隨著我國經濟的快速發展，汽車保有量迅速增長，安全、節能、環保一直是汽車行業的3個重要課題[1−7]。隨著環保法規要求越來越嚴格，白車身輕量化能夠解決環保和節能的問題[8−13]。而輕量化的同時，車身的被動安全問題越來越受到人們的關注，在新車型的開發過程中，車身結構的碰撞性能分析成為研究熱點[14−19]。

本文以PHS1800熱成形鋼輕量化材料為例，實驗研究其在不同應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，依據汽車碰撞安全法規，以LS-DYNA為求解器進行了車身正面碰撞的模擬和分析，得到車身結構的耐撞性結果。

1.   實驗材料及方法

實驗材料為PHS1800熱成形鋼，厚度為1.4 mm，實驗參照標準見表1，通過材料的準靜態和高速拉伸實驗，獲得8個應變速率（0.001，0.01，0.1，1，10，100，500和1000 s−1）的工程應力–工程應變曲線數據，見圖1（a）。將工程應力–工程應變曲線進行數據處理，并采用Swift?Hockett?Sherby模型對材料的不同應變速率曲線進行擬合外推，得到塑性應變外推到1的真實應力–塑性應變曲線，見圖1（b）。圖1（b）中可以明顯看出，PHS1800具有明顯的應變率效應，隨著應變率增加，材料的應變呈增加的趨勢。

利用LS-PrePost制作材料卡片，材料類型為MAT_24，輸入PHS1800熱成形鋼的密度、彈性模量、泊松比等材料參數，并將不同應變速率的真實應力-塑性應變曲線導入LS-PrePost，制成PHS1800熱成形鋼碰撞材料卡片。通過LS-DYNA軟件建立仿真模型對標，驗證實驗數據外推有效性，確保材料卡片準確性。

2.   有限元模型建立

圖2為新車型的三維數模，將原模型中的部分先進高強鋼用PHS1800熱成形鋼進行替代，厚度從1.6降為1.4 mm。在Hypermesh軟件中建立有限元模型，包括網格的劃分、創建白車身零部件對應的材料和屬性，建立完成部件之間的接觸和約束關系等。依據《C-NCAP管理規則》中現行國內外法規與相關實驗要求的標準工況進行正面碰撞工況分析。

正面碰撞分析重點考察白車身零部件的碰撞吸能特性，故將底盤件進行簡化處理，采用質量點單元進行配重，均勻分布在地板上，建立無限大的剛性墻來模擬地面。

為防止碰撞過程中白車身各部件發生穿透，將所有零部件定義一個單面接觸*contact_automatic_single_surface，靜動摩擦系數均定義為0.2。實驗車與可變形壁障之間定義面面接觸*contact_automatic_surface_to_surface，靜動摩擦系數均定義為0.2。車體速度為50 km/h，剛性墻法向為坐標系x軸正向。仿真中車體速度方向為整車坐標系x軸負方向，剛性墻固定不動。輪胎與接觸的剛性地面采用車輛實車半載地面線高度。

3.   結果與討論

計算過程中選擇整車模型作為計算對象（圖3），模擬整車與剛性墻發生碰撞過程中白車身所受到的傷害程度，設定正面碰撞考察對象：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給出了整車碰撞的分析結果，白車身結構在整車中的碰撞效果如圖4（a）所示，從圖4（a）可以看出經過正面碰撞后，其駕駛艙部位保存較為完好，前艙變形相對嚴重，在這個過程中白車身前艙防撞梁、吸能盒及前艙中的發動機變速箱等吸收大量能量，確保了乘員安全性。

正碰過程中的動能、內能、沙漏能和總能量曲線如圖4（b）所示。從圖4（b）可知，沙漏能占比均遠小于5%，說明計算結果真實可信。在碰撞過程中，滿足能量守恒定律，白車身零部件系統的動能與內能相互轉化，沙漏能的變化較小。

3.2   A柱入侵量

A柱入侵量測點示意圖如圖5（a）所示，選擇碰撞左側A柱上的點作為測點，以B柱上相應位置作為參考對象，測量A柱侵入量。A柱各時刻的最大變形云圖見圖5（b），最終變形云圖見圖5（c）所示。

入侵量曲線如圖6所示，在正面碰撞過程中A柱隨著時間推移開始入侵乘員艙，并在0.049 s時入侵量達到最大值，隨后車身的動能減小，系統的動能很大一部分轉化為勢能，因而結構的回彈力大于碰撞的力，A柱入侵量減小，在0.08 s時入侵量僅有不到0.3 mm。

A柱優化前后入侵量見表2，對比原白車身與優化的白車身，可以看出應用了PHS1800熱成形鋼后的白車身在正碰工況下A柱侵入表現更加優良，優化前最大入侵量為5.93 mm，優化后的入侵量為5.44 mm，入侵量降低了8.26%。

3.3   前圍板入侵量

在正面碰撞過程中，前圍板保護前排駕駛員與乘客的腿部，因此前圍板入侵量是衡量白車身正碰被動安全性能的重要指標，計算中前圍板考察點如圖7（a）所示，對應駕駛員腿部及足部區域。在正碰過程中前圍板將入侵至駕駛艙內，擠壓乘坐人員的腿部空間，通過有限元分析可得出當時間為0.049 s時前圍板入侵量達到最大值，隨后零件在內應力等力的作用下開始回彈，前圍板的最大變形云圖和最終變形云圖見圖7。

正碰過程中的前圍板入侵量曲線如圖8所示，其中圖8（a）為原車型入侵量曲線，8（b）為優化材料后白車身入侵曲線。可以看出用PHS1800熱成形鋼替換部分先進高強鋼后，車型對應駕駛員腿部、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%，優化前后前圍板入侵量見表3。因此使用熱成形鋼后的白車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位置如圖9（a）所示，選取B柱下方的某個點作為整車加速度計算點，這是因為在正碰過程中B柱下方是整車中結構完整性最好的部位，變形量較小，可以充分地反映出整車的加速度變化情況。

B柱加速度曲線如圖9（b）所示，在正面碰撞過程中原車身最大加速度為51.6 mm/s2，優化后白車身為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.   結束語

1）實驗中獲得了不同速率的應力應變曲線，為碰撞分析提供準確的數據支持。同時，應用LS-DYNA軟件能夠很好地預測新車型的正面碰撞性能。

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

3）優化后的車型對應駕駛員腿部、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身正面碰撞性能。

4）優化后正面碰撞過程中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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文章來源——金屬世界