基于CrachFEM的汽车动力总成悬置的碰撞失效模拟研究

摘要：在正面碰撞工况中，汽车动力总成悬置的断裂失效模拟的精度对纵梁变形模式有着重要影响。本研究为准确描述悬置的断裂失效行为，开展了铸铝材料的力学性能试验，并基于CrachFEM模型的标定带有失效准则的材料卡片；而后通过对悬置支架的落锤冲击试验和模拟对标，提出了铸铝悬置建模的分析方法；最后根据整车碰撞仿真应用结果展现CrachFEM失效模型模拟悬置断裂失效过程的优越性，是提高汽车动力总成碰撞仿真的精度，为碰撞虚拟性能开发提供仿真评估的有效手段。

系统化材料力学性能实验

根据铸铝材料特性选择试验矩阵包括：单轴拉伸，直角开槽拉伸，圆孔拉伸/三点弯，宽样条三点弯，穿孔，面内压缩以及剪切实验。所有试验的样件尺寸都经过准确设计以表征相应的应力状态，通过测量试验后样件在断口区域的厚度和减薄率可计算该应力状态的失效应变值。铸铝材料塑性硬化行为的应变率效应不明显，但断裂失效应变有很强的应变率相关性，故选择准静态0.001/s和动态100/s两种应变率开展铸铝材料的失效特性研究。

CrachFEM材料卡片开发

铸铝材料的仿真卡片开发主要包括弹塑性模型和失效模型。其中弹塑性模型主要为塑性硬化准则和屈服轨迹的拟合，而失效模型则主要是正向断裂和剪切断裂两种模式的失效轨迹的标定。

· MF GenYld弹塑性模型拟合

· CrachFEM失效准则标定

利用实验中不同应力状态下的失效应变值，结合CrachFEM韧性失效准则，开展正向断裂和剪切失效准则的参数拟合。失效轨迹实际为一个三维曲面，通常为了描述方便会只显示为平面应力状态下显示的剪切和正向失效曲线。铸铝的断裂失效有较为敏感的应变率效应，碰撞仿真中需要兼顾其应变率影响，以确保仿真精度的可靠性。

铸铝悬置的动态冲击仿真对标

采用落锤冲击试验来验证冲击载荷下铸铝失效模拟的准确性。仿真在通用有限元软件LS-DYNA中进行；结构在厚度方向至少均匀分布两层网格，以有效预测结构的应力状态及大小；悬置总成中的橡胶、衬套和浇注螺栓等过渡区域均采用共节点建模；安装螺栓采用焊点BEAM单元和包壳单元模拟，通过*INITIAL_AXIAL_FORCE施加螺栓预紧力，使模型更逼近实际。

对比试验和仿真结果，仿真断裂模式与试验完全吻合，铸铝件断裂失效路径与试验一致性良好，此外碰撞力曲线的吻合度也非常高。

 整车碰撞仿真应用 

将详细建模的悬置总成集成至整车碰撞模型中，包括详细网格建模和带有失效的铸铝材料卡片等，开展100%重叠刚性壁障正面碰撞仿真分析。仿真得到整车正面碰撞中铸铝悬置在26-29ms的时序图：26ms时悬置衬套上部产生裂纹，27ms时刻前端区域发生断裂，29ms时刻铸铝悬置支架在衬套区域整体发生断裂，变速箱壳体与前纵梁发生脱离，与整车碰撞试验传感器获得的27ms悬置断裂时刻基本一致，且悬置断裂失效位置与试验完全相同。

此外，仿真结果中纵梁在根部发生弯折及上抬变形，与试验中纵梁的变形模式完全一致。通过预测悬置失效可以准确模拟变速箱总成对悬置总成及前纵梁的冲击，使纵梁变形模式更加贴合实际情况，这是目前采用失效时刻定义悬置总成与纵梁脱离的模拟方法无法实现的。另外，比较车身B柱底部试验和仿真的加速度曲线可知，在准确模拟出悬置的断裂失效及纵梁变形模式前提下，碰撞仿真中车体加速度波形与实验吻合良好。

 总结 

针对正面碰撞仿真中悬置断裂失效模拟的难题开展研究。首先，完成了高压铸铝材料开展系统化力学性能试验，并基于CrachFEM韧性失效准则建立了铸铝材料卡片；接着，通过动态落锤试验与仿真对标验证了高压铸铝材料卡片的准确性以及悬置建模方法的可靠性；最后，通过整车碰撞仿真应用展示CrachFEM失效模型准确模拟悬置总成在受到碰撞载荷工况下的断裂失效行为的出色能力。综上，CrachFEM及相应模拟方法再动力总成悬置碰撞失效仿真上的应用对提高碰撞仿真精度和安全开发能力有积极指导作用，为碰撞虚拟性能开发提供可靠的仿真评估手段。

论文来源:汽车动力总成悬置的碰撞失效模拟研究，汽车工程，2019,41（1）：36-41

论文作者：吴长鹏¹, 谢斌¹, 潘锋^2,3, 罗昆¹, 张坤伦², 张思彭³

^{1.东风日产乘用车技术中心,广州 510800; 
2.厦门理工学院机械与汽车工程学院,厦门 361024;
3.上海迅仿工程技术有限公司,上海 201821}