馬春生,張金換,黃世霖
(清華大學,汽車安全與節(jié)能國家重點實驗室,北京 100084)
汽車側(cè)面碰撞是發(fā)生頻繁、致死率和致傷率都較高的交通事故形式,事故統(tǒng)計數(shù)據(jù)表明,世界上大約30%的嚴重交通事故都與側(cè)面碰撞有關(guān)[1]。為加強側(cè)面碰撞發(fā)生時對乘員的保護,各國相繼制定了側(cè)面碰撞法規(guī)和高于法規(guī)要求的新車評價程序(NCAP),我國于2006年開始實施GB 20071—2006《汽車側(cè)面碰撞的乘員保護》法規(guī)[2],同年中國汽車技術(shù)研究中心推出了國內(nèi)的新車評價程序C-NCAP,側(cè)撞乘員保護性能是其主要評價項目之一[3]。
為提高側(cè)面碰撞中對乘員的保護水平,可以從側(cè)面結(jié)構(gòu)和約束兩方面進行研究。近年來,國內(nèi)外已有多位研究者基于仿真分析進行了汽車側(cè)面碰撞結(jié)構(gòu)的改進設(shè)計,取得了較好的實際應(yīng)用效果[4-6]。正交試驗設(shè)計是研究多因素多水平問題的主要設(shè)計方法,根據(jù)正交性從全面試驗中挑選出部分有代表性的點進行試驗,是一種高效、快速、經(jīng)濟的試驗設(shè)計方法[7]。側(cè)面碰撞的結(jié)構(gòu)安全性設(shè)計涉及的結(jié)構(gòu)因素較多,試驗設(shè)計很適合使用。
整車側(cè)面仿真模型采用PAM-CRASH軟件建立,整車結(jié)構(gòu)模型由某汽車公司提供。側(cè)撞移動可變形障礙壁和側(cè)撞ES-II假人使用PAM-CRASH提供的模型,模型經(jīng)過零部件和整體級別的標定和驗證[8-9]。模型總單元數(shù)約為117萬,對于模型的調(diào)整和假人傷害指標的計算對標在文獻中已經(jīng)有詳細說明[10],此處不再贅述,僅就結(jié)構(gòu)變形進行仿真計算和試驗結(jié)果的比較。
仿真計算得到的車輛側(cè)面變形和試驗過程的比較如表1所示。
從表1可以看出,仿真計算中車輛變形情況和試驗結(jié)果基本一致。仿真計算得到的移動可變形障礙壁(MDB)質(zhì)心、B柱中部、車門中部在側(cè)撞過程中的速度變化曲線和試驗結(jié)果的對比如圖1~圖3所示,試驗中速度變化曲線通過加速度積分計算得到。
從圖1~圖3可以看出,仿真模型計算結(jié)果和試驗測試結(jié)果吻合良好,所建立的側(cè)面碰撞仿真模型正確有效,可以用于側(cè)面碰撞結(jié)構(gòu)的改進設(shè)計。
從碰撞試驗和仿真分析可以看出,該轎車側(cè)面結(jié)構(gòu)各部分剛度匹配基本合理,但部分傳遞路徑存在缺陷,主要有以下幾點。
(1) B柱中間部位變形過大 車門B柱變形中間部位沒有出現(xiàn)明顯的彎曲,但向內(nèi)的變形依然過大,這對假人胸部保護效果有不利影響。
(2) 車頂橫梁和B柱連接部位變形較大 車頂橫梁是側(cè)面碰撞能量傳遞的主要路徑之一,目前碰撞過程中車頂橫梁在與B柱連接部位出現(xiàn)明顯的彎曲變形。
(3) 車輛門檻部位變形較早較大 在側(cè)撞過程中,車輛門檻部位強度偏弱,較早出現(xiàn)了較大變形,未能有效吸收和傳遞碰撞能量。
為提高側(cè)面碰撞性能,在結(jié)構(gòu)改進方面主要從消除傳力路徑缺陷和整體剛度匹配入手,具體技術(shù)路線是先根據(jù)結(jié)構(gòu)改進設(shè)計方面的工程經(jīng)驗和實際的加工工藝可能性,針對相關(guān)的不足提出可能的改進措施,然后通過正交試驗設(shè)計分析改進措施的影響程度,進一步對影響較大的因子進行全因子試驗設(shè)計,最后確定最優(yōu)化的改進方案。
為下一步的試驗設(shè)計,將可能的改進措施作為7個因子,依次為A、B、C、D、E、F、G,每個因子兩個水平——水平0和水平1,具體如下。
(1) 因子A(車頂橫梁加強件)
針對車頂載荷傳遞路徑,考慮增加車頂橫梁加強件,實現(xiàn)橫梁和B柱結(jié)構(gòu)有效連接,如圖4所示。
因子A的兩個水平為:水平0,無車輛橫梁加強件;水平1,增加車輛橫梁加強件。
(2) 因子B(B柱外板)
因子B的兩個水平為:水平0,厚度1.5mm(原厚度);水平1,厚度增加至2.0mm。
(3) 因子C(B柱內(nèi)板)
因子C的兩個水平為:水平0,厚度1.5mm(原厚度),材料為B460NQ;水平1,厚度增加至2.5mm,材料為B500。
(4) 因子D(門檻內(nèi)小橫梁)
原來門檻內(nèi)小橫梁在側(cè)撞時總體的側(cè)向剛度偏小,考慮換為剛度較大的結(jié)構(gòu)形式。
因子D的兩個水平為:水平0,小橫梁原有結(jié)構(gòu);水平1,小橫梁新結(jié)構(gòu)。
(5) 因子E(地板橫梁加強件)
原來的地板橫梁加強件未完全延伸到臨近部件,考慮將原來的地板橫梁內(nèi)加強件延長至與相鄰部件相接(圖5中圓圈位置)。
因子E的兩個水平為:水平0,原有的地板橫梁加強件;水平1,將原來的地板橫梁加強件延伸至臨近部件。
(6) 因子F(地板橫梁內(nèi)側(cè)加強件)
因子F的兩個水平為:水平0,無地板橫梁內(nèi)側(cè)加強件;水平1,增加地板橫梁內(nèi)側(cè)加強件。
(7) 因子G(中通道馬鞍型橫梁)
因子G的兩個水平為:水平0,無中通道馬鞍型橫梁;水平1,增加中通道馬鞍型橫梁。
為全面分析各結(jié)構(gòu)因素的改進效果,進行正交試驗設(shè)計分析,構(gòu)造7因子2水平的試驗設(shè)計表,共需要進行8次試驗。
按照正交試驗設(shè)計表的因子水平分布建立相應(yīng)的CAE模型提交計算分析,提取相應(yīng)的假人胸部傷害指標并計算NCAP得分做為響應(yīng)量,然后應(yīng)用統(tǒng)計分析軟件分析各因子的主效應(yīng),如圖6所示。
從各結(jié)構(gòu)因子的主效應(yīng)看,因子A、B、D、E和G的主效應(yīng)都為正值,即對假人傷害值有改善,其中因子D和因子E改善最為顯著。因子C和因子F的主效應(yīng)為負值,其中因子F的負效應(yīng)較為顯著。
為確定因子C和因子F的取值,進一步分析兩個因子的交互效應(yīng),如圖7所示,效應(yīng)值實際為負值,圖中坐標顯示為效應(yīng)值的絕對值。
從圖7中可以看出,在因子C水平為0、因子F水平為0時,兩因子主效應(yīng)和交互效應(yīng)絕對值相加最小(即負值的絕對值最小,對假人傷害的負作用最小)。最后確定的結(jié)構(gòu)組合為因子C和F取0水平,其它各因子取1水平。
根據(jù)正交試驗設(shè)計分析結(jié)果,因子D(門檻內(nèi)小橫梁)和因子E(地板橫梁加強件)對假人傷害NCAP分值影響最大,進一步對這兩個結(jié)構(gòu)的參數(shù)進行優(yōu)化設(shè)計。采用全因子試驗方法,選擇門檻內(nèi)小橫梁(因子1)和地板橫梁加強件(因子2)的厚度為因子,3個水平分別設(shè)定為1.5、2.25和3.0mm。計算結(jié)果如圖8所示。
從圖8可以看出,在門檻內(nèi)小橫梁厚度為3.0mm、地板橫梁加強件厚度為2.25mm時,得分最高。
根據(jù)確定的結(jié)構(gòu)優(yōu)化方案,仿真計算得到的車門內(nèi)板對應(yīng)假人胸部位置的速度曲線見圖9,優(yōu)化后速度值明顯降低,最大速度由原來的11.4m/s降低到10.0m/s左右,降低1.4m/s。
結(jié)構(gòu)優(yōu)化前后假人傷害指標如表2所示。
表2 假人傷害指標比較
優(yōu)化后假人在側(cè)面碰撞基于C-NCAP評價方法的得分由原來的12分增加為13.2分,側(cè)面乘員保護效果得到明顯提高。
基于某轎車側(cè)面碰撞仿真計算模型,采用試驗設(shè)計方法對結(jié)構(gòu)參數(shù)進行優(yōu)化設(shè)計,優(yōu)化設(shè)計后車門內(nèi)板對應(yīng)假人胸部位置速度值明顯下降,假人傷害指標得到明顯改善,基于C-NCAP的假人胸部得分由12分增加為13.2分。
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