新型汽車后防護裝置的碰撞仿真研究

喬維高，李章宏，凡 樂，饒紫微

（1.武漢理工大學汽車工程學院，湖北 武漢 430070；2.汽車零部件新技術湖北省重點實驗室，湖北 武漢 430070）

隨著我國道路汽車數(shù)量的逐年增加，交通事故也在不斷增多。特別是在高速公路上，轎車與大型貨車之間的追尾頻繁發(fā)生，常導致轎車乘員群死群傷。因此，對汽車后防護裝置抗撞性和吸能性的研究，盡量減輕追尾事故發(fā)生后追尾車輛乘員的傷害非常有必要。筆者建立了一般貨車的汽車后防護裝置、壁障和實車的三維實體模型，依次進行壁障與后防護裝置、實車與后防護裝置的正面碰撞和偏置碰撞仿真，分析仿真結(jié)果，在此基礎上提出了一種新型吸能式的汽車后下部防護裝置，對其進行皮卡與之的碰撞仿真分析，通過實車追尾仿真實驗對新型汽車后防護裝置進行驗證，以求最大限度地減少追尾碰撞帶來的損失，對于提高汽車被動安全性，減輕對追尾汽車乘員的傷害有重要意義。

1 汽車后下部防護裝置的碰撞仿真

1.1 有限元建模

1.1.1 汽車后防護裝置和壁障的建模

運用CATIA建立汽車后下部防護裝置和壁障的幾何模型，根據(jù)實際，后防護裝置橫梁和支承臂的壁厚均設置為2 mm。以實際經(jīng)驗，發(fā)生追尾碰撞后，被追尾汽車后防護裝置會有較大的變形，車尾部分一般剛度都很大，變形相對比較微弱，因此，后防護裝置的橫梁與支承臂均使用20×20 mm的網(wǎng)格，車尾部分采用50×50 mm殼單元。由于壁障發(fā)生的變形相對來說非常小，因此網(wǎng)格劃分采用100×100 mm實體單元。劃分好單元格的被追尾汽車后防護裝置和壁障的有限元模型如圖1所示。

圖1 汽車后防護裝置有限元模型

1.1.2 實車建模

由于皮卡車的前半部分結(jié)構(gòu)與轎車類似，而后半部的結(jié)構(gòu)卻要比轎車簡單得多，因此建模的實車采用皮卡的模型會大大降低計算量［1］。追尾汽車模型選擇雪佛蘭1994年版C2500輕型皮卡作原型。在保證仿真精度的同時減少計算量，車體前部的主要變形部件，如汽車保險杠、發(fā)動機機罩等［2］，網(wǎng)格劃分采用20×20 mm 殼單元；基本不會變形的部件如汽車發(fā)動機、車體后半部分等劃分網(wǎng)格采用較稀疏的尺寸［3］。有限元網(wǎng)格劃分以后的皮卡車碰撞模型如圖2所示。追尾汽車車體前半部分主要變形區(qū)域定義為塑性材料，其他部位的鈑金件定義為剛體。

圖2 C2500型皮卡車網(wǎng)格劃分

在汽車追尾碰撞過程中，追尾汽車車體前半部分為主要碰撞部分，其中相互連接的部件很多，各部件定義的材料屬性、單元類型又都不相同，因此需要對相鄰結(jié)構(gòu)定義相互接觸，來防止運算過程中可能出現(xiàn)的穿透現(xiàn)象［4］。將追尾汽車碰撞的關鍵部件保險杠、發(fā)動機、水箱等單獨定義為面與面的接觸，將追尾汽車其他非關鍵部件定義為一個總體的單面。追尾時汽車間的碰撞接觸部分定義為10×10 mm四邊形殼單元。為了仿真更加直觀、計算量更加小，可以將地面定為剛性，也不考慮輪胎與地面的滾動，不設置輪胎與剛性地面的接觸［5］。

由于皮卡的底盤比轎車高，為了使仿真精確度更高，則需要相應地提高被追尾汽車后防護裝置的安裝高度。追尾皮卡的初始速度也要盡量接近于實際，設置為50 km/h。應注意初速度是有方向的，因此它的加載需要通過矢量來定義，在施加速度載荷前，應先建立X的正負方向。最終建立的皮卡車追尾后防護裝置的碰撞仿真模型如圖3所示。

圖3 實車追尾碰撞仿真系統(tǒng)

1.2 汽車后防護裝置與壁障的碰撞仿真分析

圖4是壁障與后防護裝置發(fā)生追尾碰撞以后，在不同時間，防護裝置的變形圖。由圖4可知，壁障始終沒有穿過后防護裝置，也就是說沒有發(fā)生鉆撞。在100 ms時，可以看出后防護裝置兩端支承臂的變形量遠大于中間的橫梁，說明碰撞的大量能量被后防護裝置的支承臂吸收。

壁障設置為剛體，因此其上每一個節(jié)點的相對位移不改變，故只要取一個節(jié)點A就能得知壁障的運動情況。然而后防護裝置的橫梁和支承臂取的是殼單元，它的每個部分變形均不同，故在橫梁和支承臂上分別取3個不同的節(jié)點A、B、C來研究它們的運動情況，如圖5～圖8所示。

圖4 不同時刻后防護裝置的動態(tài)響應

圖5 壁障上節(jié)點A在X方向位移變化

圖6 后防護裝置橫梁上節(jié)點A、B、C在X方向的位移變化

圖7 橫梁上節(jié)點在Z方向的位移變化

圖8 后防護支承臂上節(jié)點在Z方向的位移變化

取圖5～圖8來分析，后防護裝置各部件和壁障在X方向的最大位移均沒有超過300 mm，說明后防護裝置具有較好的耐撞性，有效地起到了防鉆撞的作用，防護裝置各個點在Z方向位移量大都未超過300 mm，說明追尾引起的汽車俯仰運動不是很劇烈。

如圖9所示，曲線A'、B'分別為后防護裝置橫梁、支承臂的吸能特性曲線。在時間約為5 ms時，碰撞剛發(fā)生，壁障的巨大動能被后防護裝置的橫梁和支承臂吸收，其中后防護裝置的支承臂吸收能量大于橫梁，與圖4的變形結(jié)論相符。

圖10為壁障的加速度特性曲線。從圖10中可知，在5～20 ms內(nèi)，壁障的加速度震蕩變化最劇烈，因此這段時間是壁障和后防護裝置追尾碰撞的過程，最大加速度達到了0.33 mm/（ms）2。

1.3 汽車后防護裝置防撞性能

圖9 后防護裝置橫梁與支承臂吸收能量變化

圖10 壁障加速度特性曲線

為研究汽車后防護裝置在具有最佳性能時，其各部分的硬件要求，以改善提高后防護裝置的性能。首先按表1進行正交仿真試驗，研究橫梁和支承臂的壁厚對后防護裝置防護性能的影響。

表1 正交仿真試驗表

通過仿真實驗結(jié)論可知，當支承臂的厚度為2 mm的時候，不能阻擋壁障的鉆入，說明支承臂壁厚不能夠太小。但支承臂并非越厚越好。后防護裝置的各部件壁厚越厚質(zhì)量越大，不利于輕量化。壁厚增加后，壁障碰撞后的反彈速度和加速度也相應在增加。

筆者還研究了壁障與后防護裝置橫梁碰撞接觸面積對防護性能的影響。在其他條件不變的情況下，將橫梁的寬度增大到200 mm，橫梁的最大吸能量也大幅增加，達到了12 kJ。而寬度為50 mm時，其吸能量最大只有6 kJ。說明了防撞梁面積越大，其與壁障碰撞時接觸越充分，變形的時間越長，耐撞性也更好。

1.4 偏置碰撞動態(tài)試驗仿真分析

在實際追尾事故中，車輛之間并不都是正面碰撞。為了更加貼近實際，需要對發(fā)生一定程度側(cè)偏碰撞時，研究后防護裝置的防護性能。

如圖11所示，在50%和30%的偏置碰撞防撞仿真試驗中，壁障侵入十分嚴重，在X方向的位移均超過了國標規(guī)定的400 mm。這是由于將壁障進行偏置后，其與后防護裝置碰撞時應力集中在后防護裝置的一邊，應力集中會使后防護裝置的橫梁斷裂，導致壁障鉆撞防護裝置，使之失效。

1.5 皮卡與后防護裝置追尾碰撞仿真

圖11 50%和30%偏置碰撞動態(tài)響應

皮卡與后防護裝置追尾碰撞動態(tài)響應如圖12所示，碰撞發(fā)生60 ms時，后防護裝置失效，橫梁脫落，皮卡直接與被追尾汽車車尾碰撞。在100 ms以后，皮卡保險杠和車身車門等都發(fā)生了程度不同的變形。

圖12 皮卡與后防護裝置追尾碰撞動態(tài)響應

圖13為皮卡車身加速度響應。在20～40 ms期間，B柱加速度有了第一個峰值，對應皮卡與防護裝置開始劇烈撞擊。防護裝置不能阻擋追尾汽車前部侵入，在80 ms時B柱加速度達到最大，遠大于國標規(guī)定的20 g。說明碰撞的最大加速度有待降低，后防護裝置吸能性能也有待加強［6］。

圖13 皮卡B柱下端加速度時間響應

進行50%的整車偏置碰撞仿真試驗，后防護裝置失效更快，皮卡車身的變形更大。

2 新型汽車后防護裝置碰撞仿真

2.1 新型汽車后防護裝置結(jié)構(gòu)

通過上述仿真可以得出追尾碰撞時后防護梁支承臂是主要吸能部件，進行偏置碰撞時后防護裝置橫梁斷裂可能性較大，因此，新型吸能的后防護裝置增加了斜支承臂，能使碰撞時防護裝置吸收更多的能量，同時加長了橫梁的長度，增大實際碰撞特別是偏置碰撞時的碰撞接觸面積，以防止橫梁斷裂后鉆撞的發(fā)生。新型汽車后防護裝置結(jié)構(gòu)如圖14所示。

圖14 新型后防護裝置結(jié)構(gòu)

材料為碳鋼的鋼板和橫截面為矩形的鋼管具有很好的吸能特性和抗撞剛性，因此新型吸能式后防護裝置一般使用這兩種材料［7］。鋁合金的密度比較低，強度比較高，塑性比較好，比較適合用做吸能盒的材料。具有多邊形橫截面的薄壁梁相比實心剛體質(zhì)量輕很多，強度一般也能滿足要求，并且成本也較低，因此得到廣泛應用。因此，選用六邊形截面鋁合金制成薄壁吸能盒［8－9］。

金屬制成的薄壁件在追尾碰撞過程中所能吸收的能量大小為:

式中，d為薄壁件被壓縮造成的變形長度。定義E（d）除以d為薄壁件承受的平均壓潰載荷Fm（d）:

若將某種吸能材料充填入空心的六邊形截面的薄壁件中，則薄壁件所受到的平均壓潰載荷為:

式中:Ff（d）為薄壁件內(nèi)充填物承載的平均壓潰載荷；F1（d）為充填物和六邊形截面薄壁件相互作用所產(chǎn)生的載荷。如果能在六邊形截面的薄壁件中填充密度相對較低，質(zhì)量相對較小同時吸能性能又較好的材料，那么就能在不增加后防護裝置整體質(zhì)量的前提下大大增加后防護裝置能承受的平均壓潰載荷，使后防護裝置的吸能耐撞擊效果大大提高。泡沫塑料是一種有大量氣體微孔分散于固體塑料中的高分子材料，它具有質(zhì)量輕、密度小、減震和強度高等特性，能夠吸收沖擊載荷［10］。使用聚苯乙烯泡沫塑料作為后防護裝置橫梁和吸能盒內(nèi)的充填物，可以在成本提高不多、后防護裝置強度得到保證的前提下大幅提升后防護裝置吸能性能［11］。

2.2 基于實車碰撞的仿真驗證

首先進行皮卡正面追尾碰撞仿真。從圖15中可以看出在皮卡車以50 km/h的追尾撞擊下，雖然后防護裝置變形較嚴重，但是始終沒有斷裂失效，成功阻擋了皮卡的鉆入。

圖15 t=80 ms新型后防護裝置整車追尾動態(tài)響應

圖16為皮卡車身加速度時間響應曲線。由皮卡左側(cè)B柱下端加速度超過20 g可以得出新型吸能式后防護裝置不僅滿足了國家標準的要求，有效地降低了追尾碰撞的激烈程度，還表現(xiàn)出了良好的吸能特性和耐撞性。

圖16 正面碰撞皮卡左側(cè)B柱下端加速度時間響應

對新型后防護裝置進行50%偏置碰撞驗證的最大變形情況如圖17所示，后防護裝置受到皮卡碰撞的偏置端斜支撐臂和橫梁雖然變形嚴重，但并未折斷失效。一般貨車后防護裝置偏置碰撞時容易橫梁折斷失效的情況得到了很大的改善。

圖17 實車50%偏置碰撞最大變形情況

改進后的新型吸能式汽車防護裝置與舊型后防護裝置吸能情況對比如表2所示。雖然皮卡在與新型后防護裝置發(fā)生碰撞時，其車體前部保險杠發(fā)動機機罩等部件也發(fā)生了變形，但是后防護裝置的鋁合金吸能盒起了作用，整體的吸能效果較之前明顯，變形程度比以前理想很多。

表2 吸能情況對比

3 結(jié)論

所設計的新型汽車吸能式后防護裝置的吸能防撞特性得到了有效提升。在整個碰撞過程中，新型后防護裝置始終能起到吸能和減輕撞擊的作用。通過對新型裝置的整車碰撞仿真可知，追尾車輛與被追尾車輛發(fā)生鉆撞的幾率明顯減小，追尾汽車的車身變形也明顯減小，相應地留給追尾車輛內(nèi)部乘員的生存空間變大，能夠減輕追尾事故中對乘員造成的傷害，對汽車被動安全性的研究以及降低道路交通事故的傷亡率具有顯著意義。

［1］凡樂.汽車后防護裝置的碰撞仿真研究［D］.武漢:武漢理工大學圖書館，2012.

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