房车优化额头模具碰撞仿真

本文以常见的旅居房车为研究对象，首先在SolidWorks上建立对应的旅居房车三维模型，之后运HyperMesh软件对其进行网格划分、定义材料、铰链创建、定义约束、定义接触等有限元建模处理，并进行仿真模型的简化。根据2018版C-NCAP正面碰撞规定，设定初速度设置为50km/h，即Ls-Dyna仿真中定义旅居房车的X-Velocity为13889mm/s。最后导出K文件类型，之后将该求解文件导入LS-DYNA中进行求解，对求解运算得到的d3plot文件利用HyperView进行查看。通过碰撞仿真分析，模拟旅居房车的正面碰撞过程，观察车身变形、入侵量测量、受力情况等。进而对受力薄弱部位提出改进方案。经过碰撞仿真与企业实际调研发现，车厢与额头连接处应力较为集中，其原因是制作额头的模具出现了垂直角。在旅居房车因碰撞而使额头因惯性力向前移动时，该直角部位将出现应力集中。本次设计对该部位进行优化，对优化后的车厢在相同的条件下进行碰撞仿真，仿真结果表明优化后的车厢能够在旅居房车发生碰撞时避免强度失效发生的撕裂。

旅居房车碰撞结果分析

由本次设计所搭建的旅居房车有限元模型碰撞仿真结果可以发现，在旅居房车的碰撞过程中，车厢有两处位置的应力较为集中。经过分析，此两处的应力来源于额头以及额头中重物的总惯性力产生的，因为额头一般可以有一位成年人躺在里面，本次设计在额头部分添加了一位成年人的质量。如图1中A、B两点所示，其中A处甚至发生了断裂，说明此处车厢与额头位置的连接位置的设计不合理，需要对其车厢与额头位置的连接位置进行重新设计。B处缺点明显，额头垂直部分的应力集中位置存在尖角，构件外形上产生了不合理，需要对该垂直部分的尖角进行重新设计。

图1 车厢应力集中位置

优化车厢建模

为了更好的进行优化车厢建模，本次设计还需要进一步了解旅居房车的具体构成与装配工艺，故本次毕业设计期间对房车公司进行了调研，观看旅居房车的生产工序，并与房车公司工程师进行交流。发现旅居房车的额头模具垂直部分的位置存在尖角，如图2所示。说明此处车厢与额头位置的连接位置的设计不合理，需要对其车厢与额头位置的连接位置进行重新设计，这也是为什么车厢有两个部分应力集中的原因。

图2 房车公司的调研与额头模具

为了避免车厢与额头连接处受力过大产生撕裂现象，本次设计对额头垂直部分的应力集中位置采用消除尖角、优化构件外形的方法，拟采用加肋板与添加过渡圆角操作，使碰撞带来的惯性力平滑过渡，均匀施加载荷，如图3所示。

     

图3 优化车厢建模图

优化车厢碰撞仿真验证

为了验证本次设计的合理性，对优化后的车厢重新装配到同一底盘有限元模型上，并且保持相同的连接关系进行碰撞仿真验证，控制变量的唯一。Ls-Dyna仿真中定义旅居房车的X-Velocity为13889mm/s。仿真过程取100ms与160ms时刻与未优化的车厢碰撞仿真应力图进行对比分析

(a)100ms

(b)160ms

图4 旅居房车车厢时刻应力图

为了更好的体现优化后的车厢能够提高旅居房车车厢的碰撞可靠性，使结果更具可视性，本次设计在旅居房车的车厢上选取三个应力较大位置的点进行应力曲线的输出，如图5所示，为旅居房车车厢时刻应力曲线。由图5可以发现，优化后该三个点的时刻应力曲线数值均低于未优化后的车厢应力，优化后微旅居房车车厢有限元模型在发生碰撞时在额头连接处受力的最大值为183.9 N，相对于原方案的在额头连接处受力最大值302.5N 减少了118.6N，提高了车厢的碰撞安全性，说明本次设计的优化方案能够更好地防止旅居房车车厢材料在超过塑性应变产生的撕裂现象。

图5 旅居房车车厢时刻应力曲线

综上所述，由图4、5可知，本次对额头垂直部分的应力集中位置采用加肋板与添加过渡圆角操作的优化车厢设计，消除了尖角、改善了构件外形，使碰撞带来的惯性力平滑过渡，有效的避免了车厢在旅居房车发生碰撞时因材料超过塑性应变产生的撕裂现象。优化后的最大应力值未超过旅居房车车厢材料因塑性应变产生的撕裂现象的下许用应力，因此优化设计符合预期要求，在一定程度上能够提高旅居房车车厢的碰撞可靠性。