某乘用車正面碰撞性能分析及結(jié)構(gòu)優(yōu)化

裴永勝，張振宇，鄧國紅，楊鄂川，張 勇

(1.重慶理工大學(xué) 重慶汽車學(xué)院，重慶 400054;2.上海同捷科技股份有限公司，上海 201206)

隨著經(jīng)濟(jì)的發(fā)展，汽車保有量逐年增長，給我們的生活帶來了巨大的便利，但交通事故的多發(fā)也帶來了巨大的人員傷亡和經(jīng)濟(jì)損失。在汽車碰撞事故中，發(fā)生概率最大的是正面碰撞，同時(shí)正面碰撞對人體的傷害也最嚴(yán)重［1］。因此，汽車正面碰撞一直是被動(dòng)安全研究的重點(diǎn)。

研究表明:在車輛正面碰撞時(shí)，吸能盒、前縱梁、翼子板、發(fā)動(dòng)機(jī)罩等為主要的吸能部件。在正面碰撞中，這些部件吸收的能量占車輛吸收總能量的50%左右［2］。特別是吸能盒與縱梁對汽車正面碰撞性能的影響尤為明顯。吸能盒作為車輛低速碰撞時(shí)的主要吸能部件，是保持碰撞力及加速度處于較低水平的重要組件，可降低乘員損傷及車身結(jié)構(gòu)變形程度［3］。通過改變吸能部件的截面形狀、尺寸、壁厚和材料參數(shù)，就能使其具有不同的吸能特性［4］。同時(shí)，還可以通過適當(dāng)控制前縱梁外板壁厚和在其內(nèi)部增設(shè)加強(qiáng)板，使之逐級參與碰撞吸能，以產(chǎn)生較好的填谷效應(yīng)［5］。在降低加速度峰值的同時(shí)增加吸能，減少前圍侵入量。因此，可以對這些部件進(jìn)行機(jī)構(gòu)改進(jìn)，優(yōu)化其吸能特性，進(jìn)而提高其正面碰撞安全性。

本文利用LS-DYNA有限元軟件對某轎車進(jìn)行100%的正面碰撞仿真，分析了其主要吸能部件的吸能特性。針對吸能盒、前縱梁等主要吸能部件進(jìn)行結(jié)構(gòu)改進(jìn)，從而使該型車碰撞性能得到了提升。

1 有限元模型的建立

有限元模型嚴(yán)格按照建模標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行，利用Hypermesh軟件進(jìn)行網(wǎng)格劃分，所有薄板沖壓成型件均采用四邊形和三角形殼單元模擬，單元尺寸在4～12 mm，目標(biāo)尺寸為8 mm。劃分好的整車模型共有468個(gè)PART，1 181 979個(gè)殼單元，其中四邊形單元共有1 128 340個(gè)，三角形單元共有53 639個(gè)。在所有殼單元中，三角形單元占4.5%，小于5%，說明網(wǎng)格劃分合理，滿足仿真精度要求。焊點(diǎn)對碰撞性能有較大影響，梁單元及實(shí)體單元均有較高的模擬精度［6］，但梁單元易于建模，所以本文采用梁單元BEAM(MAT100號材料)模擬鈑金件之間的焊點(diǎn)，螺栓孔的連接采用RIGID單元模擬，膠粘采用SOLID單元進(jìn)行模擬，材料和部件之間的連接均參照實(shí)際情況建模。由于發(fā)動(dòng)機(jī)剛度較大，碰撞中基本不變形，可以視為剛體。建模時(shí)，根據(jù)發(fā)動(dòng)機(jī)外形輪廓建立殼單元模型，將其設(shè)為剛體材料進(jìn)行模擬。

根據(jù)GB11551—2003正面碰撞法規(guī)建立仿真工況，車輛模型以50 km/h(沿X軸的負(fù)方向)的初速度垂直撞擊剛性墻，同時(shí)對整車模型施加豎直向下(沿Z軸的負(fù)方向)的重力加速度。碰撞模型如圖1所示。

圖1 100%正面碰撞模型

2 仿真結(jié)果分析

在碰撞中，如果車輛剛度較大，車輛前端吸能量遠(yuǎn)低于車輛動(dòng)能，乘員會受到較大沖擊，不利于保護(hù)乘員。如果車輛前端剛度不夠，會造成乘員艙前部進(jìn)入量過大，縮小乘員生存空間。所以，車輛的吸能段應(yīng)該具有較好的吸能特性，在碰撞中能較好地吸收整車動(dòng)能，使車體加速度與侵入量達(dá)到良好的匹配，最大限度地保護(hù)乘員［7］。同時(shí)，整車碰撞加速度及前圍侵入量成為仿真中衡量碰撞性能的主要指標(biāo)。

由于B柱與門檻梁的交界處剛度大，不易變形，且位于乘員艙中部，能代表乘員艙的加速度，因此，選取左右B柱下端加速度代表整車加速度，圖2為碰撞中左右B柱加速度曲線。從圖2可知:左側(cè)B柱加速度峰值為52.5 g，出現(xiàn)在31 ms，此時(shí)左側(cè)吸能盒壓潰結(jié)束，縱梁即將彎折，剛度增大造成加速度迅速上升;右側(cè)B柱加速度最大峰值為43.7 g，出現(xiàn)在35 ms，此時(shí)散熱器支架撞擊發(fā)電機(jī)及起動(dòng)機(jī)，發(fā)動(dòng)機(jī)發(fā)生扭轉(zhuǎn)，致使右縱梁提前發(fā)生彎折，同時(shí)造成右側(cè)吸能盒壓潰變形不如左側(cè)充分。發(fā)動(dòng)機(jī)及主要吸能部件變形如圖3所示。據(jù)研究顯示，吸能盒褶皺越多吸能效果越好［8］，從結(jié)果中可以看出吸能盒壓潰造成產(chǎn)生的褶皺較少，影響了吸能效果。

圖2 B柱加速度曲線

圖3 主要吸能部件變形

前圍侵入量是另一個(gè)重要評價(jià)標(biāo)準(zhǔn)，該車仿真結(jié)束時(shí)的前圍侵入量如圖4所示。碰撞中最大動(dòng)態(tài)侵入量為126.5 mm，最大靜態(tài)侵入量為91.6 mm。最大侵入量發(fā)生在前圍板右側(cè)ABS安裝支架處。

圖4 前圍板x向位移云圖

從分析結(jié)果可以看出:由于發(fā)動(dòng)機(jī)扭轉(zhuǎn)而轉(zhuǎn)動(dòng)，造成右側(cè)吸能盒吸能不足，前圍右側(cè)侵入量較大;左側(cè)吸能盒吸能充分，但在吸能盒壓潰變形結(jié)束后縱梁即將發(fā)生彎折變形時(shí)，對應(yīng)的左側(cè)B柱加速度峰值較大，說明吸能盒剛度偏小，與縱梁剛度匹配性不好。因此，該車正面碰撞性能仍有進(jìn)一步提升的空間。

3 結(jié)構(gòu)優(yōu)化及仿真驗(yàn)證

良好的吸能結(jié)構(gòu)應(yīng)能將盡量多的動(dòng)能轉(zhuǎn)化為變形能。金屬薄壁管件壓潰變形相比其他變形形式能吸收更多能量。從仿真結(jié)果可看出:吸能盒變形褶皺變形不充分，褶皺數(shù)量較少，影響了吸能效果。對引導(dǎo)槽進(jìn)行結(jié)構(gòu)改進(jìn)，由前至后引導(dǎo)槽逐漸減小，使其剛度逐漸增加，達(dá)到逐級吸能的效果。同時(shí)，鑒于吸能盒剛度較小的情況，將其厚度由2.0 mm增至2.5 mm。優(yōu)化前后的吸能盒如圖5所示。

圖5 吸能盒優(yōu)化前后對比

從表1可以看出，雖然整車最大加速度由52.5 g降低到 45.1 g，降幅明顯，但是，前圍侵入量未得到明顯改善，最大侵入量反而增加，說明車體加速度與侵入量沒有達(dá)到良好的匹配，需要進(jìn)一步對結(jié)構(gòu)進(jìn)行改進(jìn)，降低前圍侵入量。

表1 初步優(yōu)化結(jié)果

從主要吸能部件的變形中可以看出，前圍最大侵入量發(fā)生在ABS支架處，不排除縱梁彎折帶動(dòng)ABS支架擠壓前圍板造成前圍板右側(cè)侵入量較大這一可能。考慮到ABS質(zhì)量較小，對整車碰撞影響不大，在初步優(yōu)化模型中將ABS支架去掉后進(jìn)行分析計(jì)算，得到分析結(jié)果如表2所示。

從表2可以看出，不含有ABS支架與含有ABS支架的B柱加速度及前圍侵入量相當(dāng)，說明前圍右側(cè)較大的侵入量并非由ABS支架擠壓前圍板造成。分析動(dòng)畫可以看出，發(fā)動(dòng)機(jī)扭轉(zhuǎn)帶動(dòng)縱梁彎折，縱梁向后擠壓前圍板是主要原因。

表2 不含ABS支架結(jié)果對比分析

針對前地板下面的彎曲縱梁變形過大，造成前縱梁向后擠壓前圍板的情況，如圖6所示，對前圍下方縱梁進(jìn)行加強(qiáng)，加入厚度為2 mm、材料為HC400的加強(qiáng)板。

圖6 縱梁加強(qiáng)板

對縱梁結(jié)構(gòu)改進(jìn)后，進(jìn)行仿真計(jì)算，得到前圍板位移云圖，如圖7所示。由圖7可知前圍最大動(dòng)態(tài)侵入量為120 mm，靜態(tài)侵入量為85.4 mm，最大動(dòng)態(tài)侵入量及碰撞結(jié)束后的靜態(tài)侵入量均有降低。B柱加速度如圖8所示，左側(cè)B柱最大峰值為42.9 g，比未優(yōu)化前降低了5 g，相比初步優(yōu)化模型加速度略有增加。優(yōu)化前后結(jié)果對比如表3所示，通過對吸能盒及縱梁等部件的優(yōu)化，使前圍侵入量及B柱加速度峰值均有降低，有效提升了該車型的碰撞性能。

圖7 前圍板x向位移云圖

圖8 B柱加速度曲線

表3 優(yōu)化前后結(jié)果對比

4 結(jié)束語

在Hypermesh中建立了整車有限元模型，通過仿真分析，研究了該車100%正面碰撞安全性能。針對吸能盒強(qiáng)度小、變形吸能效果不好的問題進(jìn)行了結(jié)構(gòu)改進(jìn)，同時(shí)針對縱梁進(jìn)行了局部加強(qiáng)，達(dá)到逐級吸能，減少前圍侵入量的效果。對改進(jìn)后的整車進(jìn)行了仿真分析，結(jié)果表明:改進(jìn)后的結(jié)構(gòu)吸能特性得到了改善，基本達(dá)到逐級變形吸能的效果;B柱加速度變化平穩(wěn)，峰值加速度由最初的52 g降低到46 g，同時(shí)前圍侵入量得到了降低。通過結(jié)構(gòu)優(yōu)化，該車的碰撞性能得到有效提高，達(dá)到了優(yōu)化設(shè)計(jì)的目的。

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