某車型后端低速碰撞性能分析及優化研究

饒陽，詹立力　汪育全　徐夢飛　葉小青

摘 要：本文通過對某車型建立低速碰撞CAE仿真模型，結合仿真結果和結構特點找出了影響低速碰撞性能的相關參數。針對這些影響參數，在現有布置結構的約束下，對方案進行優化，最終通過CAE仿真和實車試驗共同驗證了優化方案的可行性。該研究為改進低速碰撞性能和車輛后部結構設計提供了參考。

關鍵詞：低速碰撞；CAE分析；結構優化；后保險杠

中圖分類號：U461.91 文獻標識碼：A 文章編號：1005-2550（2017）06-0045-05

Abstract： In this paper， a low-speed collision CAE simulation model is established， and the relevant parameters affecting the low-speed collision performance are found by combining the simulation results and structural characteristics. In view of these influence parameters， under the constraint of the existing arrangement structure， the scheme is optimized， and finally the feasibility of the optimization scheme is verified by CAE simulation and real vehicle test. This study provides a reference for improving low-speed collision performance and designing vehicle rear structure.

Key Words： low-speed crash； CAE analysis； Structural optimization； Rear bumper

前 言

隨著汽車保有量的增大，車輛行駛安全性能越來越受到人們關注。汽車碰撞事故按照碰撞速度不同可以分為高速碰撞和低速碰撞，在道路擁擠的城市工況下，碰撞事故以低速碰撞為主，此類事故對人身傷害較小，往往損壞的是車身零部件，有效滿足低速碰撞法規可以降低事故發生后的維修費用，對延長車輛使用壽命也有著積極的作用。

1 低速碰撞法規介紹

GB 17354-1998《汽車前、后端保護裝置》是目前國內低速碰撞采用的強制法規。法規中要求對車輛正前方和正后方分別進行兩次碰撞，兩次碰撞分別是在整車整備質量和加載質量時進行的，加載質量需要將整車加載到半載狀態。前后每個方向上的兩次碰撞分別在縱向位置和車角位置進行，縱向位置兩次碰撞的碰撞器中垂面位置相距不小于300mm。縱向碰撞試驗的速度應控制在4km/h，車角碰撞試驗的速度應控制在2.5km/h。并且角碰試驗中碰撞器的A平面應與車輛的縱向對稱面構成60°±5°夾角。其中碰撞器的有效質量應與整車的整備質量相當，基準高度為445mm。

碰撞試驗后，對車輛需要滿足的要求如下：

1）照明燈和信號裝置應能持續正常工作并清晰可見；

2）車輛的發動機罩蓋、行李箱蓋和車門能正常開閉，并且汽車的側門應在碰撞的作用下不能開啟；

3）車輛供油和冷卻系統應無泄漏，不發生油路或水路堵塞，其密封裝置與油箱和水箱蓋應能正常工作；

4）車輛的排氣系統不應損壞和錯位；

5）車輛的傳動系統、懸架系統（包括輪胎）、轉向和制動系統應保持良好的調整狀態并能正常工作。

2 某車型后端低速碰撞分析

2.1 低速碰撞CAE分析結果

以某車型為例建立CAE仿真分析模型，進行車速4km/h的縱向碰撞，圖2為后端低速碰撞示意圖，圖3為后端低速碰撞最大入侵量。從碰撞過程可以看出，后霧燈在整備質量和半載下的碰撞中都會受到后方拖車鉤的擠壓，其中在整備質量下，后霧燈受拖車鉤擠壓的情況更為嚴重，兩種工況下后霧燈均有損壞的風險，不滿足低速碰撞的法規要求。從碰撞過程的最大侵入量來看，同樣整備質量下的侵入量會比半載工況侵入量更大，侵入時間更長，后霧燈受損的幾率更高。

2.2 低速碰撞影響參數分析

低速碰撞的碰撞結果與相關布置參數有很大的關系。圖4找出了影響該車型碰撞結果的幾個重要參數。其中，c-碰撞器端部與防撞梁Z向重疊量對碰撞結果影響很大。由于該車型的防撞梁布置位置偏高，導致碰撞器端部與防撞梁Z向的重疊量過小，在半載工況下，重疊量只有8mm，而在整備質量下，重疊量更是減小到0。這就導致在低速碰撞試驗中，防撞梁不能有效阻止碰撞器的入侵，會增大侵入量，延長侵入時間，這與圖3表現出來的仿真結果是相吻合的。從圖2的碰撞示意圖中也可以看出，由于整備質量工況下的侵入量較大，后霧燈受擠壓的情形也比半載工況下更嚴重。

a-蒙皮凸出霧燈表面的距離，b-霧燈X向的尺寸，d-霧燈與拖車鉤的距離。對碰撞結果有直接影響的參數為c和d，霧燈與拖車鉤的距離d直接決定了碰撞過程中霧燈會不會與拖車鉤接觸，導致霧燈被擠壓損壞。而霧燈的X向尺寸b和蒙皮凸出霧燈表面的距離a可間接影響d的數值，從而影響碰撞結果；并且a的大小還會影響碰撞過程中霧燈面板會不會與碰撞器接觸，導致霧燈面板損壞。

3 低速碰撞結構方案優化

上文中針對碰撞結果，對影響碰撞的參數進行了相關分析。由于該車型是改款項目，車身結構的相關布置都已固化，包括后防撞梁高度，拖車鉤的位置等。所以常規的布置手段已經不能解決低速碰撞不滿足法規的問題，現需要對其它結構進行優化，來解決該問題。endprint

3.1 防撞梁結構優化

碰撞器端部與防撞梁的Z向重疊量c是影響碰撞結果的重要參數，在防撞梁高度和整車姿態一定的前提下，碰撞器端部與防撞梁的Z向重疊量也是固定的，無法通過布置來優化重疊量c。

現通過優化防撞梁結構，增加防撞支架的方案來阻止碰撞器的入侵，間接增加重疊量c。如圖5所示，增加的防撞支架在縱向碰撞和偏置碰撞中都能夠有效支撐碰撞器，阻止碰撞器的入侵。該手段可以在關鍵碰撞位置有效增加碰撞器端部與防撞梁的Z向重疊量，通過后續的CAE仿真驗證，改善效果較明顯。

在防撞支架的設計過程中，有兩種思路：一種是潰縮式支架，另一種是剛性支架。如圖6所示，左側支架設計有潰縮槽，設計初衷為支架在碰撞過程中自身變形，吸收能量，減小防撞梁本體的變形量，從而有效阻止碰撞器的侵入。而在實際碰撞過程中，如圖7所示，由于碰撞點較低，防撞梁受碰撞后發生的扭轉變形的趨勢不可避免，導致潰縮式支架的碰撞結果并不理想。從而考慮增強支架自身的剛性，通過支架本身來阻止碰撞器的侵入，后續的仿真結果也表明，剛性支架的設計確實對碰撞結果有利。

3.2 后霧燈結構優化

受造型風格和整車布置的影響，后保蒙皮距拖車鉤的距離無太大的優化空間，縮小后霧燈X向的尺寸b，可以有效增大后霧燈與拖車鉤的距離d，從而減小碰撞時后霧燈受拖車鉤擠壓損壞的風險。

目前常見的霧燈燈泡布置方案為縱置式，燈泡布置在霧燈的正后方，這樣使整個霧燈的X向尺寸較大。競品車型中日產已有很多車型采用了橫置燈泡的方案，可以有效減小霧燈X向的尺寸，雖然橫置燈泡對霧燈的配光和散熱有一定的影響，但仍可以滿足設計要求。從表2的分析可以看出，橫置方案比縱置方案可以減小霧燈X向尺寸約20mm，從而增大后霧燈與拖車鉤的距離。

3.3 蒙皮造型優化

同后霧燈一樣，在其它條件不變的前提下，減小后霧燈X向的尺寸b，可以有效增大后霧燈與拖車鉤的距離d；同樣，減小蒙皮凸出霧燈表面的距離a也可以增大后霧燈與拖車鉤的距離d。

在后保險杠設計中，為滿足碰撞要求，一般要求蒙皮凸出霧燈表面的距離為25mm，由于本案例受布置空間的限制，已將蒙皮凸出霧燈表面的距離減小到15mm。表3中的車型后霧燈都是布置在后保險杠的中間位置，霧燈在碰撞后受損的風險較高。從分析數據來看，霧燈的高度直接處在碰撞器端部的區域時，需要適當增大蒙皮凸出霧燈表面的距離來降低霧燈受損的風險。本案例中，霧燈的離地高度為492mm，剛好處在碰撞器端部的區域，結合競品數據，為了進一步優化低速碰撞的結果，將蒙皮凸出霧燈表面的距離由15mm優化到10mm，從而增大后霧燈與拖車鉤的距離。

4 優化方案驗證

表4是低速碰撞影響參數的優化值，針對優化后的CAE仿真模型，碰撞仿真結果如圖9和圖10所示。從碰撞結果來看，優化后的碰撞器侵入量有不同程度的減小，說明防撞梁方案起到了阻止碰撞器入侵的作用，后霧燈在整個碰撞過程中也沒有和拖車鉤接觸，極大的降低了后霧燈損壞的風險，從CAE仿真結果可以看出，優化方案有效可行。

5 總結

本文通過對某車型建立低速碰撞CAE仿真模型，結合仿真結果找出影響碰撞結果的相關參數。針對這些影響參數，對結構進行優化設計，最終通過CAE仿真和實車試驗共同驗證了優化方案的可行性。以上方法為改進低速碰撞性能和車輛后部結構設計提供了參考，具有一定的工程意義。

參考文獻：

[1]李政， 王大志， 李璧浩， 杜漢斌. 低速碰撞過程中前保結構的改進設計研究[J].上海汽車. 2011（5）： 33-36.

[2]崔淑娟， 陳可明， 史愛民， 符志， 李氣輝.某車型后端低速碰撞的安全性能分析及優化[J]. 汽車工程學報. 2016， 6（6）：442-448.

[3]柳蕭， 楊新明， 呂鑫， 張雅強， 王秀錦. 汽車后保險杠低速碰撞的法規及布置要求[J]. 汽車工程師. 2016（11）：11-14.

[4]GB17354-1998. 汽車前后端保護裝置[S]. 北京：中國標準出版社， 1998.

[5]石錦， 邱榮英， 汪霞， 徐凱， 盧宇峰. 汽車低速碰撞模擬中的關鍵因素識別[J]. 汽車安全. 2014（11）：57-60.endprint