基于子結(jié)構(gòu)拓?fù)鋬?yōu)化的大客車(chē)耐撞性改進(jìn)*

吳長(zhǎng)風(fēng)，那景新，秦國(guó)鋒，盧琳兆，袁 正，楊佳宙

（1.吉林大學(xué)，汽車(chē)仿真與控制國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，長(zhǎng)春 130022； 2.廈門(mén)金龍聯(lián)合汽車(chē)工業(yè)有限公司，廈門(mén) 361023；3.廣西師范大學(xué)職業(yè)技術(shù)師范學(xué)院，桂林 541004； 4.煙臺(tái)大學(xué)機(jī)電汽車(chē)工程學(xué)院，煙臺(tái) 264005）

前言

目前，國(guó)內(nèi)外大客車(chē)碰撞安全性的法規(guī)主要是考核側(cè)翻碰撞，而針對(duì)正面碰撞的法規(guī)尚未有成文的標(biāo)準(zhǔn)［1-2］。歐洲ECBOS項(xiàng)目、英國(guó)考文垂大學(xué)和美國(guó)NHTSA等都開(kāi)展了大客車(chē)正面碰撞測(cè)試與評(píng)價(jià)方法研究，主要借鑒商用車(chē)擺錘或乘用車(chē)正面碰撞測(cè)試方法，重點(diǎn)研究了現(xiàn)階段大客車(chē)的碰撞安全性與乘員傷害情況［3-6］。國(guó)內(nèi)長(zhǎng)安大學(xué)、湖南大學(xué)等也在大客車(chē)耐撞性評(píng)價(jià)方法、仿真和結(jié)構(gòu)改進(jìn)等方面開(kāi)展了相關(guān)研究［7-10］，客車(chē)行業(yè)自2010年開(kāi)始，在主管部門(mén)和行業(yè)協(xié)會(huì)推動(dòng)下，展開(kāi)大客車(chē)正面碰撞測(cè)試與評(píng)價(jià)方法的研究，以30 km／h速度100%剛性墻碰撞為測(cè)試方法［9，11］，以考核駕駛員生存空間和前排乘客損傷為主要評(píng)價(jià)指標(biāo)，進(jìn)行了十幾個(gè)不同車(chē)型的實(shí)車(chē)測(cè)試，初步形成了統(tǒng)一的大客車(chē)正面碰撞測(cè)試與考核評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)體系。因此，基于上述測(cè)試與評(píng)價(jià)方法，進(jìn)行大客車(chē)耐撞性改進(jìn)研究具有較大現(xiàn)實(shí)意義。

汽車(chē)耐撞性的研究主要采用CAE分析與實(shí)驗(yàn)結(jié)合的方式，可有效提升效率。然而整車(chē)碰撞涉及單元規(guī)模較大，計(jì)算時(shí)間較長(zhǎng)，且整車(chē)碰撞的關(guān)鍵問(wèn)題點(diǎn)往往集中于一些局部結(jié)構(gòu)，因此從整車(chē)中提取關(guān)鍵局部子結(jié)構(gòu)、進(jìn)行子結(jié)構(gòu)單獨(dú)分析優(yōu)化與驗(yàn)證、再將最優(yōu)方案導(dǎo)入整車(chē)的方法被廣泛采用，尤其是在乘用車(chē)的前防撞梁、吸能盒、前縱梁和側(cè)面碰撞等子結(jié)構(gòu)中的應(yīng)用［12-15］。此外，碰撞分析屬于非線性問(wèn)題，其拓?fù)鋬?yōu)化在工程上不易實(shí)施，采用基于碰撞力的等效載荷進(jìn)行靜力的拓?fù)鋬?yōu)化，可快速為車(chē)身結(jié)構(gòu)耐撞性改進(jìn)提供有效的參考依據(jù)［16-19］。

承載式大客車(chē)整車(chē)車(chē)身骨架主要由小截面桿件搭接而成，車(chē)身前部為平頭結(jié)構(gòu)，緩沖空間非常有限，前部桁架結(jié)構(gòu)強(qiáng)度直接關(guān)系到駕駛員的生存空間保護(hù)。本文中以一款12 m承載式大客車(chē)為研究對(duì)象，結(jié)合實(shí)驗(yàn)測(cè)試與CAE仿真方法，提出一種基于子結(jié)構(gòu)拓?fù)鋬?yōu)化的大客車(chē)車(chē)身骨架耐撞性的改進(jìn)方法。通過(guò)對(duì)車(chē)身骨架正面碰撞過(guò)程中主要變形分析，提取前端桁架子結(jié)構(gòu)，進(jìn)行單獨(dú)耐撞性分析與拓?fù)鋬?yōu)化，尋找結(jié)構(gòu)的合理傳力路徑，進(jìn)行多種工程改進(jìn)方案分析對(duì)比，選取符合結(jié)構(gòu)變形控制目標(biāo)、質(zhì)量增加最小的改進(jìn)方案，并進(jìn)行子結(jié)構(gòu)臺(tái)車(chē)測(cè)試驗(yàn)證，最后將改進(jìn)方案應(yīng)用到整車(chē)骨架中，以達(dá)到有效改進(jìn)整車(chē)耐撞性的目的。

1 原始車(chē)身結(jié)構(gòu)整車(chē)正面碰撞分析

根據(jù)全寬剛性墻正面碰撞測(cè)試、CAE建模和對(duì)標(biāo)分析的結(jié)果，整車(chē)總體變形與駕駛員生存空間侵入情況對(duì)比如圖1所示。由圖可見(jiàn)，CAE分析總體變形與實(shí)車(chē)碰撞較為接近。從碰撞后的車(chē)體變形上看，車(chē)身結(jié)構(gòu)前部變形較大，尤其在前軸之前的結(jié)構(gòu)，前風(fēng)窗玻璃和側(cè)窗第一塊玻璃均破損，底架前端變形較大，導(dǎo)致前圍橫梁后移，推動(dòng)轉(zhuǎn)向支架和轉(zhuǎn)向盤(pán)侵入駕駛員生存空間。整車(chē)碰撞的總動(dòng)能為485.73 kJ，骨架總的吸能為350.1 kJ，其中底架吸收237.23 kJ，占總吸能量的67.76%，可見(jiàn)底架是變形與吸能的主要結(jié)構(gòu)。

圖1 整車(chē)最大變形與生存空間考核

由于大客車(chē)正面碰撞變形主要集中于前部，測(cè)試駕駛員側(cè)的加速度信號(hào)可有效評(píng)估整車(chē)前部碰撞的激烈程度。駕駛員側(cè)加速度曲線實(shí)驗(yàn)與仿真的對(duì)比情況如圖2所示，曲線呈現(xiàn)出2個(gè)明顯的突出波峰，第1個(gè)峰值40g左右，第2個(gè)峰值將近35g，且仿真與實(shí)驗(yàn)波形趨勢(shì)總體吻合。

圖2 駕駛員側(cè)加速度曲線對(duì)比

2 前端桁架子結(jié)構(gòu)耐撞性的改進(jìn)

2.1 前端桁架子結(jié)構(gòu)的提取與分析

大客車(chē)駕駛區(qū)與乘客區(qū)結(jié)構(gòu)一般存在錯(cuò)層，主要變形區(qū)域集中于前駕駛區(qū)骨架，該區(qū)域結(jié)構(gòu)直接與駕駛員生存空間緊密相關(guān)，故選取該子結(jié)構(gòu)作為重點(diǎn)研究對(duì)象，進(jìn)行單獨(dú)分析改進(jìn)。提取底架前端駕駛區(qū)桁架結(jié)構(gòu)為子結(jié)構(gòu)，如圖3所示。該區(qū)域共吸能150 kJ，占底架總吸能的63.23%，其中吸能盒吸收32 kJ，而桁架結(jié)構(gòu)變形較大，吸能達(dá)到118 kJ。

圖3 前端桁架子結(jié)構(gòu)提取

從變形上看，該子結(jié)構(gòu)縱向傳力路徑設(shè)計(jì)不合理，發(fā)生較大局部失穩(wěn)彎曲變形，導(dǎo)致駕駛區(qū)縱向變形大，駕駛員生存空間被侵入，同時(shí)無(wú)法提供吸能盒后部橫梁足夠的支持，橫梁發(fā)生較大局部彎曲，導(dǎo)致吸能盒潰縮變形不完全，緩沖效果不佳。因此，有必要優(yōu)化該區(qū)域的傳力路徑，減小桿件局部失穩(wěn)變形，控制桁架結(jié)構(gòu)變形，提高吸能盒后部支撐剛度，以提升其吸能效果。

對(duì)子結(jié)構(gòu)單獨(dú)進(jìn)行30 km／h耐撞性分析，以子結(jié)構(gòu)在整車(chē)碰撞中的吸能量作為其等效條件，通過(guò)調(diào)整配重來(lái)調(diào)整碰撞動(dòng)能和子結(jié)構(gòu)吸能量，最終配重為4 750 kg，子結(jié)構(gòu)吸收的內(nèi)能為151.63 kJ，保持與整車(chē)中吸能量相當(dāng)。子結(jié)構(gòu)碰撞變形如圖4所示，與圖3所示其在整車(chē)碰撞中變形模式較一致。

圖4 子結(jié)構(gòu)碰撞最大變形情況

2.2 基于拓?fù)鋬?yōu)化子結(jié)構(gòu)改進(jìn)

碰撞傳力路徑規(guī)劃就是把來(lái)自前方的碰撞載荷沿著設(shè)計(jì)的承載結(jié)構(gòu)傳送到車(chē)輛后部［20］，乘用車(chē)的耐撞性設(shè)計(jì)經(jīng)過(guò)幾十年的發(fā)展，形成了目前上中下的3層傳力路徑，其中以中層“防撞梁-吸能盒-縱梁”傳力路徑吸能最大［19］。而承載式客車(chē)由小截面桿件搭接，沒(méi)有明顯的縱梁傳力，故采用拓?fù)鋬?yōu)化技術(shù)，分析改進(jìn)吸能盒后部桁架的傳力路徑。

工程上可采用基于碰撞力的等效載荷進(jìn)行靜力的拓?fù)鋬?yōu)化，其載荷條件有碰撞力峰值、局部峰值平均值和碰撞過(guò)程平均力3種［17，19］。本文中針對(duì)的是大客車(chē)前端桁架結(jié)構(gòu)，該區(qū)域?yàn)轳{駛員生存空間所在區(qū)域，要求盡可能減小塑性變形，故采用整車(chē)碰撞過(guò)程中吸能盒截面力峰值作為載荷條件，以子結(jié)構(gòu)中部橫截面間的空間面為優(yōu)化空間，如圖5所示，通過(guò)拓?fù)鋬?yōu)化，找出峰值載荷下的傳力路徑，為工程改進(jìn)設(shè)計(jì)提供參考。

圖5 拓?fù)鋬?yōu)化設(shè)計(jì)空間

優(yōu)化參數(shù)設(shè)定如下：

設(shè)計(jì)變量：優(yōu)化空間內(nèi)殼單元密度；

目標(biāo)函數(shù)：子結(jié)構(gòu)整體柔度最小；

約束條件：優(yōu)化后質(zhì)量分?jǐn)?shù)上限為0.1。

采用變密度法進(jìn)行拓?fù)鋬?yōu)化，得到拓?fù)鋬?yōu)化單元密度云圖和傳力路徑工程解讀，如圖6所示。

圖6 拓?fù)鋬?yōu)化結(jié)果與工程解讀

根據(jù)拓?fù)鋬?yōu)化結(jié)果，對(duì)比原結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)方案，可知原設(shè)計(jì)中縱向傳力路徑上桿件偏少，尤其吸能盒后部、桁架下層縱向支撐結(jié)構(gòu)偏少。根據(jù)客車(chē)駕駛區(qū)選材的一般規(guī)范，新增傳力路徑方鋼規(guī)格為40 mm×30 mm，厚度可選2.0或3.0 mm。從拓?fù)湓茍D設(shè)計(jì)側(cè)面為跨角度的斜撐設(shè)計(jì)厚度為2.0 mm；而上下平面的設(shè)計(jì)空間中，吸能盒后部第一個(gè)空間小短梁密度較大，則該區(qū)域設(shè)計(jì)了5條傳力路徑，厚度有A-2.0 mm與a-3.0 mm兩種；其后部橫向空間傳力路徑規(guī)劃方案為B-5條，b-3條，厚度有C-2.0 mm，c-3.0 mm兩種。此排列組合成8組方案，分析對(duì)比吸能盒吸能量、吸能比、桁架靠駕駛員側(cè)上縱梁最大變形量L，駕駛員側(cè)加速度峰值和子結(jié)構(gòu)的質(zhì)量，進(jìn)行綜合對(duì)比，如表1所示。

根據(jù)上述分析，改進(jìn)后吸能盒吸能量提高至100～110 kJ，縱梁變形控制在20 mm左右，加速度為50g～60g，設(shè)計(jì)目標(biāo)是控制變形，提高吸能量，同時(shí)考慮控制材料質(zhì)量增加量最小，因此選擇AbC方案作為工程實(shí)施方案，如圖7所示。圖中深色桿件表示新增結(jié)構(gòu)。

表1 桁架子結(jié)構(gòu)工程解讀方案對(duì)比

圖7 工程改進(jìn)結(jié)構(gòu)方案

2.3 改進(jìn)設(shè)計(jì)方案實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證

根據(jù)子結(jié)構(gòu)改進(jìn)方案進(jìn)行實(shí)物臺(tái)車(chē)測(cè)試，碰撞車(chē)速同為30 km／h，測(cè)試與仿真碰撞過(guò)程變形對(duì)比如圖8和圖9所示。

圖8 前端桁架臺(tái)車(chē)碰撞實(shí)驗(yàn)與仿真對(duì)比

圖9 子結(jié)構(gòu)改進(jìn)方案分析與測(cè)試對(duì)比

通過(guò)高速攝像的圖片處理獲得子結(jié)構(gòu)主要變形量數(shù)據(jù)：最大變形量為133.8 mm，駕駛員側(cè)縱梁變形為20.3 mm，吸能盒平均壓潰量為111.5 mm，可見(jiàn)變形得到有效控制。總體壓潰和縱梁變形量仿真與實(shí)驗(yàn)對(duì)比如表2所示，誤差在10%左右。

表2 子結(jié)構(gòu)變形對(duì)比

實(shí)驗(yàn)子結(jié)構(gòu)碰撞駕駛員側(cè)加速度最大值為48.04g，仿真為49.58g，仿真與實(shí)驗(yàn)加速度曲線對(duì)比如圖10所示，兩者總體趨勢(shì)較一致。故該改進(jìn)子結(jié)構(gòu)方案可用于整車(chē)改進(jìn)設(shè)計(jì)。

圖10 子結(jié)構(gòu)駕駛員側(cè)加速度對(duì)比

3 整車(chē)改進(jìn)驗(yàn)證

將子結(jié)構(gòu)優(yōu)化方案導(dǎo)入整車(chē)骨架模型進(jìn)行分析，結(jié)果表明，碰撞過(guò)程中駕駛員生存空間未被侵入，轉(zhuǎn)向盤(pán)管柱距離生存空間X方向的最小距離從原先的侵入86 mm變?yōu)樯杏?3 mm的距離，駕駛區(qū)桁架結(jié)構(gòu)變形得到控制，對(duì)于子結(jié)構(gòu)后部骨架，尤其是駕駛區(qū)地板與乘客區(qū)地板的過(guò)渡區(qū)域骨架變形更大了，但未從后部侵入生存空間；其中吸能盒吸能量由原先的32.2提高至98.72 kJ，有效緩沖了碰撞。改進(jìn)前后前部變形與生存空間情況對(duì)比如圖11所示。

圖11 改進(jìn)前后最大變形時(shí)刻對(duì)比

整車(chē)改進(jìn)前后駕駛員側(cè)加速度曲線對(duì)比如圖12所示。對(duì)比評(píng)價(jià)車(chē)身碰撞安全性3大關(guān)鍵指標(biāo)［21］，即最大加速度 amax、平均加速度 a-和加速度均方根σa，結(jié)果如表3所示。改進(jìn)后，前部碰撞沖擊峰值從原先的43.21g降低至29.4g，下降了31.96%，加速度均方根值由10.90減到9.16，減小了15.96%，波形效率更高，耐撞性得到有效提升。

圖12 駕駛員側(cè)加速度對(duì)比

表3 加速度關(guān)鍵指標(biāo)對(duì)比

4 結(jié)論

通過(guò)CAE分析與測(cè)試結(jié)合的方法，提出一種基于子結(jié)構(gòu)拓?fù)鋬?yōu)化的大客車(chē)耐撞性改進(jìn)方法，主要結(jié)論如下：

（1）承載式大客車(chē)前部碰撞過(guò)程中，由于車(chē)身前部空間有限，駕駛區(qū)桁架傳力路徑設(shè)計(jì)不合理，容易導(dǎo)致局部結(jié)構(gòu)失穩(wěn)變形過(guò)大，導(dǎo)致駕駛員生存空間受到侵入和車(chē)體緩沖不佳；

（2）提取駕駛員生存空間所在區(qū)域的前端桁架部分作為子結(jié)構(gòu)，對(duì)其進(jìn)行等效分析與改進(jìn)，采用吸能盒碰撞力峰值進(jìn)行子結(jié)構(gòu)桁架區(qū)域的拓?fù)鋬?yōu)化，以改善結(jié)構(gòu)傳力路徑；

（3）對(duì)8個(gè)方案的子結(jié)構(gòu)改進(jìn)進(jìn)行工程解讀，優(yōu)選AbC方案為臺(tái)車(chē)測(cè)試方案，并進(jìn)行子結(jié)構(gòu)臺(tái)車(chē)實(shí)物耐撞性測(cè)試，驗(yàn)證子結(jié)構(gòu)改進(jìn)方案的工程有效性；

（4）將改進(jìn)方案代入整車(chē)進(jìn)行耐撞性分析，發(fā)現(xiàn)生存空間從原先的侵入86 mm變?yōu)樯杏?3 mm余量，加速度峰值降低31.96%，加速度均方根值減小了15.96%，結(jié)構(gòu)耐撞性有較大的提升，驗(yàn)證了該方法的有效性。