁處的應(yīng)力值大大減小了,只有180MPa 左右了,還在彈

15、性變形范圍內(nèi)。整個(gè)乘座艙的應(yīng)力值很小,基本在150MPa 左右,因而乘座艙的變形變的很小。只有一小部分的碰撞能量沿縱梁傳到了車(chē)架的后部。從整體車(chē)架來(lái)看,能量的分布非常合理,絕大部分的碰撞能量被車(chē)架的前部所吸收,車(chē)架的碰撞安全性大大提高了。車(chē)架前部的變形已經(jīng)很理想,雖然前縱梁很大部分還只是彎曲變形,但是前縱梁前端完全發(fā)生了壓潰變形,這樣緩沖吸收的能量大大增加。改進(jìn)后,前圍板的侵入乘員艙的量也變的很小,會(huì)大大保證乘員的生存空間。為證明這點(diǎn),可以在車(chē)架的前圍板和后圍板上各取一點(diǎn),在Ls-Prepost 軟件中追蹤這兩點(diǎn)的距離的變化,如圖8所示,如圖9所示。圖8改進(jìn)前乘員艙前后兩點(diǎn)距離變化圖圖9改進(jìn)后的乘員艙前后兩點(diǎn)距離變化圖因?yàn)樵谂鲎卜ㄒ?guī)中,B 柱減速度是衡量乘員傷害的一個(gè)很重要的指標(biāo)。這里,取B 柱中部一個(gè)節(jié)點(diǎn),在Ls-Prepost 軟件中進(jìn)行減速度的跟蹤分析,并和改進(jìn)前進(jìn)行比較,如圖10、圖11所示。圖10改進(jìn)前B 柱減速度隨時(shí)間變化圖圖11改進(jìn)后B 柱減速度隨時(shí)間變化圖從上面兩個(gè)圖可以看出,改進(jìn)后B 柱的減速度出現(xiàn)第一次峰值的時(shí)間明顯往后移了,說(shuō)明前車(chē)架吸收了一大部分的碰撞能量;另外,減速度的峰值大大減小,而且成一個(gè)矩形波的趨勢(shì)分布,這些都更加符合碰撞法規(guī)對(duì)B 柱減速度的要求。5結(jié)論通過(guò)上面的例子,可以得到結(jié)論:(1碰撞