可脫落式前副車架結構仿真與試驗

張迎軍+涂金剛+張林波+肖海峰+潘鋒

摘要：為應對日趨嚴格的被動安全法規和標準以及當前流行的短前懸設計帶來的整車前碰空間不足的問題，提出可脫落式副車架設計方案。首次引入三階等效波設計方法，基于某車型Euro NCAP前部偏置碰撞仿真結果提取前副車架連接點位置的載荷特征曲線，規劃可脫落式副車架的失效時域；設計前副車架脫落方式及其零部件試驗方案，采用CrachFEM失效模型對試驗方案進行仿真，對比5輪試驗與仿真結果發現：CrachFEM失效模型仿真與沖擊試驗中前副車架的拉脫失效力峰值的誤差最大值為4.31%。將優選脫落結構設計方案應用于該車型Euro NCAP前部偏置碰撞仿真計算，前副車架在規劃時域內脫落，第三階等效加速度a₃降低11.83%，整車位移增大20 min，整車歸零時刻延長1.1 ms，因此該方案可有效改善該車型的前部高速耐碰撞性能。

關鍵詞：汽車；前副車架；三階等效波；失效仿真；CrachFEM；LS-DYNA

中圖分類號：U467.14 文獻標志碼：B

0引言

當前，國內主流家用轎車一般采用前置前驅的動力總成布置形式，在應對日趨嚴格的碰撞安全法規和標準時，由于前部高速碰撞發生時前艙可供變形吸能的有效空間（以下簡稱“碰撞空間”）不足，常常表現為整車加速度后段均值偏高，乘員傷害值偏大，從而給NCAP星級開發目標的實現帶來巨大挑戰。

前副車架是轎車底盤重要的承載部件，其特殊的設計能使整車在承受來自正面碰撞沖擊載荷的情況下，分散沖擊能量，有效改善整車碰撞加速度波形。可脫落式副車架將副車架與車身的連接部件設計成在特定受力條件下可以自行脫落的方式，使得前部碰撞發生時，前副車架從車身連接點脫落并因自身重力的作用而向下移動，同時帶動與之相連的動力總成下沉，實質上可增大前碰過程中前縱梁的碰撞空間，從而實現降低加速度的目的。在國外，主流主機廠對可脫落式副車架設計進行大量的研究，并申請國際專利保護。Mazda公司提出一種基于前副車架安裝支架螺栓過孔邊緣弱化的結構，螺栓過孔發生大變形時前副車架脫離車身，該結構已成功應用于量產車型Mazda CX-5；Ford公司設計一種前副車架后連接點脆性脫落結構，并已成功應用于Focus 2015；Honda公司設計一種利用連接螺栓預緊產生的界面摩擦力限值來控制前副車架前連接點與車身分離的結構，該結構見于Honda CRV和奧德賽；Toyota公司采取前副車架后連接點滑脫的方案；Tesla公司采用在前副車架中部邊梁設置折彎誘導槽的方式，實現前副車架前連接點脫落。華晨汽車設計一種在副車架羊角上端面開豁口的結構，在保障整車激勵和動剛度的同時，提升某款車型的耐撞性能；吉利汽車在前副車架連接套筒上設置局部弱化缺口結構，并已經將該成果應用于一款量產車型。

本文針對Euro NCAP前部偏置碰撞工況引入三階等效波設計方法，基于Euro NCAP前部偏置碰撞仿真計算結果提取前副車架連接點的載荷特征曲線，規劃可脫落式副車架的失效時刻，設計前副車架脫落方式及其零部件試驗方案：首先采用CrachFEM失效模型對試驗方案進行仿真研究；然后試驗驗證CrachFEM失效模型預測結果的有效性；最后將優選脫落方案應用于整車結構，用Euro NCAP前部偏置碰撞仿真驗證設計方案的可行性。

1三階等效波

在預研階段，新車型碰撞的仿真及優化過程要求以盡可能少的參數表征整車前碰加速度，同時又能等效假人傷害值，從而實現快速評估整車結構優化成果的目的。為此，基于文獻，奇瑞公司引入三階等效波理論，將Euro NCAP前部偏置碰撞的車體加速度波形簡化為三階等效波形，假設在前部偏置碰撞試驗中，整個碰撞行為變形吸能的空間可以分為3部分：（1）前保橫梁前端與蜂窩鋁壁障背板之間的蜂窩鋁壓潰距離d₁；（2）動力總成在蜂窩鋁壁障重疊區域至前保橫梁最前端區間的結構件變形d₂；（3）動力總成最后端至防火墻對應部位前端之問的結構變形以及防火墻和地板吸能變形d₃。整車變形吸能區域示意見圖1。

根據d₁，d₂和d₃變形區域的能量守恒原理，可以將復雜的實車前部偏置碰撞波形轉換成物理特征明顯的三階等效波形，經無量綱化處理后見圖2。把Euro NCAP前部偏置碰撞加速度曲線劃分為7個階段：

（1）前保橫梁開始擠壓蜂窩鋁壁障，碰撞力上升，時間較短；

（2）蜂窩鋁壁障被壓潰，有波形，形成第一個平臺，對應d₁變形階段的第一階等效加速度a₁；

（3）前保橫梁和吸能盒被壓潰，碰撞力上升，時間短；

（4）縱梁被壓潰，有波形，吸收能量可用力的平均值表示，形成第二平臺，對應d₂變形階段的第二階等效加速度a₂；

（5）前副車架，上彎縱梁等部件進入碰撞范圍，發動機撞擊并壓實壁障，碰撞力上升，時間較短；

（6）更多零部件進入碰撞過程，如縱梁后部、防火墻、中通道、底板縱梁等，形成第三平臺，對應d₃變形階段的第三階等效加速度a₃；

（7）碰撞力下降，碰撞動能吸收完成，結構開始回彈，加速度下降。

除保證總碰撞能量守恒的條件外，等效三階波還需要保證與實車波形有如下關系。

（1）相同的回彈時刻：整車速度為零時車體開始反彈。（2）相同的發動機停止時刻：發動機撞上壁障的時刻。（3）相同的車體最大動態變形：d_max=f（d₁，d₂，d₃）。

根據以上碰撞原理和前提假設，使用二次開發工具將實車碰撞波形簡化為三階等效波形，其特征參數回彈時刻t_r，發動機停止時刻t_e，最大動態變形d_max，以及總能量密度均與實車碰撞波形一致。endprint

基于上述理論，整車前部40%偏置碰撞工況的車身結構優化的首要任務是降低第三階等效加速度a₃，并盡可能地提高a₁和a₂。

2可脫落式副車架結構設計

針對某車型，基于可脫落式前副車架降低a₃原理（見圖3）和第1節所述第（5）階段碰撞特征，弱化前副車架連接點位置車身鈑金結構，設計方案結構特征見圖4a）。經過一系列的零部件仿真分析發現：決定車身鈑金結構撕裂拉脫失效力大小的因素包括鈑金結構的材料牌號（屈服強度、等效塑性應變）、材料厚度、邊緣弱化孔半徑r，以及弱化孔r的開孔方向。綜合制造工藝可行性，最后確定在前副車架前連接點車身支架螺栓通孔位置與x軸方向呈114°夾角對稱開共計2個半徑r=8 mm的弱化孔，見圖4b）。在確保不明顯影響車身結構強度、NVH和耐久性能的前提下，實現在預設的目標拉脫力范圍內使前副車架前安裝點脫離車身。

3零部件動態沖擊與失效仿真

3.1試驗臺架

針對該車型，進行Euro NCAP前部偏置碰撞工況LS-DYNA仿真計算，提取左側B柱根部的加速度-時間曲線，并基于第1節所述方法，使用MATLAB二次開發工具，將實車碰撞波形簡化為三階等效波形，經無量綱化處理后見圖5。前副車架連接點設計在60～75 ms時刻脫離車身有可能降低a₃。

從某車型Euro NCAP前部偏置碰撞工況仿真計算結果中提取前副車架車身連接點螺栓的載荷特征曲線，見圖6。

根據理論力學基本原理可知施力夾角（方向）和合力大小分別為

根據式（1）和（2）計算60～75 ms時域內前副車架前后車身連接點的受力大小，見表1。

設計前副車架脫落結構動態沖擊試驗裝置見圖7，包括安裝在碰撞驅動小車上的發射頭和與發射頭相配合的沖擊擋板。前副車架樣件外側設有軸套和十字拉脫銷，前副車架樣件內側設有凸焊螺母，長螺栓依次穿過十字拉脫銷、軸套與凸焊螺母固定；十字拉脫銷橫向穿過拉脫叉并與之鉸接；前副車架樣件固定于沖擊角座上，沖擊角座頂面為斜面，斜面的傾斜角度與試驗施力角度相同。試驗時發射頭撞擊沖擊擋板，沖擊擋板帶動拉脫叉總成沿水平導軌滑動，進而拉脫叉經十字拉脫銷帶動長螺栓進行拉脫動作，從而模擬實際前部高速碰撞過程中副車架車身連接點的真實載荷工況。根據施力夾角，沖擊角座傾斜角取30°；驅動小車和發射頭總質量約950 kg，以10 km/h的速度沿水平方向撞擊沖擊擋板。

3.2動態沖擊試驗與失效仿真

基于CrachFEM失效模型，建立前副車架脫落結構動態沖擊試驗有限元仿真模型（見圖8）。副車架連接點車身鈑金厚度為2.0 mm，材料為DP590，弱化缺口r=8 mm，網格大小為1 mm，模型包括2道長20 mm的對稱燒焊焊縫，焊點采用節點重合/網格對齊的方式連接凸焊螺母邊緣與車身鈑金，焊接位置建模考慮熱影響區，通過*INITIAL_STRESS_SHELL對涉及的材料塑性硬化曲線、材料成形極限曲線、剪切失效曲線和正向失效曲線進行適當縮放實現，以犧牲焊點自身精度實現焊點熱影響區的斷裂失效模擬；考慮連接螺栓的預緊作用，通過*INITIAL_AXIAL_FORCE_BEAM對連接螺栓施加40 kN的預緊力。

沖擊試驗樣件仿真與試驗試件最終形貌對比見圖9，二者整體變形吻合良好，螺栓缺口位置的鈑金撕裂裂紋萌生位置和鈑金撕裂最終形貌一致性良好。

動態沖擊仿真與試驗的加速度-時間曲線見圖10。由此可知，仿真與試驗中小車加速度峰值基本一致（相對于實驗值，仿真結果誤差為2.82%），相位相差8.6 ms，這是由沖擊試驗裝置中十字拉脫銷與拉脫叉之間的相對運動和試驗時在沖擊擋板上加裝緩沖木板引起的。

CrachFEM失效模型包括正向失效、剪切失效和局部頸縮引起的失穩失效，后處理中可以通過查看單元的失效指標判斷引起失效的原因，見圖11。圖11a）為3個指標的合成云圖；從圖11b）可知該模型中裂紋萌生不是由正向斷裂引起的；從圖11d）可知該模型中裂紋萌生也不是由局部頸縮引起的；圖11c）為剪切失效指標，數值大于1，說明動態沖擊試驗裂紋萌生是由剪切失效引起的。改變車身鈑金的材料牌號和厚度以及弱化孔的尺寸，形成5個脫落結構設計方案，分別進行CrachFEM失效模型仿真和動態沖擊試驗，動態沖擊仿真與試驗拉脫失效力對比見表2。對比可脫落式副車架結構動態沖擊試驗結果，5輪CrachFEM失效模型仿真與沖擊試驗中前副車架的拉脫失效力峰值誤差最大值為4.31%，因此可以認為采用CrachFEM失效模型仿真預測副車架結構拉脫力和失效形貌是可靠、合理的。

最優方案為副車架車身前連接支架采用DP780材料，鈑金厚度1.5 mm，螺栓通孔位置與x軸方向呈114°夾角，對稱開共計2個r=8 mm的弱化孔，脫落失效力為29.2 kN，最有可能滿足Euro NCAP前部偏置碰撞工況前副車架脫落要求。

4整車偏置碰仿真驗證

基于CrachFEM失效模型，將最優方案再現在某整車CAE模型上，進行Euro NCAP前部偏置碰撞仿真分析，結果顯示前副車架前連接點位置車身鈑金支架在t=64.3 ms時刻發生撕裂失效，拉脫失效力峰值為26.7 kN。

脫落方案實施前后動態沖擊試驗結果對比見表3。采用可脫落式副車架結構設計方案后，偏置碰撞加速度第三階等效加速度a₃降低至29.8g（降低4.0g），整車位移增大20 mm，整車歸零時刻延長1.1 ms。該平臺車型的前部高速碰撞耐撞性能得到改善。

5結論

（1）針對某整車Euro NCAP前部偏置碰撞工況首次引入三階等效波設計方法，基于LS-DYNA仿真計算結果提取前副車架連接點的載荷特征曲線，規劃可脫落式副車架的失效時域t=60～75 ms。

（2）設計前副車架脫落方式及其零部件試驗方案，采用CrachFEM失效模型對試驗方案進行仿真研究，比對5輪試驗與仿真結果發現CrachFEM失效模型仿真與沖擊試驗中前副車架的拉脫失效力峰值的誤差最大值為4.31%。

（3）將最優脫落方案應用于整車結構，進行Euro NCAP前部偏置碰撞工況仿真計算，結果顯示：t=64.3 ms時刻前副車架前連接點成功脫離車身支架；相對于原始結構，優化結構第三階等效加速度a₃降低11.83%，整車位移增大20 mm，整車歸零時刻延長1.1 ms，驗證前副車架脫落結構設計方案的有效性。

（4）CrachFEM失效模型能有效模擬碰撞過程中普遍存在的鈑金撕裂現象，可以為被動安全開發提供解決方案。endprint