某車型正面碰撞結(jié)構(gòu)優(yōu)化

王月 宋葉紅 肖海濤 劉衛(wèi)國(guó)，2 孫立志 周大永，2

（1.浙江吉利汽車研究院有限公司；2.浙江省汽車安全技術(shù)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室）

隨著汽車工業(yè)的發(fā)展，車輛數(shù)量逐年增加，同時(shí)交通事故的發(fā)生率及傷亡人數(shù)也呈上升趨勢(shì)[1-2]。在各種汽車碰撞事故中，正面碰撞發(fā)生及造成死亡的概率較高。因此，研究汽車的碰撞安全性能已經(jīng)成為新車型開(kāi)發(fā)及老車型改款過(guò)程中必不可少的重要環(huán)節(jié)。文章針對(duì)某車型在64 km/h 正面40%偏置碰撞過(guò)程中出現(xiàn)的問(wèn)題，應(yīng)用Hypermesh 軟件進(jìn)行對(duì)標(biāo)分析，找出導(dǎo)致汽車出現(xiàn)踏板超標(biāo)問(wèn)題的原因，并在此基礎(chǔ)上進(jìn)行結(jié)構(gòu)優(yōu)化，使其結(jié)構(gòu)性能滿足要求。

1 現(xiàn)有車型存在問(wèn)題及分析

1.1 問(wèn)題描述

某車型在進(jìn)行64 km/h 正面40%偏置碰撞試驗(yàn)中，縱梁折彎變形嚴(yán)重，呈明顯的“Z”字形，前圍板整體變形侵入較大，使得踏板及轉(zhuǎn)向管柱存在超標(biāo)現(xiàn)象。表1示出不同位置侵入量情況；各位置的變形情況，如圖1和圖2所示。

表1 某車型正面碰撞試驗(yàn)中各位置侵入量 mm

1.2 仿真模型

運(yùn)用Hypermesh 軟件搭建正面偏置碰撞整車分析模型，如圖3所示。壁障模型采用可變形壁障，在與試驗(yàn)相同條件下以64 km/h 的速度撞擊可變形壁障。由于分析考慮車身結(jié)構(gòu)的變形情況，因此模型中無(wú)內(nèi)飾系統(tǒng)（車門(mén)內(nèi)飾及B 柱內(nèi)飾等），模擬時(shí)間設(shè)定為160 ms。

1.3 結(jié)果分析

碰撞分析求解運(yùn)用LS-DYNA 軟件，碰撞過(guò)程中的能量曲線及質(zhì)量增加情況，如圖4 和圖5所示。

從圖4 和圖5 可以看出，系統(tǒng)的動(dòng)能逐步轉(zhuǎn)化為內(nèi)能，曲線光滑，沙漏能占總能量比例小于5%，質(zhì)量增加小于5%，仿真結(jié)果具有參考價(jià)值[3-4]。

通過(guò)對(duì)試驗(yàn)及仿真結(jié)果不同時(shí)刻的分析，初步判斷是由于該車型乘員艙強(qiáng)度及縱梁結(jié)構(gòu)較弱且縱梁基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)呈現(xiàn)臺(tái)階結(jié)構(gòu)，因此碰撞過(guò)程中出現(xiàn)在臺(tái)階位置彎折的問(wèn)題；同時(shí)機(jī)艙前圍板位置結(jié)構(gòu)較弱，導(dǎo)致前圍侵入較大，使得踏板及轉(zhuǎn)向管柱的后移量出現(xiàn)超標(biāo)和罰分的問(wèn)題。

2 結(jié)構(gòu)優(yōu)化方案

2.1 縱梁結(jié)構(gòu)優(yōu)化

將左右縱梁的結(jié)構(gòu)進(jìn)行優(yōu)化，從懸置所在位置將縱梁平面拉平，優(yōu)化前后，左右縱梁的結(jié)構(gòu)，如圖6 和圖7所示，材料選用厚度為2.0 mm 的B340/590DP。

2.2 前圍板結(jié)構(gòu)優(yōu)化

在前圍板與A 柱之間增加連接件和加強(qiáng)件，將能量有效傳遞到車身后部，如圖8所示，材料選用厚度為2.0 mm 的 B340/590DP。

2.3 前地板結(jié)構(gòu)優(yōu)化

在前圍地板上增加地板上縱梁，保證地板下縱梁與地板上縱梁形成腔體結(jié)構(gòu)。增加件結(jié)構(gòu)，如圖9所示。

3 優(yōu)化結(jié)果評(píng)定

3.1 縱梁變形模式

圖10 示出優(yōu)化前后縱梁變形模式，從圖10b 可以看出，優(yōu)化后縱梁前端位置未出現(xiàn)向下的嚴(yán)重折彎變形，縱梁前段被壓潰且產(chǎn)生向內(nèi)的彎折，縱梁懸置后端出現(xiàn)折彎變形。

3.2 能量吸收情況分析

縱梁的能量吸收情況，如圖11所示。從圖11 可以看出，優(yōu)化前縱梁吸收的能量為11.8 kJ，優(yōu)化后吸收的能量為15.75 kJ，較優(yōu)化前能量吸收增加33%，改進(jìn)效果較好。

3.3 侵入量對(duì)比

優(yōu)化前后駕駛員側(cè)前圍侵入情況，如圖12所示。從圖12 可以看出，優(yōu)化后前圍板的侵入情況明顯降低，由原來(lái)的343 mm 減小到219 mm，減小了124 mm。

3.4 整車波形分析

圖13 示出結(jié)構(gòu)優(yōu)化前后整車波形分析圖。從圖13a可以看出，優(yōu)化后整車加速度波形在40 ms 之前明顯升高，在65 ms 與90 ms，整車達(dá)到最大加速度，峰值為40 g；從圖13b 可以看出，車體的反彈時(shí)刻（即速度歸零時(shí)刻）由之前的107 ms 變化到98 ms，提前了9 ms；從圖13c可以看出，整車最大動(dòng)態(tài)位移明顯減小，由原來(lái)的1 285 mm 減小到1 148 mm，減小了137 mm；從圖13d可以看出，車體強(qiáng)度隨著位移的變化而產(chǎn)生的加速度的變化情況，即優(yōu)化后車體的強(qiáng)度較優(yōu)化前明顯增加。

4 結(jié)論

1）通過(guò)對(duì)造成踏板及轉(zhuǎn)向管柱超標(biāo)問(wèn)題的分析，可以反映出機(jī)艙縱梁結(jié)構(gòu)及強(qiáng)度設(shè)計(jì)的不合理直接影響到乘員艙的整體侵入情況，在車型開(kāi)發(fā)中該位置結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)至關(guān)重要；

2）通過(guò)CAE 模擬分析的方法可以再現(xiàn)產(chǎn)生問(wèn)題的原因，為問(wèn)題的解決提供參考方向，同時(shí)運(yùn)用CAE仿真分析技術(shù)可以縮短開(kāi)發(fā)周期，減少試驗(yàn)次數(shù)及開(kāi)發(fā)成本，對(duì)設(shè)計(jì)目標(biāo)的實(shí)現(xiàn)具有很大的幫助作用；

3）采用優(yōu)化機(jī)艙縱梁結(jié)構(gòu)，增加乘員艙總體強(qiáng)度的方法，可以增加碰撞過(guò)程中能量的吸收，減小對(duì)乘員造成的傷害。該設(shè)計(jì)理念及方法可為其他車型的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)提供參考。