基于載荷傳遞模型的汽車耐撞性研究

陳冬民，張雅萍，侯聚英，王麗娟，陳宗渝

（1.江鈴汽車股份有限公司，江西 南昌 330052；2.南昌大學 先進制造學院，江西 南昌 330031）

由于汽車保有量越來越多，汽車的安全越來越受到重視。汽車碰撞事故中正面碰撞最為普遍，且造成的死亡人數最多。因此，研究汽車正面碰撞安全性能有著重要的現實意義。國內外汽車行業高度重視汽車耐撞性的研究，而基于碰撞載荷傳遞的汽車耐撞性設計是提高整車被動安全性的重要途徑。劉釗對正面碰撞時汽車碰撞載荷的傳遞路徑進行了深入的分析，并針對車體結構傳遞載荷能力不足的缺陷，提出了改進意見。王大志通過理論分析，對碰撞過程中載荷傳遞路徑進行規劃，通過計算得到傳力部件的截面力設計要求。簡曉春基于能量吸收理論對汽車正面碰撞耐撞性進行了優化設計。

本文首先以某款SUV為研究對象，根據車體結構建立64 km/h正面40%偏置碰撞工況下的載荷傳遞模型。隨后，對模型進行分析，以降低侵入量為目標，對車體結構進行優化改進。

1 整車正面碰撞CAE分析

為了建立載荷傳遞模型，通過整車64 km/h正面40%偏置碰撞CAE分析獲得碰撞車體各部位沖擊載荷。整車正面碰撞有限元模型如圖1所示，單元總數為847 060，其中殼單元總數為593 609，實體單元總數為15 624，單元的平均尺寸為10 mm。根據歐洲新車評價規程（European New Car Assessment Program, ENCAP）正面碰撞標準，對整車進行64 km/h正面40%偏置碰撞安全性仿真分析。圖2為相應碰撞工況下的整車變形情況，相關侵入量如表1所示，分析結果表明，基礎車型侵入量不滿足ENCAP 5星設計目標。

圖1 整車有限元模型

圖2 偏置碰撞工況變形

表1 基礎車型仿真結果

2 沖擊載荷傳遞及能量吸收模型

汽車的正面碰撞過程實質上是一個包含著載荷傳遞和能量轉化的過程，碰撞載荷通過汽車的承載部件進行傳遞，汽車的動能轉化為車身部件的塑性變形能。圖3為本文所研究的SUV的前部車體結構，在正面偏置碰撞過程中，碰撞載荷是由前懸上邊梁、前縱梁以及副車架來進行傳遞；汽車的動能轉化成了前懸上邊梁，前縱梁以及副車架的塑性變形能。

圖3 SUV的前部車體結構

為了能夠對正面偏置碰撞過程中的載荷傳遞進行更加深入的分析，需要建立載荷傳遞模型。在所建立的模型中，連線的箭頭方向為部件之間的載荷流向。結合具體的車體結構，得到車輛在正面40%偏置碰撞工況下的載荷傳遞模型框圖（圖4），圖中的虛線框內部件為關鍵部件，這些部件的變形、侵入的大小直接決定了表1中的指標是否滿足設計要求。圖中的綠色路徑為偏置碰撞時，汽車正面所受的外部載荷。

3 模型分析及改進方案

由圖4中的模型可知，正面偏置碰撞工況下汽車所受的外界載荷主要來自兩個方面：

（1）壁障與前防撞梁的部分結構相接觸，經過前防撞梁分流之后，載荷被重新分配，形成了新的3條路徑：碰撞壁障與前防撞梁接觸通過冷卻系統、發動機總成傳遞到前圍的沖擊載荷，圖4中的A路徑；碰撞壁障與前防撞梁接觸通過左前縱梁傳遞到地板，圖4中的B路徑；碰撞壁障與水箱上橫梁接觸沿前懸上邊梁傳遞到A柱與門檻梁，圖4中的C路徑。

（2）壁障與左前車輪相接觸，左前輪受到擠壓后移，將載荷傳遞到A柱與門檻梁，圖4中的D路徑。

3.1 載荷優化分析

侵入量的具體指標為門框變形量、防火墻侵入量、方向盤移動量、制動踏板移動量、加速踏板移動量。為了滿足設計要求，必須對上述指標所涉及部件的變形量進行控制，控制部件變形的方法可以從兩個角度來考慮：主動控制和被動控制。主動控制旨在通過減小作用在部件上的載荷來達到較小變形的目的；被動控制旨在通過增加部件的自身剛度來減小變形。不難發現，基于前者的改進方法在汽車耐撞性優化設計中更為有效，更易獲得低成本、高性能的方案。基于此， 結合載荷傳遞模型，提出一種載荷優化分析思路：首先在圖4中找到對應的部件（虛框中的部件），即為受載部件。其次根據載荷路徑找到受載部件前一級的一級施載部件。對于主動控制而言，即控制受載部件的受力，可以通過兩條思路來實現：（1）減少一級施載部件的受力；（2）對一級施載部件和受載部件之間的載荷進行一級載荷分流；其中思路（1）可進一步循環分析一級施載部件自身前一級的二級施載部件，以此類推，最終得到優化結果。具體的流程如圖5所示。

圖4 載荷傳遞模型

圖5 載荷優化分析思路

3.2 侵入量的控制

對圖4所示模型進行必要的簡化，得到圖6。

根據圖6可知，為了減小加速、制動踏板所 受到的載荷、，有兩條改善思路：（1）減小防火墻的受力；（2）對防火墻傳遞的載荷進行分流，即增加大小。對思路（1）進一步分析：減少防火墻受力的兩條思路：減少發動機總成受力；對發動機總成傳遞的載荷進行分流，即增加大小，新增載荷路徑。更深入分析，要減少發動機總成受力，可減少水箱防撞梁梁系受力或者對水箱防撞梁梁系傳遞的載荷進行分流，對于前者，受限于測試要求的限制，很難實現；而對于后者，可以通過增加、的大小來實現。

圖6 踏板所受載荷路徑分析

進一步對圖4進行簡化得到圖7。

圖7 A柱下部載荷路徑分析

利用3.1中的分析思路結合圖8可知，轉向管柱的移動量最終也取決于防火墻的受力。通過對結構分析可知，A柱下部及A柱上邊梁受力產生變形是車門門框發生變形的主要原因。那么為了減小門框的變形，就必須減小A柱下部與A柱上邊梁的變形，即減小所受到的載荷。兩條思路：減少左前車輪的受力以及對進行分流，前者受限，后者可以通過新增3條載荷路徑實現，即增大。

圖8 工程方案圖

對上述分析思路匯總后得到車體結構的整體優化思路，如表2所示。將其工程化后得到圖8所示的工程方案。將改進方案更新到有限元模型中，計算出各路徑傳遞的載荷值，如表3所示。基礎方案和改進方案門框變形、前圍變形、整車變形對比如圖9、圖10、圖11所示。

表2 優化思路工程方案

表3 載荷傳遞值/kN

圖9 門框變形對比

圖10 前圍變形對比

圖11 整車變形對比

為了驗證改進方案的有效性，進行了實車碰撞試驗，圖12(a)(b)分別為碰撞試驗前后車體變形，圖12(c)(d)分別是車輛前端變形和主駕前圍板位置變形。侵入量的試驗結果如表4所示。試驗結果表明，該SUV車體結構滿足ENCAP五星車體結構要求。

圖12 碰撞試驗對比圖

表4 侵入量對比

移動量 ≤50 47 23 20 加速踏板 移動量 ≤50 67 52 51 ≤50 64 42 47 方向盤 移動量 ≤40 64 33 29 ≤40 35 25 30 防火墻 侵入量 ≤150 182 137 142

4 結論

本文對碰撞載荷在車身結構中的傳遞路徑進行了深入研究，總結了基于載荷傳遞路徑的汽車碰撞安全性優化思路和方法。結合具體車身結構，建立了整車正面偏置碰撞的載荷傳遞模型。以侵入量為優化目標，載荷傳遞路徑為根本，結合所建模型，提出了相應的改進方案。通過正面偏置碰撞仿真以及試驗結果對比分析，驗證了改進后的車體結構滿足ENCAP五星車體結構要求，說明提出的改進方案是合理、有效的，提高了整車的碰撞安全性能。本研究為提高車輛車身結構耐撞性提供了可借鑒的方法。