基于車(chē)身變形量的正面碰撞波形的分析與優(yōu)化

韓玉環(huán) 曾祥義 劉志新 李向榮

摘要：結(jié)合樣車(chē)在碰撞試驗(yàn)中的動(dòng)態(tài)表現(xiàn)，對(duì)正面碰撞的加速度曲線進(jìn)行分析，同時(shí)提出判斷車(chē)身入侵量是否合理的評(píng)價(jià)指標(biāo)。通過(guò)對(duì)車(chē)身前端結(jié)構(gòu)強(qiáng)度的調(diào)整，達(dá)到優(yōu)化整車(chē)碰撞波形的目的，并使侵入量滿(mǎn)足指標(biāo)要求Ⅲ。后期借助臺(tái)車(chē)試驗(yàn)對(duì)優(yōu)化后的波形進(jìn)行驗(yàn)證，使假人的各個(gè)傷害值滿(mǎn)足正面碰撞法規(guī)（GB 11551-2014）的要求，從而證明優(yōu)化波形的有效性和正確性。

關(guān)鍵詞：車(chē)身變形；正面碰撞；波形優(yōu)化；臺(tái)車(chē)試驗(yàn)

1引言

近年來(lái)國(guó)內(nèi)汽車(chē)的保有量逐年上升，交通事故也是呈明顯上升態(tài)勢(shì)。正面碰撞是發(fā)生頻率最高的交通事故，所以研究正面碰撞性能顯得尤為重要。為了促進(jìn)汽車(chē)正面碰撞設(shè)計(jì)和耐撞性的提升，在總結(jié)分析汽車(chē)碰撞實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)的基礎(chǔ)上，利用LS-DYNA軟件模擬仿真汽車(chē)正面碰撞過(guò)程，在模型和試驗(yàn)對(duì)標(biāo)的基礎(chǔ)上，把相應(yīng)的方案在模型中進(jìn)行體現(xiàn)同時(shí)以侵入量為優(yōu)化目標(biāo)，對(duì)更新后的模型進(jìn)行驗(yàn)算，達(dá)到快速有效開(kāi)發(fā)的目的。

本文以某款微車(chē)為研究對(duì)象，進(jìn)行碰撞模擬仿真，并對(duì)正面碰撞的結(jié)果進(jìn)行了研究分析。在整車(chē)平臺(tái)的開(kāi)發(fā)中，充分考慮碰撞安全性能，滿(mǎn)足消費(fèi)者日益增長(zhǎng)的需求，已是衡量一個(gè)產(chǎn)品是否成功的標(biāo)準(zhǔn)。

2樣車(chē)碰撞摸底試驗(yàn)

2.1碰撞試驗(yàn)表現(xiàn)

碰撞試驗(yàn)為一微型貨車(chē)，試驗(yàn)后車(chē)門(mén)不能正常開(kāi)啟，前端結(jié)構(gòu)擠壓嚴(yán)重。乘員的生存空間已經(jīng)無(wú)法保障，假人的指標(biāo)各傷害值不太理想。駕駛室變形明顯，同時(shí)車(chē)架縱梁存在彎折，使假人在與駕駛室相對(duì)運(yùn)動(dòng)過(guò)程中與方向盤(pán)接觸位置產(chǎn)生偏差，導(dǎo)致假人的頭部傷害指標(biāo)HPC>1000，不滿(mǎn)足法規(guī)要求。見(jiàn)圖1所示。

2.2各關(guān)鍵部位侵入量

目前在整車(chē)的碰撞安全性能開(kāi)發(fā)前期都會(huì)為車(chē)身耐撞性的開(kāi)發(fā)進(jìn)行性能指標(biāo)分解，包括能量分配、傳力路徑的規(guī)劃，車(chē)身結(jié)構(gòu)的侵入量等內(nèi)容。為了降低車(chē)型后期開(kāi)發(fā)的成本，這里只對(duì)車(chē)身結(jié)構(gòu)的侵入量進(jìn)行控制，同時(shí)適當(dāng)調(diào)整縱梁結(jié)構(gòu)強(qiáng)度。通過(guò)控制車(chē)身各關(guān)鍵部位的侵入量，可以使乘員艙的生存空間得到保障，避免對(duì)假人造或過(guò)大的傷害。下表是侵入量的評(píng)價(jià)指標(biāo)及各部位在碰撞試驗(yàn)中的測(cè)量值：

由下表可以看出，各關(guān)鍵點(diǎn)的侵入量或后退量基本全部在指標(biāo)要求的范圍之外，同時(shí)在結(jié)合樣車(chē)在摸底試驗(yàn)中的碰撞表現(xiàn)，可以得出結(jié)論：（1）車(chē)架前縱梁前端吸收能量偏低，導(dǎo)致駕駛室變形嚴(yán)重；（2）車(chē)架中段強(qiáng)度過(guò)低，碰撞過(guò)程中彎折，駕駛室往后發(fā)生一定角度的翻轉(zhuǎn)，使假人傷害值增加。

2.3加速度波形分析

原始波形經(jīng)過(guò)濾波通道頻率等級(jí)為60的低通濾波器濾波后，得到了CFC60波形，見(jiàn)下圖：

對(duì)上圖中的碰撞波形進(jìn)行分析，主要有以下兩個(gè)問(wèn)題：

（1）圖中碰撞的帶寬較長(zhǎng)，一般碰撞時(shí)間在80ms左右就已經(jīng)結(jié)束，此碰撞過(guò)程持續(xù)到lOOms左右。

（2）波形存在兩處比較明顯的尖狀波形（圖中圓圈處），說(shuō)明在碰撞過(guò)程中縱梁的吸能過(guò)程不穩(wěn)定，后期需對(duì)縱梁的整體剛度進(jìn)行結(jié)構(gòu)優(yōu)化。

從以上幾方面的分析可以得出結(jié)論：車(chē)身前端結(jié)構(gòu)的不合理導(dǎo)致吸能效果不理想，碰撞波形變化劇烈，車(chē)身整體變形量過(guò)大，各關(guān)鍵部位的侵入量較大，車(chē)身結(jié)構(gòu)有很大的提升空間。

3有限元對(duì)標(biāo)模型建立

3.1建立LS-DYNA環(huán)境下基礎(chǔ)模型

應(yīng)用有限元法進(jìn)行仿真分析幾何模型的建立是重要內(nèi)容，也是求解的基礎(chǔ)。首先對(duì)模型進(jìn)行網(wǎng)格劃分、設(shè)置約束、載荷和邊界條件，最后進(jìn)行求解，得出仿真結(jié)果。

完成的仿真模型中沙漏能占模型總能量3.21%，小于目標(biāo)要求5%；滑移界面能占模型總能量1.59%，小于目標(biāo)要求5%；模型總質(zhì)量增加1.59%，小于目標(biāo)要求3%；模型總能量最大波動(dòng)幅度為1.79%，小于目標(biāo)要求3%。基于以上幾點(diǎn)，模型能量變化基本符合能量守恒定律，模型可用于對(duì)標(biāo)。具體數(shù)值見(jiàn)下表2：

3.2有限元模型與碰撞試驗(yàn)對(duì)標(biāo)

3.2.1前端結(jié)構(gòu)潰縮形式對(duì)標(biāo)

根據(jù)摸底試驗(yàn)中的碰撞表現(xiàn)對(duì)標(biāo)碰撞模型。分別對(duì)車(chē)身前縱梁的前端和中段進(jìn)行對(duì)標(biāo)。圖2的第一個(gè)波峰是由前縱梁前端的撞擊潰縮產(chǎn)生的，加速度在30g左右；第二個(gè)波峰數(shù)值在44g左右，是縱梁中段彎折后整體作用產(chǎn)生的效果。

圖3中左面是仿真模型縱梁前端的潰縮形式，與試驗(yàn)中的變形模式相接近。圖四中縱梁中段產(chǎn)生折彎現(xiàn)象，仿真模型也體現(xiàn)了相應(yīng)效果。車(chē)身前端結(jié)構(gòu)主要吸能件對(duì)標(biāo)基本達(dá)到要求。

3.2.2侵入量對(duì)標(biāo)

通過(guò)縱梁前端和中段的對(duì)標(biāo)，可以保證模型與試驗(yàn)在關(guān)鍵件的潰縮形式上保持一致；同時(shí)對(duì)車(chē)身各部位的入侵量對(duì)行對(duì)比，進(jìn)一步保證模型與實(shí)車(chē)狀態(tài)的一致性。從而在此對(duì)標(biāo)模型的基礎(chǔ)上提出改進(jìn)方案，優(yōu)化仿真的可信度極高。

4碰撞仿真模型優(yōu)化

4.1結(jié)構(gòu)加強(qiáng)方案

通過(guò)前面對(duì)樣車(chē)碰撞表現(xiàn)與加速度波形的分析，對(duì)車(chē)身結(jié)構(gòu)做相應(yīng)調(diào)整，以?xún)?yōu)化波形。經(jīng)過(guò)多輪的驗(yàn)算敲定車(chē)身結(jié)構(gòu)的優(yōu)化方案，其中前縱梁的材質(zhì)由DC01調(diào)整到B210P1；縱梁內(nèi)部增加加強(qiáng)板，料厚在1.2mm，材質(zhì)B210P1；縱梁的后端需單獨(dú)加強(qiáng)，以增加整體的穩(wěn)定性。加強(qiáng)方案見(jiàn)下圖5：

4.2碰撞仿真模擬

根據(jù)車(chē)架加強(qiáng)方案，同步更新有限元模型，并進(jìn)行碰撞模擬仿真分析。

波形優(yōu)化后，可以看出縱梁的變形趨于穩(wěn)定，沒(méi)有大的尖峰產(chǎn)生，同時(shí)碰撞的時(shí)間帶寬也大幅減小，在60ms左右完成碰撞過(guò)程。總的來(lái)看，前端結(jié)構(gòu)的剛度得到加強(qiáng)，車(chē)身前端的最大變形量相對(duì)基礎(chǔ)車(chē)型大幅減小，經(jīng)過(guò)對(duì)比在132mm左右。碰撞波形見(jiàn)下圖6：

4.3關(guān)鍵部位侵入量

對(duì)仿真模型中各部位的侵入量進(jìn)行統(tǒng)計(jì)，并與評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)值進(jìn)行對(duì)比，可以看到優(yōu)化后的侵入量數(shù)值都滿(mǎn)足評(píng)價(jià)指標(biāo)，優(yōu)化后的波形初步可信。見(jiàn)表4。

5臺(tái)車(chē)試驗(yàn)驗(yàn)證優(yōu)化波形

5.1模擬臺(tái)車(chē)試驗(yàn)

波形優(yōu)化后如在整車(chē)狀態(tài)實(shí)現(xiàn)，其周期較長(zhǎng)，投入較大。模擬臺(tái)車(chē)試驗(yàn)可以很好的解決這個(gè)問(wèn)題，把白車(chē)身經(jīng)過(guò)加工后安裝到試驗(yàn)臺(tái)車(chē)上，可以快速準(zhǔn)確的驗(yàn)證波形的有效性，大大縮短了開(kāi)發(fā)周期，同時(shí)也降低了開(kāi)發(fā)成本。

試驗(yàn)臺(tái)車(chē)由液壓伺服電機(jī)驅(qū)動(dòng)，把優(yōu)化后的波形做為pulse輸入到驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)中，完成沖擊試驗(yàn)。同時(shí)白車(chē)身安裝好約束系統(tǒng)各部件，要求與實(shí)車(chē)的狀態(tài)一致。按照正面碰撞法規(guī)（11551-2014）的要求布置好假人，安裝好傳感器及數(shù)據(jù)采集等設(shè)備。圖7是試驗(yàn)前的狀態(tài)：

5.2試驗(yàn)結(jié)果

試驗(yàn)后對(duì)假人的傷害值進(jìn)行統(tǒng)計(jì)，具體數(shù)值見(jiàn)表5：

可以看出，假人的各個(gè)限值都滿(mǎn)足要求，試驗(yàn)順利通過(guò)，從而證明了優(yōu)化波形的正確性。

6結(jié)語(yǔ)

本文詳細(xì)闡述了一種在正面碰撞性能開(kāi)發(fā)中基于車(chē)身變形量的正面碰撞波形的優(yōu)化方法，利用碰撞試驗(yàn)和有限元仿真相結(jié)合的方法快速有效的解決問(wèn)題。在正面碰撞中，車(chē)身結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)、碰撞波形的形態(tài)、約束系統(tǒng)配置對(duì)假人傷害的影響較大，同時(shí)也是一個(gè)耦合關(guān)聯(lián)性較強(qiáng)的一個(gè)問(wèn)題。通過(guò)這種優(yōu)化方法可以使車(chē)身結(jié)構(gòu)耐撞性和約束系統(tǒng)開(kāi)發(fā)相獨(dú)立，從而使每個(gè)開(kāi)發(fā)模塊的開(kāi)發(fā)目標(biāo)更明確。碰撞波形的優(yōu)化，與整車(chē)各總成的結(jié)構(gòu)形式、工藝的一致性等方面息息相關(guān)。此方法有助于進(jìn)行車(chē)身結(jié)構(gòu)安全性能設(shè)計(jì)，提高整車(chē)的耐撞性，減少碰撞對(duì)乘員的沖擊，并為平臺(tái)后續(xù)產(chǎn)品的開(kāi)發(fā)提供參考和支持。