苏柏宇 田国红 李贺 柯宇佐
摘 要：利用计算机进行有限元仿真分析，在汽车行人保护性能开发过程中有着广泛的应用。对于行人保护建模来说，风挡玻璃区域应按照实际情况对玻璃进行准确建模，然而对于风挡玻璃与雨刮器采用以往的接触设置，雨刮臂与玻璃产生穿透现象。因此为了解决穿透问题，准确模拟出其实际运动关系，对于雨刮臂与风挡玻璃之间的接触设置研究是非常有必要的。
关键词：行人保护;仿真分析;接触设置
中图分类号：U467 文献标识码：B 文章编号：1671-7988（2020）03-113-03
引言
“行人保护”，顾名思义是对行人的保护。它是被动安全研究的一个重要方向，包括一切旨在减轻事故中汽车对外部人员的伤害而为汽车专门设计的措施。2018版C-NCAP首次将行人保护纳入到评分项目中，这就意味着各大汽车企业在车型开发时必须要考虑到对行人的保护[1]。CAE仿真分析作为行人保护性能开发的主要方法之一，其仿真结果的准确性直接影响整个开发过程，因此对于有限元模型的正确搭建是尤为重要的。本文基于某款车型在仿真试验中，前风挡玻璃与雨刮臂产生穿透问题进行接触设置研究，探索出一种有效的接触设置方法，提高行人保护仿真试验精度。
1 仿真模型搭建
在搭建有限元模型初期，对几何模型进行准确高质量的网格划分是非常重要的。行人保护试验涉及到的是汽车前部，由于头部冲击器碰撞车辆头部产生的能量较小，车辆后部没有受到影响，所以在有限元建模过程中只搭建整车A柱之前的部分，下面对于头前风挡玻璃的建模过程做简单介绍。
汽车前风挡玻璃为夹层玻璃，两侧为普通玻璃，中间一层为PVB透明胶片，对于风挡玻璃的建模方式有很多种，许多专家学者也一直在探索最贴合真实状况的玻璃建模方式[3]，本文对玻璃的建模方式为：两侧玻璃采用壳单元模拟，厚度为2mm，中间PVB夹层采用实体单元模拟，厚度为0.7mm，并在PVB胶的上下表面各建立一层空壳单元，包壳单元厚度为0.2mm。玻璃材料采用123号本构， PVB材料采用MAT27材料卡表征。
图1为搭建好的有限元模型，该模型共有830756个节点、867036个单元。
2 接触设置研究
对于行人保护试验来说，前风挡玻璃为重要考察区域，本文按照上述方法对风挡玻璃进行建模，准确模拟出玻璃的三层结构。对于风挡玻璃与雨刮臂之间的接触设置不同于由抽中面建模出的玻璃与雨刮臂之间的接触设置形式，因为PVB夹层采用体单元模拟并在体单元外表面建立了0.2mm的包壳单元。由于包壳单元厚度很小，而且雨刮臂立面与风挡玻璃为垂直接触，在运算过程中很可能造成雨刮臂与风挡玻璃发生穿透，造成仿真结果不准确，下文将探究一种正确的接触设置形式，防止穿透问题发生。
2.1 *CONTACT_AUTOMATIC_SURFACE_TO_SURFACE
以往对于前风挡玻璃、雨刮臂、头部碰撞器三者之间的接触设置形式为：*CONTACT_AUTOMATIC_SURFACE_ TO_SURFACE，将头部碰撞器设置为主面，雨刮臂和前风挡玻璃设置为从面。从仿真试验结果中可以看出，雨刮臂完全穿过风挡玻璃，由于上下两层玻璃已设置失效，当玻璃失效后，雨刮臂穿过玻璃属于正常现象，但由于PVB上下两层进行了包壳处理，并已设置接触，但仍发生穿透，因此这种设置方式不适用于此类接触。下面仍采取面-面接触形式，原来的接触设置不变，将雨刮臂与前风挡玻璃单独设置一个面面接触，雨刮臂设置为主面，前风挡玻璃设置为从面，并将PVB上下两层包壳的接触厚度设置为1.5mm，重新进行计算。由图2 可以看出，雨刮臂与前风挡玻璃仍然发生穿透，此种接触设置方式仍不适用。
2.2 *CONTACT_AUTOMATIC_GENERAL
由计算结果可以看出以上两种接触设置都没有解决穿透问题，因此更改接触设置形式，采用*CONTACT_AUTOM ATIC_GENERAL，将雨刮臂、前风挡玻璃、头部碰撞器放入一个set中，并设置PVB包壳接触厚度为1.5mm，重新进行计算。由图3可以看出，雨刮臂与前风挡玻璃仍然发生穿透，此种接触设置形式仍然没有解决穿透问题。
2.3 接触区域设置梁单元
由于上述采用的接触设置都不能有效识别雨刮臂和玻璃中的PVB夹层，只能采用一种较麻烦的方式。在雨刮臂立面、风挡玻璃可能与雨刮臂接触的碰撞区域建立梁单元，如图4梁单元半径为1mm，赋予MAT9号材料，采用上述第二种*CONTACT_AUTOMATIC_GENERAL接触设置，重新进行计算。由运动动画可以看出，雨刮臂与前风挡玻璃没有出现穿透现象，接触设置问题得以解决。
3 总结
本文對采用上述建模方法的风挡玻璃与雨刮臂之间的接触设置进行研究，为了解决二者之间的穿透问题，共进行了3种接触设置形式的仿真试验，最终探索出在接触区域建立梁单元并设置*CONTACT_AUTOMATIC_GENERAL可解决此种建模方式带来的接触设置失效，出现穿透的现象。
参考文献
[1] 胡伟，魏春德，覃祯员.等.某轻型客车行人保护改进的试验研究[J].客车技术与研究，2018，40（05）：48-51.
[2] 张良安，乔维高.基于成年行人头部保护的汽车发动机罩优化[J].武汉理工大学学报（交通科学与工程版），2017，41（01）：151-154.
[3] 汪家胜，李文颖，董传林.汽车行人保护前风挡玻璃的有限元建模与仿真[J].车辆与动力技术，2018（04）：42-47.
