基于幾何吸能控制技術(shù)的車身結(jié)構(gòu)優(yōu)化

袁煥泉

（廣州汽車集團(tuán)股份有限公司汽車工程研究院）

汽車在發(fā)生正面碰撞時(shí)，主要是由車身前端結(jié)構(gòu)的塑性變形來吸收碰撞動(dòng)能[1-2]。而對(duì)于乘用車來說，前縱梁的結(jié)構(gòu)形式和吸能特性將決定整車碰撞時(shí)的加速度和力的響應(yīng)。目前對(duì)于汽車正面碰撞縱梁結(jié)構(gòu)研究的文獻(xiàn)很多[2-9]，但對(duì)整個(gè)縱梁結(jié)構(gòu)布置及吸能特性的研究較少。文章提出了基于幾何吸能控制技術(shù)的車身結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)方法，對(duì)某車型縱梁結(jié)構(gòu)進(jìn)行了初步設(shè)計(jì)與結(jié)構(gòu)優(yōu)化，通過仿真和試驗(yàn)對(duì)比表明，該方法能有效地指導(dǎo)縱梁的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)與優(yōu)化，為提升整車碰撞性能提供重要的依據(jù)。

1 幾何吸能結(jié)構(gòu)控制技術(shù)原理

幾何吸能控制技術(shù)是一種整車吸能、沖擊力分導(dǎo)設(shè)計(jì)的碰撞安全技術(shù)，它包括前縱梁、吸能盒、前保險(xiǎn)杠、前副車架及上下A柱等。圖1示出幾何吸能控制技術(shù)結(jié)構(gòu)示意圖。

前副車架的前端也可以采用現(xiàn)有技術(shù)的直角結(jié)構(gòu)與縱梁100的前段模塊搭接，但優(yōu)選向斜上與前段模塊搭接，從而吸能盒、前段模塊及前副車架三者形成“人”字形接頭。前段模塊的后端與中段模塊的前端連接；中段模塊的后部與前懸架橋塔等模塊連接，并作為前懸架和發(fā)動(dòng)機(jī)罩等模塊的承載結(jié)構(gòu)；中段模塊的后端與后段模塊的前端連接；后段模塊的前端也作為前懸架模塊的承載結(jié)構(gòu)；后段模塊的后部作為發(fā)動(dòng)機(jī)罩鉸鏈支架的安裝區(qū)域；后段模塊的后端與上A柱和下A柱搭接，且平滑地過渡到上A柱。

圖2示出幾何吸能控制技術(shù)原理示意圖。

由于縱梁100的前段模塊從中段模塊斜向前下延伸，同時(shí)吸能盒、前段模塊及前副車架三者形成“人”字形接頭，因此，如圖2所示，當(dāng)碰撞開始時(shí)，吸能盒向后傳遞碰撞力，會(huì)在該“人”字形接頭處分解并沿上/下傳力通道傳遞。上傳力通道通過前段模塊向后傳遞碰撞力，下傳力通道通過前副車架向后傳遞碰撞力。設(shè)計(jì)完成后，可使碰撞力有效地被分散。當(dāng)前段和中段模塊順次發(fā)生變形時(shí)，碰撞力向后段模塊傳遞，并借助中段模塊和后段模塊的“人”字形構(gòu)造分解成上/下傳力路徑。上傳力路徑將碰撞力經(jīng)過上A柱向后傳遞，下傳力路徑將碰撞力經(jīng)過下A柱向后傳遞。因此在這種設(shè)計(jì)模式下，除了下A柱會(huì)分擔(dān)較大比例的碰撞力外，上A柱也可以承擔(dān)相當(dāng)比例的碰撞力。由于上A柱分擔(dān)了一部分碰撞力，使下A柱承受的碰撞力減小，下A柱與地板和門檻梁前端連接，因此乘員艙下部結(jié)構(gòu)在碰撞中承受的沖擊得到緩解。

由于前段模塊斜向前下延伸，因而與碰撞面有傾斜角，為保證“人”字形接頭的上/下傳力通道能穩(wěn)定向后傳遞碰撞力，可以根據(jù)直梁的彎曲臨界角設(shè)計(jì)前段模塊的角度（在前段模塊、中段模塊分別為直線形式的情況下）。已知受到非軸向碰撞力時(shí)，梁的彎曲臨界角計(jì)算公式為：

式中：L——梁的長(zhǎng)度，mm；

c——梁的寬度，mm。

當(dāng)前，絕大部分轎車的前縱梁橫截面的寬度大于100 mm，因此上面推薦的前段模塊的長(zhǎng)度為300～800 mm，在長(zhǎng)寬比（L/c）為8︰1的情況下，前段模塊的彎曲臨界角約為16°，因此前段模塊與中段模塊所成的傾斜角度（α）的推薦值為15°以下。前副車架前端的向前斜上的傾角也可以參照此方法設(shè)計(jì)。

在如上所述的“人”字形接頭布局下，最大的彎矩通常發(fā)生在前段模塊的后端，即與中段模塊的搭接處。因此為防止應(yīng)力集中，除了在前段模塊與中段模塊的搭接處設(shè)置圓滑過渡外，還建議內(nèi)置加強(qiáng)件。

當(dāng)前段模塊及副車架的前段在碰撞中被壓潰時(shí)，中段模塊的結(jié)構(gòu)需要保持穩(wěn)定，以便使前段模塊能穩(wěn)定的潰縮吸能。為保證中段模塊能在前段模塊潰縮時(shí)不發(fā)生屈曲變形，文章推薦根據(jù)方形管梁的最大承載力公式校核中段模塊的設(shè)計(jì)。已知方形管梁的最大承載力公式為：

式中：t——管壁厚度，mm；

b——截面高度，mm；

d——截面寬度，mm；

kp，β——修正系數(shù)；

E——彈性模量，Pa；

V——泊松比；

σy——屈服強(qiáng)度，Pa。

經(jīng)過式（2）校核，使中段模塊的失穩(wěn)載荷大于前段模塊穩(wěn)定壓潰時(shí)產(chǎn)生的平均壓潰力，并留有一定余量（推薦20%以上的余量），由此保證中段模塊不發(fā)生失穩(wěn)屈曲。

當(dāng)前段模塊（前段梁）潰縮完成時(shí)，中段模塊參與變形吸能。推薦中段模塊采用封閉方形管梁制成，其截面尺寸不小于前段模塊的截面尺寸。同樣根據(jù)式（2）可知，采用較大截面尺寸的管梁具有較高的極限承載能力，可使中段模塊（中段梁）的前部發(fā)生潰縮變形時(shí)，其后部仍能保持穩(wěn)定，防止變形過早向后擴(kuò)展。

由于與前段模塊類似，后段模塊、上A柱及下A柱三者也構(gòu)成“人”字形連接，后段模塊與A柱的搭接高度比傳統(tǒng)直縱梁要高。由于后段模塊處于發(fā)動(dòng)機(jī)艙與乘員艙承接部位，需達(dá)到較高的結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性，因此，如上所述后段模塊的縱向截面沿前后方向擴(kuò)大，以便中段模塊和后段模塊也形成“人”字形構(gòu)造并在搭接部位形成圓滑過渡，從而將碰撞力穩(wěn)定傳遞至上/下A柱。

2 整車正面碰撞結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

根據(jù)幾何吸能控制技術(shù)控制原理，可以將縱梁結(jié)構(gòu)從前至后分為前/中/后段3個(gè)模塊分別詳細(xì)優(yōu)化設(shè)計(jì)（如圖1所示）。對(duì)于前段模塊，以碰撞變形吸能為設(shè)計(jì)目標(biāo)，通過合理的選用不同等級(jí)的材料和厚度優(yōu)化吸能效果；對(duì)于中/后段模塊，通過優(yōu)化材料和厚度兼顧碰撞變形吸能的需要，同時(shí)也在通過局部區(qū)域添加加強(qiáng)板保證結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性，保證縱梁后部結(jié)構(gòu)不對(duì)乘員艙過度侵入。

在概念設(shè)計(jì)階段，首先應(yīng)規(guī)劃好正面碰撞力的傳導(dǎo)路徑，力傳導(dǎo)主要有2條路徑，如圖3所示。

第1條路徑：前保險(xiǎn)杠經(jīng)由前縱梁分三路，向上經(jīng)上A柱傳導(dǎo)到車身后部，中間經(jīng)車門橫梁和防撞杠傳導(dǎo)到車身后部，向下經(jīng)下A柱傳導(dǎo)到門檻梁；

第2條路徑：前保險(xiǎn)杠經(jīng)由前副車架分兩路，一路傳導(dǎo)到地板縱梁，另一路傳導(dǎo)到門檻梁。

力傳導(dǎo)所經(jīng)截面必須滿足碰撞的力學(xué)性能要求，為此必須對(duì)典型截面進(jìn)行力學(xué)分析，按照這個(gè)分析結(jié)果，與數(shù)據(jù)庫(kù)或?qū)?biāo)車進(jìn)行對(duì)比，從而確定各典型截面尺寸。

各截面尺寸確定后，可以結(jié)合總布置、造型、NVH性能要求及工藝約束等設(shè)計(jì)出車身結(jié)構(gòu)初版3D數(shù)模。

在概念設(shè)計(jì)階段，還要依據(jù)開發(fā)車型的市場(chǎng)定位及競(jìng)標(biāo)車型的情況，設(shè)定碰撞性能目標(biāo)。一般在結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)上，整車正面碰撞考察的主要目標(biāo)有左/右B柱下方加速度、A柱變形角、足跟區(qū)域侵入量動(dòng)態(tài)值及前圍最大動(dòng)態(tài)侵入量等。不同等級(jí)車型上述目標(biāo)值不一樣。

3 整車正面和40%偏置碰撞結(jié)構(gòu)分析

完成車身結(jié)構(gòu)初版3D數(shù)模設(shè)計(jì)后，利用CAE進(jìn)行碰撞性能分析，基于分析結(jié)果，綜合總布置、造型、NVH性能要求及輕量化和工藝約束等進(jìn)行結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)。

3.1 整車碰撞有限元模型建立

基于初步3D數(shù)模，根據(jù)《乘用車正面碰撞的乘員保護(hù)》標(biāo)準(zhǔn)和企業(yè)碰撞分析規(guī)范，利用LS-DYNA分別建立了某車型整車的全正面碰撞模型和40%偏置碰撞模型，如圖4和圖5所示。

3.2 整車正面碰撞分析

整車碰撞有限元模型建立后，即可對(duì)整車進(jìn)行碰撞仿真分析，文章對(duì)碰撞目標(biāo)設(shè)立如下：

1）左/右B柱下方加速度≤40 g；

2）A柱變形角≤4°；

3）足跟區(qū)域侵入量動(dòng)態(tài)值≤70 mm；

4）前圍最大動(dòng)態(tài)侵入量≤150 mm。

全面正面碰撞仿真分析結(jié)果與實(shí)車碰撞試驗(yàn)結(jié)果變形對(duì)比，如圖6所示。從圖6可以看出，發(fā)動(dòng)機(jī)罩與前縱梁的變形基本與試驗(yàn)一致。

圖7示出B柱下方加速度曲線的對(duì)比。從圖7可以看出，仿真與試驗(yàn)基本吻合，但是，左/右B柱下方加速度峰值已經(jīng)超過了40 g，最大達(dá)到43 g，未達(dá)到設(shè)定的碰撞目標(biāo)。

3.3 40%偏置碰撞仿真分析

40%偏置碰撞仿真和實(shí)車碰撞試驗(yàn)對(duì)比分析結(jié)果，如圖8～14所示。從圖8～14可以看出，前縱梁的變形基本與試驗(yàn)一致；左A柱在1，2處出現(xiàn)彎折，仿真與試驗(yàn)結(jié)果一致；前副車架在1，2處的變形基本與試驗(yàn)一致；B柱下方加速度曲線仿真與試驗(yàn)基本吻合；A柱變形角度、前圍和足跟區(qū)最大動(dòng)態(tài)侵入量，滿足設(shè)定目標(biāo)要求。從偏置碰的結(jié)果來看，左A柱有輕微折彎，有可能對(duì)車門開啟造成一定影響；左B柱下方加速度峰值為42 g，未滿足設(shè)定的目標(biāo)。

由全正碰和偏置碰的結(jié)果可知，整車的碰撞性能并未達(dá)到事先設(shè)定的目標(biāo)，因此需要對(duì)車身結(jié)構(gòu)進(jìn)行優(yōu)化，以滿足碰撞要求。

4 車身碰撞結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)

4.1 車身結(jié)構(gòu)優(yōu)化

通過整車碰撞仿真分析及試驗(yàn)結(jié)果，可以看出：1）全正碰左右B柱加速度峰值較高，超過了目標(biāo)值，主要原因?yàn)榍案避嚰苓^于剛硬，需要弱化前副車架；2）偏置碰左A柱有較小的折彎，對(duì)左側(cè)車門打開有一定負(fù)面影響。前縱梁前/中部變形充分，起到良好的吸能作用；但縱梁后端變形稍大，對(duì)乘員艙的完整性不利。

綜上，對(duì)前縱梁和前副車架進(jìn)行結(jié)構(gòu)優(yōu)化，具體措施，如表1和表2所示。

表1 某車型前縱梁具體優(yōu)化位置和措施

表2 某車型前副車架具體優(yōu)化位置和措施

4.2 優(yōu)化后整車模型碰撞分析

通過以上對(duì)前縱梁和前副車架零件的結(jié)構(gòu)及材料優(yōu)化，建立優(yōu)化后的整車碰撞模型，并進(jìn)行全正碰和40%偏置碰仿真分析和試驗(yàn)驗(yàn)證。全正碰結(jié)果，如圖15～18所示。

從圖15可以看出，仿真與試驗(yàn)的前縱梁變形較為一致，而且前縱梁后端變形較小，優(yōu)于優(yōu)化前的狀態(tài)；從圖16可以看出，仿真與試驗(yàn)的前副車架變形較為一致，弱化的前副車架要比優(yōu)化前的結(jié)構(gòu)變形更充分，這樣有利于帶動(dòng)動(dòng)力總成下潛，減少對(duì)前圍的侵入量；從圖17和圖18可以看出，B柱速度曲線仿真與試驗(yàn)吻合，速度到零時(shí)刻也非常接近，說明模型中車體剛度與試驗(yàn)比較吻合，加速度曲線與試驗(yàn)結(jié)果也吻合較好，加速度最大值34 g，較優(yōu)化前降低20%，小于目標(biāo)值40 g，滿足了要求。

40%偏置碰仿真分析和碰撞試驗(yàn)結(jié)果，如圖19和20所示。

從圖19和圖20可以看出，B柱下方的加速度最大值為28 g，較優(yōu)化前降低33%，趨勢(shì)與試驗(yàn)吻合得較好，加速度峰值的偏差也在3%以內(nèi)，峰值時(shí)刻偏差小于3 ms，而且小于40 g，滿足目標(biāo)要求。

5 結(jié)論

基于幾何吸能控制技術(shù)的車身結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)與優(yōu)化方法，能指導(dǎo)車身前端結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)很好的達(dá)到設(shè)定目標(biāo)要求，為車身結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)提供了很好的理論依據(jù)。實(shí)踐表明，幾何吸能控制技術(shù)相對(duì)于現(xiàn)有技術(shù)具有6項(xiàng)優(yōu)點(diǎn)：1）幾何吸能控制結(jié)構(gòu)前端形成了“人”字形的結(jié)構(gòu)布局，可使碰撞力有效地被分散，減輕初始時(shí)刻現(xiàn)有技術(shù)采用的單個(gè)傳力通道的受力狀況，因此這種“人”字形的前端布局比單一直縱梁更穩(wěn)定。2）幾何吸能控制結(jié)構(gòu)前端布局對(duì)碰撞能量的吸收能力大，最大可達(dá)60%，即在同等潰縮距離下，前端結(jié)構(gòu)能吸收更多的碰撞能量。3）由于縱梁100的中段模塊采用了截面寬度不小于前段模塊的封閉管梁制成，具有較高的極限承載能力，因此當(dāng)中段模塊前面的結(jié)構(gòu)發(fā)生潰縮變形時(shí)，中段模塊能保持穩(wěn)定。4）準(zhǔn)確而合理分配上A柱傳遞碰撞能量比例，特別是在碰撞后期碰撞力較大的時(shí)刻，這種結(jié)構(gòu)可在一定程度上分擔(dān)了下傳力通道的碰撞力，這對(duì)于緩解乘員艙下部的變形和降低乘員艙下部的加速度具有重要意義。5）幾何吸能控制結(jié)構(gòu)可以達(dá)到發(fā)動(dòng)機(jī)艙結(jié)構(gòu)輕量化的效果。6）幾何吸能控制結(jié)構(gòu)還有利于發(fā)動(dòng)機(jī)艙總體布置。