低速碰撞下防撞梁的沖擊響應(yīng)分析

叢艷軍　張愛(ài)法　婁磊　顧海明　劉委坤

摘 要：低速碰撞工況下防撞梁沖擊響應(yīng)的分析對(duì)于改善汽車(chē)防撞梁的安全性能具有重要意義。文章以某款汽車(chē)防撞梁為研究對(duì)象，對(duì)其開(kāi)展了落錘試驗(yàn)，從碰撞力、侵入量以及吸能特性等幾個(gè)方面對(duì)試驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行分析。結(jié)果發(fā)現(xiàn)該防撞梁至少吸收了六成的能量，且未發(fā)生斷裂，能夠起到較好的吸能作用。此外，還總結(jié)了性能參數(shù)之間的影響規(guī)律，即侵入量增加，碰撞力增加，能量增加；侵入量減小，碰撞力減小，能量減小，為后期防撞梁系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與改進(jìn)提供一定的數(shù)據(jù)指導(dǎo)。

關(guān)鍵詞：低速碰撞 防撞梁 沖擊響應(yīng) 性能參數(shù)

1 引言

我國(guó)的機(jī)動(dòng)車(chē)保有量逐年上升，隨之而來(lái)的汽車(chē)碰撞安全問(wèn)題不容忽視，持續(xù)改善車(chē)輛安全性能已經(jīng)成為整個(gè)行業(yè)發(fā)展的重中之重。防撞梁，作為汽車(chē)車(chē)身結(jié)構(gòu)的關(guān)鍵部分，對(duì)于乘員和行人而言，在車(chē)輛發(fā)生低速碰撞時(shí)扮演著極其重要的角色。一方面，可以吸收部分撞擊能量，弱化對(duì)車(chē)身結(jié)構(gòu)的沖擊，從而起到保護(hù)人員的作用。另一方面，在事故發(fā)生后，一定程度上還能夠降低車(chē)輛維修花費(fèi)的成本。由此可見(jiàn)，分析防撞梁在低速碰撞下的沖擊響應(yīng)對(duì)于提升汽車(chē)被動(dòng)安全性能的重要性不言而喻。然而目前，國(guó)內(nèi)外現(xiàn)有的研究大多是圍繞整車(chē)開(kāi)展，針對(duì)部件級(jí)防撞梁的研究較少。

因此，本文基于對(duì)相關(guān)參考文獻(xiàn)、低速碰撞規(guī)程以及企業(yè)的防撞梁設(shè)計(jì)流程的閱讀，將碰撞力、侵入量以及吸能特性，定義為主要影響部件級(jí)防撞梁低速碰撞性能的三個(gè)參數(shù)[1]。并以某款汽車(chē)防撞梁為研究對(duì)象，開(kāi)展了落錘動(dòng)態(tài)試驗(yàn)。通過(guò)對(duì)試驗(yàn)結(jié)果的分析，總結(jié)出各性能參數(shù)之間的影響規(guī)律，為企業(yè)防撞梁的設(shè)計(jì)與改進(jìn)提供一定的試驗(yàn)數(shù)據(jù)參考，具有工程開(kāi)發(fā)意義。

2 試驗(yàn)概況簡(jiǎn)述

2.1 測(cè)試設(shè)備

本文所用到的測(cè)試設(shè)備主要包括跌落塔裝置、車(chē)載碰撞試驗(yàn)數(shù)據(jù)采集儀、加速度傳感器以及六軸力傳感器等。其中，跌落塔裝置如圖1所示，主要是由基座、轉(zhuǎn)接板、制具、龍門(mén)架、直線導(dǎo)軌、激光測(cè)距傳感器、舉升托盤(pán)、滑塊、制動(dòng)器以及落錘結(jié)構(gòu)幾部分組成。該裝置的有效行程為6000 MM，額定負(fù)載為200 KG。在通過(guò)制具對(duì)試件完成固定后，舉升托盤(pán)開(kāi)始將落錘結(jié)構(gòu)推升至特定高度；接下來(lái)制動(dòng)器鉗制，使得落錘結(jié)構(gòu)牢牢抱死在直線導(dǎo)軌上；隨后下降舉升托盤(pán)，釋放制動(dòng)器，受重力作用，落錘結(jié)構(gòu)逐漸加速，從而沖擊待測(cè)試件，整個(gè)碰撞過(guò)程結(jié)束。

車(chē)載碰撞試驗(yàn)數(shù)據(jù)采集儀主要用于數(shù)據(jù)的采集，測(cè)試過(guò)程中，采樣頻率設(shè)置為20000 Hz。六軸力傳感器，能夠同時(shí)測(cè)量FX、FY、FZ的三個(gè)力和MX、MY、MZ的三個(gè)矩，主要負(fù)責(zé)采集落錘試驗(yàn)過(guò)程中的碰撞力。本文中的兩個(gè)六軸力傳感器分別布置在防撞梁吸能盒的下端。加速度傳感器則用來(lái)記錄輸出試驗(yàn)過(guò)程中的加速度數(shù)據(jù)，布置在落錘結(jié)構(gòu)的上端。

2.2 試件設(shè)置

本文中的待測(cè)試防撞梁主要由橫梁、吸能盒以及連接板組成，三者之間的連接方式為焊接。其結(jié)構(gòu)的示意圖如圖2所示[2]。在測(cè)試過(guò)程中，防撞梁碰撞力越小，代表傳遞到車(chē)身縱梁的力就越小，從而車(chē)輛部件的損壞度就越小，駕乘人員受傷害的風(fēng)險(xiǎn)就越小，即防撞梁的撞擊性能就越好。同時(shí)，防撞梁的被侵入量也不宜過(guò)大，不然其周邊的零部件會(huì)因空間受到壓縮而遭到毀壞。而為了更好地保護(hù)車(chē)身縱梁，防撞梁作為關(guān)鍵的吸能部件，應(yīng)該盡可能地吸收更多的能量[3]。

本文選取圖3所示的兩個(gè)接觸區(qū)域作為落錘結(jié)構(gòu)沖擊的加載位置，模擬事故發(fā)生率較高的偏置碰撞工況。同時(shí)，為驗(yàn)證試驗(yàn)數(shù)據(jù)的一致性與準(zhǔn)確性，每個(gè)加載區(qū)域分別進(jìn)行三組重復(fù)性試驗(yàn)，總計(jì)開(kāi)展六組落錘試驗(yàn)。

落錘結(jié)構(gòu)質(zhì)量為140.0千克，目標(biāo)速度為6.9米/秒，考慮到摩擦力等影響，落錘結(jié)構(gòu)釋放高度設(shè)置為2.8米。表1詳細(xì)記載了六組試驗(yàn)具體的試驗(yàn)參數(shù)值。

3 試驗(yàn)結(jié)果及分析

3.1 左右側(cè)比對(duì)

落錘試驗(yàn)結(jié)束后，分別對(duì)六組試驗(yàn)的碰撞力、侵入量以及能量進(jìn)行了統(tǒng)計(jì)，統(tǒng)計(jì)結(jié)果如表2所示。觀察數(shù)據(jù)能夠發(fā)現(xiàn)，六組試驗(yàn)最大碰撞力、最大侵入量以及最大能量的數(shù)據(jù)差異不大。其中，左側(cè)最大碰撞力、最大侵入量以及最大能量的平均值分別為82.8、56.5、3.1，右側(cè)最大碰撞力、最大侵入量以及最大能量的平均值分別為81.1、57.8、3.0，說(shuō)明該款防撞梁左右側(cè)結(jié)構(gòu)有較好的一致性。

此外結(jié)合試驗(yàn)后試件還可以發(fā)現(xiàn)，該防撞梁僅沖擊接觸區(qū)域發(fā)生變形，橫梁的兩端、吸能盒、連接板以及連接位置的焊縫均未出現(xiàn)斷裂現(xiàn)象，表明該款汽車(chē)防撞梁在低速工況下具有較好的吸能作用。

3.2 碰撞力分析

試驗(yàn)后，將兩個(gè)FZ方向上的力載荷相加，然后對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行濾波處理，濾波頻率等級(jí)CFC為180，即得到如圖4所示的碰撞力-時(shí)間曲線。

觀察曲線不難發(fā)現(xiàn)，0時(shí)刻，落錘結(jié)構(gòu)開(kāi)始與防撞梁發(fā)生接觸并相互作用，碰撞力隨著時(shí)間的累計(jì)而急劇增加，直至5 ms左右，增加速率稍微減緩，到19 ms左右，落錘結(jié)構(gòu)落至最下端，載荷達(dá)到峰值，為57.2 kN。隨后，碰撞力開(kāi)始逐漸減小，落錘結(jié)構(gòu)與防撞梁逐漸分離，約40 ms時(shí)，載荷降為0，沖擊過(guò)程全部結(jié)束。

3.3 侵入量分析

本文將沖擊過(guò)程中落錘結(jié)構(gòu)在下落方向上的位移近似定義為防撞梁的侵入量。首先對(duì)加速度數(shù)據(jù)進(jìn)行二次積分，再進(jìn)行濾波處理，濾波頻率等級(jí)CFC為180，即得到如圖5所示的侵入量-時(shí)間曲線。

觀察曲線能夠發(fā)現(xiàn)，隨著時(shí)間的增加，落錘結(jié)構(gòu)開(kāi)始接觸并擠壓防撞梁，侵入量呈先增加再減小的變化趨勢(shì)。其中，在20ms左右，侵入量達(dá)到了最大值，為82.0mm。結(jié)合碰撞力分析，在20ms至50ms之間，侵入量逐漸減小，究其原因是由于隨著落錘結(jié)構(gòu)高度的回升，防撞梁發(fā)生了些許回彈，直至與防撞梁完全分離，侵入量趨于穩(wěn)定。

與落錘結(jié)構(gòu)在下落方向上的位移相比，防撞梁的侵入量在實(shí)際試驗(yàn)過(guò)程中，并未減小至0，而是降至一定數(shù)值后便再無(wú)明顯變化，說(shuō)明防撞梁在落錘試驗(yàn)過(guò)程中不僅發(fā)生了彈性變形，還發(fā)生了塑性變形，且占比較大。

3.4 吸能特性分析

落錘結(jié)構(gòu)沖擊防撞梁的過(guò)程，在忽略小部分以其它形式耗散的能量的前提下，本質(zhì)上可以理解為是落錘結(jié)構(gòu)的動(dòng)力勢(shì)能向防撞梁的內(nèi)能轉(zhuǎn)變的一個(gè)過(guò)程。由圖6的能量-時(shí)間曲線可以看出，在20 ms之前，能量一直是隨著時(shí)間的增加而增加的，20 ms時(shí)，能量最大，為3.1 kJ。也就意味著，在這段時(shí)間內(nèi)，隨著落錘結(jié)構(gòu)對(duì)防撞梁的沖擊，動(dòng)能不斷被防撞梁所吸收，逐漸轉(zhuǎn)化為內(nèi)能。在此之后，隨著時(shí)間的繼續(xù)增加，能量開(kāi)始緩慢降低，最終保持在2.2 kJ上下。出現(xiàn)這一現(xiàn)象的原因是防撞梁的回彈，部分內(nèi)能又重新轉(zhuǎn)化為動(dòng)能。通過(guò)計(jì)算，發(fā)現(xiàn)回彈結(jié)束后的能量分別占初始動(dòng)力勢(shì)能和最大能量的66%和71%，說(shuō)明該防撞梁具有較好的吸能效果。

3.5 性能參數(shù)關(guān)系分析

圖7和圖8分別為碰撞力-侵入量曲線和能量-侵入量曲線。碰撞力-侵入量曲線表明，隨著侵入量的增加，碰撞力增加。侵入量減小，碰撞力隨之減小。能量-侵入量曲線表明，隨著侵入量的增加，能量增加。侵入量減小，能量隨之減小。防撞梁的塑性變形，使得部分動(dòng)能轉(zhuǎn)化為內(nèi)能，故能量并未減小至0。

4 總結(jié)

對(duì)某款汽車(chē)防撞梁進(jìn)行了落錘試驗(yàn)，并從碰撞力、侵入量以及吸能特性等方面對(duì)試驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行了分析。結(jié)果表明，該防撞梁能夠起到較好的吸能作用；

此外，還總結(jié)了性能參數(shù)之間的影響規(guī)律，即侵入量增加，碰撞力增加，能量增加；侵入量減小，碰撞力減小，能量減小，為后期防撞梁系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與改進(jìn)提供一定的數(shù)據(jù)指導(dǎo)。

參考文獻(xiàn)：

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