搭載不同型號(hào)發(fā)動(dòng)機(jī)的車身結(jié)構(gòu)碰撞優(yōu)化

韓建偉 李華偉 張福路

（江淮汽車技術(shù)中心）

汽車碰撞性能的高低很大程度上取決于發(fā)動(dòng)機(jī)艙內(nèi)的車體縱梁結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)。很多車型發(fā)動(dòng)機(jī)艙內(nèi)部都會(huì)搭載不同型號(hào)的發(fā)動(dòng)機(jī)，而不同型號(hào)發(fā)動(dòng)機(jī)的體積質(zhì)量又有很大區(qū)別，因此當(dāng)更換發(fā)動(dòng)機(jī)時(shí)有可能會(huì)產(chǎn)生無(wú)法布置發(fā)動(dòng)機(jī)艙的問(wèn)題，發(fā)動(dòng)機(jī)體積會(huì)占據(jù)發(fā)動(dòng)機(jī)艙碰撞前縱梁的有效截面，質(zhì)量的增加對(duì)碰撞性能目標(biāo)也是一個(gè)威脅[1]。文章針對(duì)改變發(fā)動(dòng)機(jī)搭載后，整車的質(zhì)量增加并且縱梁截面減小的情況，在不改變發(fā)動(dòng)機(jī)艙內(nèi)各種重要零部件布置和性能的前提下，通過(guò)對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)艙縱梁進(jìn)行結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)，并進(jìn)行CAE分析驗(yàn)證，得到了解決此類問(wèn)題的最優(yōu)方法。

1 問(wèn)題描述

某車型按照前期規(guī)劃設(shè)計(jì)只搭載排量為1.5 L的發(fā)動(dòng)機(jī)，碰撞性能已經(jīng)符合要求，但是后期為了豐富產(chǎn)品線，在數(shù)據(jù)已經(jīng)凍結(jié)的情況下考慮同時(shí)搭載排量為2.0 L的發(fā)動(dòng)機(jī)。由于發(fā)動(dòng)機(jī)的變化，整車質(zhì)量由原來(lái)的1 580 kg增加到1 630 kg，同時(shí)在體積方面，其寬度有明顯超出。為了不影響發(fā)動(dòng)機(jī)艙總布置，在車體縱梁截面上進(jìn)行避讓，截面減小，其他裝置不變化，但是碰撞性能要求能達(dá)到原有的水平?？v梁截面變化，如圖1所示。

2 結(jié)構(gòu)方案優(yōu)化設(shè)計(jì)及CAE分析

將搭載1.5 L發(fā)動(dòng)機(jī)定義為1.5模型，搭載2.0 L發(fā)動(dòng)機(jī)定義為2.0模型。文章提到的碰撞主要指偏置碰撞[2]。車身布置2.0 L發(fā)動(dòng)機(jī)后，整車質(zhì)量增加了50 kg，同時(shí)縱梁調(diào)整為弧形過(guò)渡來(lái)布置2.0 L發(fā)動(dòng)機(jī)。為了能夠確定更換發(fā)動(dòng)機(jī)后對(duì)入侵量的影響，車體模型分析暫不做任何結(jié)構(gòu)優(yōu)化，利用LS-DYNA軟件對(duì)碰撞結(jié)果進(jìn)行分析，圖2示出偏置碰撞CAE模擬模型。

經(jīng)過(guò)數(shù)據(jù)分析發(fā)現(xiàn)，2.0模型主要不符合要求的是制動(dòng)踏板處，其入侵量目標(biāo)值為100 mm，1.5模型與2.0模型的入侵量分別為95.6，116.8 mm，可以看出，2.0模型的入侵量超出目標(biāo)值16.8 mm，基于此問(wèn)題，提出4種設(shè)計(jì)優(yōu)化方案。

2.1 弱化縱梁前端（方案1）

采用弱化縱梁前端的方法，使發(fā)生碰撞時(shí)縱梁前端能彎折并有效吸收碰撞能量，從而減少后部踏板處的撞擊強(qiáng)度，減少入侵量。該方案主要包括：1）修改縱梁加強(qiáng)板形狀，將厚度從1.8 mm降到1.2 mm；2）將縱梁外板加強(qiáng)筋抹平。具體方法如圖3所示。

圖4示出方案1碰撞后結(jié)果，其中灰色部分是1.5模型碰撞分析結(jié)果，黃色為方案1優(yōu)化后分析結(jié)果。從圖4可以看出：1.5模型縱梁第1變形區(qū)主要為縱梁加強(qiáng)板末端與懸置之間，會(huì)促使縱梁前端向內(nèi)側(cè)彎折，方案1雖然在此處縱梁也出現(xiàn)彎折，但沒(méi)有1.5模型的數(shù)據(jù)嚴(yán)重；1.5模型縱梁第2變形區(qū)在縱梁加強(qiáng)板前端引導(dǎo)槽處，而方案1在此處的縱梁前端發(fā)生向上的彎折，嚴(yán)重影響力的傳遞及吸能，導(dǎo)致制動(dòng)踏板處入侵量增大。

分析數(shù)據(jù)發(fā)現(xiàn)，方案1優(yōu)化后，2.0模型入侵量減小為110.7 mm，但是還是難以滿足目標(biāo)值。

2.2 取消加強(qiáng)板（方案2）

方案2仍然考慮縱梁前端彎曲不夠，吸收能量不夠徹底，所以直接取消加強(qiáng)板，加大弱化縱梁前端幅度，使其吸能更多，增大潰縮量，減少制動(dòng)踏板處入侵。

圖5示出方案2的縱梁潰縮彎曲對(duì)比情況，其中灰色是1.5模型數(shù)據(jù)分析結(jié)果，紅色是優(yōu)化方案2碰撞分析結(jié)果。方案2其縱梁前端由于無(wú)加強(qiáng)板，發(fā)生了較大的塑性變形，但由于缺乏引導(dǎo)槽，因此沒(méi)有很好地潰縮變形。并且縱梁前端變形，向內(nèi)側(cè)發(fā)生彎折，前端上翹，無(wú)法很好地向后端傳力，因此力大部分傳遞到了制動(dòng)踏板處，導(dǎo)致該處入侵量還是相對(duì)較大。經(jīng)入侵量數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)分析，方案2的入侵量為106 mm，方案2不能徹底解決碰撞中制動(dòng)踏板處入侵量過(guò)大問(wèn)題。

通過(guò)方案1與方案2的分析，發(fā)現(xiàn)增加縱梁前端潰縮變形，減少對(duì)縱梁后端的力的傳遞，效果不明顯，不能使車身達(dá)到原有碰撞性能目標(biāo)。

2.3 加強(qiáng)下縱梁強(qiáng)度（方案3）

方案3直接加強(qiáng)制動(dòng)踏板下面的縱梁強(qiáng)度，減少縱梁后端屈服變形，從而減少側(cè)圍入侵量，起到支撐作用，將下縱梁加強(qiáng)板厚度由1.6mm強(qiáng)化為2.0mm，如圖6所示。

圖7示出加強(qiáng)下縱梁強(qiáng)度后縱梁潰縮彎曲對(duì)比，其中灰色是1.5模型數(shù)據(jù)分析結(jié)果，藍(lán)色是優(yōu)化方案3碰撞分析結(jié)果，方案3縱梁前端向內(nèi)側(cè)彎折更嚴(yán)重，且前端向下彎折，向后的力傳導(dǎo)能力差，影響力的傳遞及吸能，但由于其制動(dòng)踏板處下縱梁強(qiáng)度增強(qiáng)，因此該處入侵量有所改善。經(jīng)入侵量數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)分析，方案3的入侵量為111.2 mm，制動(dòng)踏板處入侵量改善不明顯。

2.4 加強(qiáng)上邊梁（方案4）

碰撞變形較大時(shí)，力的傳遞不但可以通過(guò)前縱梁傳遞，發(fā)動(dòng)機(jī)艙上邊梁也能起到一定防撞作用。方案1、方案2和方案3在縱梁上的優(yōu)化不能達(dá)到碰撞目標(biāo)，所以考慮加強(qiáng)上邊梁，縱梁暫時(shí)不做調(diào)整。對(duì)上邊梁材料進(jìn)行加厚處理，具體方案如圖8所示。采用方案4后碰撞分析結(jié)果，如圖9所示，其中灰色是1.5模型數(shù)據(jù)分析結(jié)果，綠色是優(yōu)化方案4碰撞分析結(jié)果。從圖9可以看出，前端彎折與1.5模型數(shù)據(jù)基本重合，后端變形量也很接近。經(jīng)入侵量數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)分析，發(fā)現(xiàn)方案4可以使碰撞性能大幅提升，入侵值（97.7 mm）基本達(dá)到目標(biāo)，碰撞性能提升明顯。

3 結(jié)論

汽車搭載新的發(fā)動(dòng)機(jī)后，由于質(zhì)量和體積增加，會(huì)引起車身碰撞性能下降。通常采取加強(qiáng)縱梁后端或者弱化縱梁前端2種方案來(lái)增強(qiáng)碰撞效果，但是文章中方案4采取優(yōu)化上邊梁的新型方案。從分析結(jié)果中可以看出，在對(duì)原車型不做大改動(dòng)的前提下，優(yōu)化發(fā)動(dòng)機(jī)上邊梁可以使該車型得到更好的碰撞性能，效果明顯優(yōu)于直接優(yōu)化縱梁的方案，為后續(xù)設(shè)計(jì)提供了參考。