某車型吸能盒碰撞中非常規變形問題研究

岳國輝，劉保祥，劉珍海，陳現嶺

（長城汽車股份有限公司技術中心，河北省汽車工程技術研究中心，保定 071000）

某車型吸能盒碰撞中非常規變形問題研究

岳國輝，劉保祥，劉珍海，陳現嶺

（長城汽車股份有限公司技術中心，河北省汽車工程技術研究中心，保定 071000）

以某車型在低速碰撞中吸能盒非正常變形問題解決為例，首先對仿真分析與試驗結果進行相關性分析，獲得能夠真實復現試驗中問題的仿真模型，然后在此模型基礎上進行試驗問題原因分析及吸能盒結構優化，最終制定問題解決方案，并通過理論驗證方案有效性。最后通過實車低速碰撞試驗驗證，確保該車型低速碰撞性能滿足公司性能設計目標要求。

低速碰撞；吸能盒；仿真分析；摩擦系數

CLC NO.:U467.1Document Code:AArticle ID:1671-7988 (2017)02-203-05

引言

隨著我國汽車安全碰撞標準的實施和推進，汽車的被動安全性已越來越受各汽車廠商的重視，而汽車發生碰撞時，首先潰縮變形的是汽車吸能盒，吸能盒特殊的結構設計不僅使乘客傷害程度盡量降低，也最大程度的保護了車輛本身，降低了車輛在碰撞中的損害，因此，對汽車吸能盒在碰撞碰撞過程中的安全性及其優化設計展開深入而廣泛的研究，不僅可以為車企提高產品質量，樹立品牌價值，同時也能在一定程度上降低交通事故中的傷亡率，具有十分重要的社會意義[1]。

本文以某車型15km/h RCAR前碰工況中吸能盒非正常潰縮變形問題解決為例，運用仿真分析工具，首先通過優化仿真模型中整車與壁障摩擦系數，得到仿真與試驗相關性程度高的分析模型，確保仿真分析結果能夠真實復現試驗中出現的問題，然后在此基礎上進行試驗問題原因分析、吸能盒結構優化及理論驗證分析，并通過實車低速碰撞試驗驗證，最終確保該車型低速碰撞性能滿足公司碰撞安全性能設計目標要求。

1、RCAR正面碰撞試驗工況介紹

低速碰撞一般指車速低于15 km/h 時的汽車碰撞，這種碰撞形式是城市交通中最常見的汽車碰撞[2-3]。汽車發生低速碰撞事故后，事故引起的車輛損失往往由保險公司承擔，因此保險公司須對車輛進行保險等級評估。目前，歐盟各國對車輛保險評級方法不完全相同，但主要采用RCAR(research council for automobile repairs)的正面碰撞、尾部碰撞試驗進行車輛低速碰撞性能評級[4]。RCAR是歐洲保險機構為確定車輛的保險評級而制定的測試要求，重點考察車輛在低速碰撞事故中的維修工時和成本。

在正面RCAR試驗中，試驗車輛以15km/h的速度撞擊前方的固定剛性RCAR壁障，壁障有半徑為150mm的圓角，碰撞表面有10°傾斜，另外壁障高度應高于試驗車輛，撞擊點位置為車輛前部40%寬度處，試驗車質量為整備質量加上75 kg的駕駛員質量[5]，具體工況說明如圖1所示。

圖1 RCAR正面碰撞試驗工況示意圖

發生低速碰撞時，決定其防撞性能的關鍵部件是汽車保險杠系統中的吸能部件，吸能特性好設計可將把碰撞產生的能量全部吸收，使車體的其它結構避免永久變形，從而保護汽車前縱梁、發動機等重要部件免受損壞，這也是設計人員追求的主要目標，因此無論從理論上還是從現實意義上研究低速碰撞時，汽車吸能部件的抗撞性能都顯得尤為重要[6]。

為考察車輛正面RCAR試驗碰撞性能，將零件分為可替換零件、可維修零件和不損傷零件。可替換零件一般通過螺栓、卡扣與車身連接，例如前保險杠、前格柵、前防撞梁和吸能盒等，此類零件損壞后可以簡單方便的用新零件替換，維修工時少；可維修零件包括發動機進氣管、風扇和發動機罩等，此類零件不能有大的結構變形，通過簡單維修即可復原；不損傷零件包括前縱梁、水箱上橫梁等與車身焊接結構，此類零件維修時涉及到切割、焊接、整形等工藝，工藝復雜，維修工時較長，費用較高。因此，正面RCAR試驗的主要設計思路就是通過前部吸能盒、防撞梁等可替換零件的充分變形吸能，防止不可替換零件，如前縱梁的損壞[7]。

2、試驗問題描述及優化改進

2.1 15km/h正面RCAR試驗問題描述

在該車型試生產階段，按照RACR前部碰撞工況試驗方法進行試驗，試驗后通過拆車發現，在碰撞過程中，前部吸能盒未能按照性能設計預期方式進行軸向潰縮變形，而是偏向一側，這種情況會導致吸能盒吸能效果差，對于保護車輛前端其他零部件不利。如圖2所示為防撞梁、吸能盒碰撞后具體變形情況。

圖2 某車型RCAR前部碰撞試驗結果

從圖2可以看出，在碰撞過程中，吸能盒未能完全起到潰縮吸能作用，而是向內側傾倒，同時造成吸能盒與縱梁連接上側安裝板發生撕裂變形，右側安裝板出安裝螺絲被拔脫；另外，對前端模塊、中冷、機艙蓋等零部件造成的損傷也較為嚴重，不利于RCAR保險等級評估。需針對問題進行仔細分析并制定可行的對策方案。

2.2 仿真與試驗相關性分析

為解決本次試驗問題，需借助前期在詳細設計階段中搭建的15km/h正面RCAR碰撞工況仿真分析模型，但發現在設計階段的分析模型中，吸能盒并未發生向內側傾倒變形，而是按照設計預期發生了軸向潰縮，且吸能效果較好，通過對分析模型中整車零部件狀態與實車進行差異性對比，同時對模型分析控制參數進行確認，最終將仿真與試驗差異大的真因鎖定在分析模型中整車與碰撞壁障之間的接觸摩擦系數上。

如表1所示為整車與碰撞壁障之間設置不同接觸摩擦系數時吸能盒的壓潰變形效果，通過對比仿真分析結果可以發現：當設置摩擦系數設置較大時，吸能盒完全潰縮；當設置摩擦系數設置較小時，吸能盒潰縮不完全或不發生潰縮，出現了與試驗中相吻合的分析結果，說明摩擦系數過大時，仿真中不真實的摩擦力阻止了吸能盒向一側傾斜。因此在本分析案例中，整車與碰撞壁障之間接觸摩擦系數的設置對仿真結果起到至關重要的作用。通過此次仿真與試驗相關性分析，還可以得出在50km/h正面全寬剛性壁障碰撞、64km/h可變性壁障偏置碰撞、以及15km/h正面RCAR碰撞等工況中，由于實際試驗中碰撞壁障的形狀、材質、表面處理等方面的差異，所以在仿真分析模型中整車與碰撞壁障之間的接觸摩擦系數的設定也不能一概而論，而應針對不同的工況進行深入對標分析以確定更合理的參數。

表1 不同摩擦系數對仿真結果的影響

在本分析案例中，最終確定整車與壁障之間接觸摩擦系數設定為0.05，獲得能夠合理復現試驗問題的仿真分析結果如圖3所示，在此模型及分析結果基礎上可以針對試驗問題進行深入分析與研究，并制定對策方案。

圖3 某車型RCAR正面碰撞仿真分析結果

2.3 試驗問題原因分析

如圖4所示，從防撞梁及吸能盒造型、布置、與碰撞壁障接觸特點方面分析可以發現，在低速碰撞過程中，當防撞梁與碰撞壁障接觸后，碰撞壁障會對防撞梁及吸能盒產生擠壓力F，該擠壓力F由于壁障與整車軸向之間存在10°的傾斜角度，所以會分解成車輛軸向分力F1及橫向分力F2，由于防撞梁與吸能盒在搭接位置處有一定向車身前端突出的傾斜設計，再加上吸能盒本身結構設計缺陷，當防撞梁及吸能盒在抵抗因橫向分力F2導致的橫向傾倒變形的能力弱于因抵抗軸向分力F1導致的軸向潰縮變形的能力時，就會發生吸能盒先傾倒再軸向潰縮甚至不能潰縮的問題。

圖4 某車型防撞梁造型、布置及與碰撞壁障接觸特點

如圖5、6所示，從吸能盒本身結構特征方面分析可以發現，該車型吸能盒本身結構設計缺陷為由于防撞梁在與吸能盒搭接處向車身前端突出的傾斜角度較大，導致吸能盒前端與防撞梁搭接處左右兩側結構剛度差異大，當防撞梁在擠壓力F作用下，向右側斜后方擠壓吸能盒時，由于吸能盒前端右側剛度明顯高于左側，導致吸能盒本身沒有產生軸向潰縮變形，而是橫向傾倒變形。

圖5 吸能盒與防撞梁搭接處結構示意

圖6 低速碰撞過程中吸能盒 前端變形效果示意

根據上述分析過程，可以得出該車型在15km/h正面RCAR碰撞試驗過程中吸能盒未按照設計預期發生軸向潰縮變形而發生橫向傾倒的主要原因是：防撞梁在與吸能盒搭接處造型及搭接形式不合理。考慮到該車型已處于試生產階段，所以本次問題整改主要考慮在防撞梁與吸能盒搭接區域進行局部結構優化。

2.4 吸能盒結構優化方案制定

為使吸能盒具有更大的吸能量以及具有更平穩的吸能過程，需要采取一些措施使得吸能盒變形更趨于理想的軸向折疊壓縮模式[8]，結合第3.3節問題原因分析結果，本次問題解決的主要思路應該是平衡吸能盒前端結構左右兩側剛度差異。如圖7所示是在仿真分析模型中經過多輪優化后獲得的問題整改方案：1）削去吸能盒右側鈑金件前端與防撞梁搭接處部分結構；2）調整吸能盒兩側鈑金件上的潰縮誘導槽的直徑及位置。通過上述兩項優化后使得吸能盒左右兩側剛度基本平衡，如圖8所示，是在執行完上述優化方案后的15km/h正面RCAR碰撞仿真分析結果示意，從圖中可以看到，在碰撞過程中，當防撞梁受到碰撞壁障的擠壓力F作用時，能夠很容易旋轉變形并轉化成向后平推吸能盒，使得吸能盒獲得較為理想的軸向潰縮變形效果，避免了橫向傾倒而不能潰縮的問題。

圖7 吸能盒結構優化 示意圖

圖8 吸能盒結構優化后 仿真分析結果

根據優化后仿真分析結果，結合常用吸能盒低速碰撞性能評價指標，包括：1）碰撞力峰值Fp，2）吸收總能量E，3）最大變形量δe，4）平均撞擊力Fm，5）耐碰撞指數ηc等[6、9]對本次優化方案效果進行性能評價如下。

如圖9所示是問題整改前后吸能盒截面力對比結果，問題整改前由于吸能盒發生傾倒變形，所以碰撞力峰值Fp發生在吸能盒壓潰初期，數值大小為53.63kN；問題整改后吸能盒實現完全軸向潰縮變形，所以碰撞力峰值Fp發生在吸能盒壓潰末期，數值大小為99.21kN，結果滿足該車型撞擊力許可值170kN（由縱梁前端在高速碰撞中截面力峰值確定），可以有效避免車輛縱梁等部件變形，降低車輛維修成本。

圖9 問題整改前后吸能盒截面力對比結果

如圖10所示是問題整改前后吸能盒總成能量吸收對比結果，問題整改前吸能盒總成吸收總能量E最大值為1.69× 106MJ；問題整改后吸能盒總成吸收總能量E最大值為5.54 ×106MJ，問題整改后由于吸能盒實現了設計預期的軸向潰縮變形，所以吸能總量較問題整改前增加約2.3倍，另外在總能量（即車輛低速碰撞總動能）中的占比也有問題整改前的12.5%提升到了問題整改后的30.1%。吸能盒總成更多地吸能，不僅可以在低速碰撞中保護車輛縱梁等其他部件，降低維修成本，還可以在車輛高速碰撞中吸收更多的能量，減少車輛損害和保護乘員安全[9]。

圖10 問題整改前后吸能盒能量吸收對比結果

對于碰撞后吸能盒最大變形量δe，通過在仿真分析結果中進行實際測量后得出，問題解決前由于吸能盒發生傾倒變形，所以有效潰縮的最大變形量δe平均值僅為14.1mm，而問題解決后有效潰縮的最大變形量δe平均值增大到了93.0mm，增大量非常明顯。在獲得吸能盒吸收總能量及最大變形量之后，則可以計算問題解決后平均撞擊力Fm=E/δe= 5.54×106/93.0/1000=59.6kN，平均撞擊力代表吸能盒碰撞力的平均值，可以反應吸能盒結構吸收能量的總體情況，相同變形量情況下，吸能盒吸收的總能量與平均撞擊力成正比，因此，在吸能盒長度確定時，平均撞擊力越大吸能盒吸收的總能量越多，吸能效果越好，對車輛和乘員的安全性也越好[9]，由于問題解決前吸能盒發生傾倒變形，所以平均撞擊力已無參考意義，所以不再進行結果說明。最后對于耐碰撞指數ηc，問題解決前ηc=E/M=1.69×106/(1.02×10-4)=165.68(M為吸能盒總成質量), 問題解決后ηc=E/M=5.54×106/(1.02× 10-4)=543.14，問題解決后耐碰撞指數提升效果明顯。

通過上述吸能盒的理論及對比分析可以發現，針對該車型吸能盒在低速碰撞過程中傾倒變形的問題解決方案可以達到預期目標，可以開展下步實車試驗驗證工作。

2.5 基于仿真優化方案的實車碰撞試驗驗證

根據仿真優化方案結果，制作吸能盒樣件，由于吸能盒結構改動較小，只需在原有模具基礎上進行修改，大大節省了問題整改成本。如圖11所示是吸能盒樣件及裝車后效果，圖12所示是低速碰撞試驗后防撞梁及吸能盒變形效果，與仿真結果完全一致。

圖11 重新開發吸能盒樣件

圖12 吸能盒結構優化后實車驗證結果

經問題整改后，吸能盒前端結構剛度均衡，引導防撞梁向后平推吸能盒，吸能盒潰縮狀態良好，從根本上提升了該車的低速碰撞性能，真正起到了實車在低速碰撞過程中對周邊零部件的保護，降低維修成本，達到了針對RCAR評價規程的設計要求。

3、總結

本文以某車型在RCAR前部碰撞工況中出現的問題解決為例，首先通過調整仿真分析模型控制參數將仿真與試驗進行相關性分析，確定了整車與碰撞壁障之間接觸摩擦系數對仿真結果的影響，同時復現了在15km/h正面RCAR碰撞試驗過程中出現的吸能盒非軸向潰縮變形，而是向車輛右側傾倒變形的非設計預期問題，并在此仿真模型基礎上進行試驗問題分析及吸能盒結構優化，確保改進設計在工程應用中易于實施且能夠有效解決問題，最終使優化設計后的吸能盒結構達到合理變形效果，在解決實車問題的同時，提高了該車型RCAR低速保險評估性能，最后對問題整改前后分析結果進行了理論及對比分析，充分證明方案的有效性。

通過此次問題解決總結如下：

1）仿真分析模型中，針對不同的碰撞工況，由于車輛前端及碰撞壁障的結構、材質、形狀等的不同，車輛與壁障之間接觸的控制參數如摩擦系數應通過大量相關性分析進行修正，而不是簡單的使用經驗數值；

2）在整車碰撞安全性能開發過程中，仿真分析手段可以起到至關重要的引導作用，如果應用得當，可以起到有效降低車型開發周期與成本的作用；

3）低速吸能盒結構在車輛低速碰撞工況中的合理設計，可以有效避免車輛縱梁等部件變形，降低車輛維修成本，另外在高速碰撞中也可以通過更多地吸收碰撞能量，減少對車輛的損害同時更好保護乘員安全。

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圖7 地面制動力-時間歷程圖

圖8 制動減速度-時間歷程圖

4、結論

通過對車輛制動過程進行深入的受力以及運動學分析，建立了能反映車輛運動狀態與受力狀態的整車兩輪模型、制動系統模型、制動器模型等，根據以上所建立的模型以及算法，手工編制出具有實用性的制動分析軟件，對客車制動性能進行分析，不僅能有效縮短制動器研發所需時間，而且減少了相關試驗次數，在客車制動器開發以及性能評估方面，具有深遠的應用價值。

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Research on the non normal deformation of energy absorbing box of one car in low speed crash

Yue Guohui, Liu Baoxiang, Liu Zhenhai, Chen Xianling
( Technology Center, Great Wall Motor Co. Ltd, Hebei Automobile Technology Research Center, Hebei Baoding 071000 )

The problem of non normal deformation of the energy absorbing box of one car in the low speed crash is solved as an example. Firstly, the correlation analysis between the simulation analysis and the test results is analyzed, when the simulation model can reproduce the problem in the test, based on this model to analyze the causes of the test problem and optimize the energy absorbing box structure. Then, the solution of the problem is formulated and validated by the theoretic method. Finally, we use the verification of real car low speed crash test to ensure the low speed crash performance of this car can meet the performance requirements of company.

Low speed crash; Energy absorbing box; Simulation analysis; Friction coefficient

U467.1

A

1671-7988(2017)02-203-05

岳國輝（1982-），男，工程師。大學本科，就職于長城汽車股份有限公司技術中心。目前從事汽車研發方向。

10.16638/j.cnki.1671-7988.2017.02.070