隨著我國(guó)經(jīng)濟(jì)的快速發(fā)展，汽車(chē)保有量迅速增長(zhǎng)，安全、節(jié)能、環(huán)保一直是汽車(chē)行業(yè)的3個(gè)重要課題[1−7]。隨著環(huán)保法規(guī)要求越來(lái)越嚴(yán)格，白車(chē)身輕量化能夠解決環(huán)保和節(jié)能的問(wèn)題[8−13]。而輕量化的同時(shí)，車(chē)身的被動(dòng)安全問(wèn)題越來(lái)越受到人們的關(guān)注，在新車(chē)型的開(kāi)發(fā)過(guò)程中，車(chē)身結(jié)構(gòu)的碰撞性能分析成為研究熱點(diǎn)[14−19]。

本文以PHS1800熱成形鋼輕量化材料為例，實(shí)驗(yàn)研究其在不同應(yīng)變速率條件下的高速拉伸曲線，然后建立熱成形鋼碰撞卡片，依據(jù)汽車(chē)碰撞安全法規(guī)，以LS-DYNA為求解器進(jìn)行了車(chē)身正面碰撞的模擬和分析，得到車(chē)身結(jié)構(gòu)的耐撞性結(jié)果。

1.   實(shí)驗(yàn)材料及方法

實(shí)驗(yàn)材料為PHS1800熱成形鋼，厚度為1.4 mm，實(shí)驗(yàn)參照標(biāo)準(zhǔn)見(jiàn)表1，通過(guò)材料的準(zhǔn)靜態(tài)和高速拉伸實(shí)驗(yàn)，獲得8個(gè)應(yīng)變速率（0.001，0.01，0.1，1，10，100，500和1000 s−1）的工程應(yīng)力–工程應(yīng)變曲線數(shù)據(jù)，見(jiàn)圖1（a）。將工程應(yīng)力–工程應(yīng)變曲線進(jìn)行數(shù)據(jù)處理，并采用Swift?Hockett?Sherby模型對(duì)材料的不同應(yīng)變速率曲線進(jìn)行擬合外推，得到塑性應(yīng)變外推到1的真實(shí)應(yīng)力–塑性應(yīng)變曲線，見(jiàn)圖1（b）。圖1（b）中可以明顯看出，PHS1800具有明顯的應(yīng)變率效應(yīng)，隨著應(yīng)變率增加，材料的應(yīng)變呈增加的趨勢(shì)。

利用LS-PrePost制作材料卡片，材料類(lèi)型為MAT_24，輸入PHS1800熱成形鋼的密度、彈性模量、泊松比等材料參數(shù)，并將不同應(yīng)變速率的真實(shí)應(yīng)力-塑性應(yīng)變曲線導(dǎo)入LS-PrePost，制成PHS1800熱成形鋼碰撞材料卡片。通過(guò)LS-DYNA軟件建立仿真模型對(duì)標(biāo)，驗(yàn)證實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)外推有效性，確保材料卡片準(zhǔn)確性。

2.   有限元模型建立

圖2為新車(chē)型的三維數(shù)模，將原模型中的部分先進(jìn)高強(qiáng)鋼用PHS1800熱成形鋼進(jìn)行替代，厚度從1.6降為1.4 mm。在Hypermesh軟件中建立有限元模型，包括網(wǎng)格的劃分、創(chuàng)建白車(chē)身零部件對(duì)應(yīng)的材料和屬性，建立完成部件之間的接觸和約束關(guān)系等。依據(jù)《C-NCAP管理規(guī)則》中現(xiàn)行國(guó)內(nèi)外法規(guī)與相關(guān)實(shí)驗(yàn)要求的標(biāo)準(zhǔn)工況進(jìn)行正面碰撞工況分析。

正面碰撞分析重點(diǎn)考察白車(chē)身零部件的碰撞吸能特性，故將底盤(pán)件進(jìn)行簡(jiǎn)化處理，采用質(zhì)量點(diǎn)單元進(jìn)行配重，均勻分布在地板上，建立無(wú)限大的剛性墻來(lái)模擬地面。

為防止碰撞過(guò)程中白車(chē)身各部件發(fā)生穿透，將所有零部件定義一個(gè)單面接觸*contact_automatic_single_surface，靜動(dòng)摩擦系數(shù)均定義為0.2。實(shí)驗(yàn)車(chē)與可變形壁障之間定義面面接觸*contact_automatic_surface_to_surface，靜動(dòng)摩擦系數(shù)均定義為0.2。車(chē)體速度為50 km/h，剛性墻法向?yàn)樽鴺?biāo)系x軸正向。仿真中車(chē)體速度方向?yàn)檎?chē)坐標(biāo)系x軸負(fù)方向，剛性墻固定不動(dòng)。輪胎與接觸的剛性地面采用車(chē)輛實(shí)車(chē)半載地面線高度。

3.   結(jié)果與討論

計(jì)算過(guò)程中選擇整車(chē)模型作為計(jì)算對(duì)象（圖3），模擬整車(chē)與剛性墻發(fā)生碰撞過(guò)程中白車(chē)身所受到的傷害程度，設(shè)定正面碰撞考察對(duì)象：A柱侵入量分析、前圍板腿部部位防火板以及B柱下端加速度。

3.1   能量分析

圖4給出了整車(chē)碰撞的分析結(jié)果，白車(chē)身結(jié)構(gòu)在整車(chē)中的碰撞效果如圖4（a）所示，從圖4（a）可以看出經(jīng)過(guò)正面碰撞后，其駕駛艙部位保存較為完好，前艙變形相對(duì)嚴(yán)重，在這個(gè)過(guò)程中白車(chē)身前艙防撞梁、吸能盒及前艙中的發(fā)動(dòng)機(jī)變速箱等吸收大量能量，確保了乘員安全性。

正碰過(guò)程中的動(dòng)能、內(nèi)能、沙漏能和總能量曲線如圖4（b）所示。從圖4（b）可知，沙漏能占比均遠(yuǎn)小于5%，說(shuō)明計(jì)算結(jié)果真實(shí)可信。在碰撞過(guò)程中，滿足能量守恒定律，白車(chē)身零部件系統(tǒng)的動(dòng)能與內(nèi)能相互轉(zhuǎn)化，沙漏能的變化較小。

3.2   A柱入侵量

A柱入侵量測(cè)點(diǎn)示意圖如圖5（a）所示，選擇碰撞左側(cè)A柱上的點(diǎn)作為測(cè)點(diǎn)，以B柱上相應(yīng)位置作為參考對(duì)象，測(cè)量A柱侵入量。A柱各時(shí)刻的最大變形云圖見(jiàn)圖5（b），最終變形云圖見(jiàn)圖5（c）所示。

入侵量曲線如圖6所示，在正面碰撞過(guò)程中A柱隨著時(shí)間推移開(kāi)始入侵乘員艙，并在0.049 s時(shí)入侵量達(dá)到最大值，隨后車(chē)身的動(dòng)能減小，系統(tǒng)的動(dòng)能很大一部分轉(zhuǎn)化為勢(shì)能，因而結(jié)構(gòu)的回彈力大于碰撞的力，A柱入侵量減小，在0.08 s時(shí)入侵量?jī)H有不到0.3 mm。

A柱優(yōu)化前后入侵量見(jiàn)表2，對(duì)比原白車(chē)身與優(yōu)化的白車(chē)身，可以看出應(yīng)用了PHS1800熱成形鋼后的白車(chē)身在正碰工況下A柱侵入表現(xiàn)更加優(yōu)良，優(yōu)化前最大入侵量為5.93 mm，優(yōu)化后的入侵量為5.44 mm，入侵量降低了8.26%。

3.3   前圍板入侵量

在正面碰撞過(guò)程中，前圍板保護(hù)前排駕駛員與乘客的腿部，因此前圍板入侵量是衡量白車(chē)身正碰被動(dòng)安全性能的重要指標(biāo)，計(jì)算中前圍板考察點(diǎn)如圖7（a）所示，對(duì)應(yīng)駕駛員腿部及足部區(qū)域。在正碰過(guò)程中前圍板將入侵至駕駛艙內(nèi)，擠壓乘坐人員的腿部空間，通過(guò)有限元分析可得出當(dāng)時(shí)間為0.049 s時(shí)前圍板入侵量達(dá)到最大值，隨后零件在內(nèi)應(yīng)力等力的作用下開(kāi)始回彈，前圍板的最大變形云圖和最終變形云圖見(jiàn)圖7。

正碰過(guò)程中的前圍板入侵量曲線如圖8所示，其中圖8（a）為原車(chē)型入侵量曲線，8（b）為優(yōu)化材料后白車(chē)身入侵曲線?？梢钥闯鲇肞HS1800熱成形鋼替換部分先進(jìn)高強(qiáng)鋼后，車(chē)型對(duì)應(yīng)駕駛員腿部、腳上部及腳下部的前圍板部分侵入量有所降低，降幅分別為6.10%、5.87%、5.25%，優(yōu)化前后前圍板入侵量見(jiàn)表3。因此使用熱成形鋼后的白車(chē)身具備更好的碰撞安全性。

3.4   B柱下方加速度

B柱正面碰撞加速度考察點(diǎn)位置如圖9（a）所示，選取B柱下方的某個(gè)點(diǎn)作為整車(chē)加速度計(jì)算點(diǎn)，這是因?yàn)樵谡鲞^(guò)程中B柱下方是整車(chē)中結(jié)構(gòu)完整性最好的部位，變形量較小，可以充分地反映出整車(chē)的加速度變化情況。

B柱加速度曲線如圖9（b）所示，在正面碰撞過(guò)程中原車(chē)身最大加速度為51.6 mm/s2，優(yōu)化后白車(chē)身為50.4 mm/s2，加速度下降了2.38%，表明替換為熱成形鋼后碰撞性能得到提升。

4.   結(jié)束語(yǔ)

1）實(shí)驗(yàn)中獲得了不同速率的應(yīng)力應(yīng)變曲線，為碰撞分析提供準(zhǔn)確的數(shù)據(jù)支持。同時(shí)，應(yīng)用LS-DYNA軟件能夠很好地預(yù)測(cè)新車(chē)型的正面碰撞性能。

2）PHS1800熱成形鋼替代后的白車(chē)身在正碰工況下A柱侵入表現(xiàn)更加優(yōu)良，入侵量降低了8.26%。

3）優(yōu)化后的車(chē)型對(duì)應(yīng)駕駛員腿部、腳上部及腳下部的前圍板部分入侵量降幅分別為6.10%、5.87%、5.25%，表明熱成形鋼具有能夠明顯的提升車(chē)身正面碰撞性能。

4）優(yōu)化后正面碰撞過(guò)程中B柱加速度下降了2.38%，表明替換為熱成形鋼后碰撞性能得到提升。

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