汽車后下部防護(hù)裝置碰撞相容性因素分析與結(jié)構(gòu)改進(jìn)

馬瑞雪，周從榮，王欣（重慶車輛檢測研究院國家客車質(zhì)量監(jiān)督檢驗(yàn)中心，重慶401122）

汽車后下部防護(hù)裝置碰撞相容性因素分析與結(jié)構(gòu)改進(jìn)

馬瑞雪，周從榮，王欣
（重慶車輛檢測研究院國家客車質(zhì)量監(jiān)督檢驗(yàn)中心，重慶401122）

分析確定追尾事故中碰撞相容性的影響因素，對某商用貨車的后防護(hù)裝置進(jìn)行碰撞性能仿真分析，通過TOSCA拓?fù)鋬?yōu)化軟件設(shè)計新型后下部防護(hù)裝置。通過CAE仿真分析和實(shí)車試驗(yàn)表明，改進(jìn)后的后下部防護(hù)裝置滿足GB 11567.2-2001的動態(tài)試驗(yàn)要求，其阻擋及吸能功能有顯著提高。

后防護(hù)裝置；碰撞相容性；仿真分析；優(yōu)化設(shè)計

隨著我國汽車工業(yè)的發(fā)展，道路交通事故問題越來越引起人們的關(guān)注。據(jù)交通事故統(tǒng)計數(shù)據(jù)表明，大、中型商用車參與的交通事故造成的死亡和重傷的比例較高，尤其是乘用車與商用車相撞的事故已上升為造成死亡和重傷的主要交通事故形態(tài)［1］。其原因是乘用車質(zhì)量遠(yuǎn)低于商用車，且相對于商用車剛度較小，往往會造成乘用車前部發(fā)生較大的變形，甚至撕裂A柱侵入乘員艙，致使車內(nèi)乘員嚴(yán)重受傷或者死亡。因此，提高乘用車與商用車的碰撞相容性越來越受到重視。本文論述商用貨車后防護(hù)裝置的碰撞相容性因素及結(jié)構(gòu)改進(jìn)。歐洲法規(guī)ECER58，美國法規(guī)FMVSS223/224，我國法規(guī)GB 11567.2 -2001［2］中對商用貨車后防護(hù)結(jié)構(gòu)作了詳細(xì)的性能要求，并強(qiáng)制大型商用貨車要裝備后防護(hù)裝置。

1　碰撞相容性影響因素確定及原后防護(hù)碰撞性能分析

當(dāng)乘用車追尾碰撞商用貨車時，假設(shè)兩者發(fā)生完全非彈性碰撞，即碰撞后無反彈，且碰撞后一起運(yùn)動，具有相同的速度，則有

商用貨車后防護(hù)架受到的平均力式中：m1、m2分別為乘用車、商用貨車質(zhì)量，kg；v1、v2分別為乘用車、商用車的初始碰撞速度，m/s；vt為碰撞之后兩車的速度，m/s；s為整體變形量，m。

通過公式（1）、（2）可知，由于乘用車和商用貨車的設(shè)計質(zhì)量一定，因此，只有通過增加變形量來降低乘用車受到的沖擊力，提高碰撞相容性［3-4］。

由于乘用車與商用貨車的質(zhì)量、車身剛度、吸能部件高度差異都很大，增加碰撞變形量的關(guān)鍵在于合理設(shè)計商用貨車后防護(hù)裝置的離地高度和相對剛度。商用貨車后防護(hù)裝置離地高度的降低由于受到通過性的限制，具有一定的限度。因此，合理的后防護(hù)裝置結(jié)構(gòu)，應(yīng)使其確保乘用車前部變形量小，從而避免造成乘用車乘員嚴(yán)重受傷。同時，商用貨車應(yīng)在法規(guī)要求的400mm最大變形量內(nèi)吸收盡可能多的碰撞能量并防止乘用車鉆入其底部［5］。

建立某商用貨車及移動壁障有限元模型，如圖1所示。模型共有15 406個單元節(jié)點(diǎn)，單元數(shù)為13 955個，后部防護(hù)裝置總質(zhì)量為36.6 kg。根據(jù)文獻(xiàn)［2］中對動態(tài)試驗(yàn)的相關(guān)要求定義邊界條件，碰撞瞬間移動壁障速度應(yīng)為30～32 km/h。仿真計算結(jié)果見圖2和表1?？梢园l(fā)現(xiàn)，該防護(hù)裝置不符合標(biāo)準(zhǔn)要求且沒有阻擋功能。

表1　動態(tài)法規(guī)試驗(yàn)仿真結(jié)果

為了進(jìn)一步分析后防護(hù)裝置的性能，為開發(fā)新型后防護(hù)裝置提供基礎(chǔ)數(shù)據(jù)，本文還建立了乘用車-商用貨車追尾碰撞有限元模型，見圖3。乘用車以50 km/h的速度撞擊后部防護(hù)裝置。從圖4中可以看出，原車后部防護(hù)裝置起不到阻擋及緩沖作用，乘用車直接鉆入商用貨車底部，并且商用貨車車架直接侵入乘用車發(fā)動機(jī)蓋的上部，對乘用車內(nèi)乘員構(gòu)成威脅。

綜上所述，原車后部防護(hù)裝置既不滿足法規(guī)要求，又不能起到良好的阻擋及緩沖作用，不能保護(hù)追尾車輛中的乘員。

2　吸能型后防護(hù)裝置優(yōu)化及碰撞性能分析

2.1拓?fù)鋬?yōu)化有限元模型的建立及結(jié)構(gòu)設(shè)計

建立高500mm、寬300mm、厚100mm的支架有限元模型，采用六面體實(shí)體單元劃分，單元長度為20mm。材料定義與原材料一致。支架上端固定，右下端施加一均布力，如圖5所示。拓?fù)鋬?yōu)化的設(shè)計目標(biāo)函數(shù)是支架的應(yīng)變能最?。▌偠茸畲螅s束條件是優(yōu)化后支架體積分?jǐn)?shù)小于0.5，設(shè)計變量是單元密度。

目標(biāo)函數(shù)經(jīng)過15次迭代后收斂［6-7］，密度優(yōu)化的結(jié)果等值面圖如圖6所示。圖7給出了平滑過后的密度等值面圖。從圖7中可以看出，支架材料在空間的最佳分布，據(jù)此可以重新設(shè)計支架的結(jié)構(gòu)，如圖8所示。支架由3根空心鋼管和吸能部件構(gòu)成。為了使新的防護(hù)裝置在碰撞中吸收更多的能量，將圖8中的部件1和4設(shè)計成薄壁吸能部件，其中部件1下部起吸能作用，上部主要起到阻擋作用。

2.2吸能型后防護(hù)裝置仿真分析

對該防護(hù)裝置按文獻(xiàn)［2］的動態(tài)試驗(yàn)要求進(jìn)行仿真分析，圖9為動態(tài)加載不同時刻的變形情況?？梢钥闯?，在35ms時刻后防護(hù)裝置變形最大，吸能部件4和部件1的前半部分得到了充分潰變，表明吸能型后防護(hù)裝置具有較好的吸能效果［8］。

圖10為碰撞過程中移動壁障的位移、速度、減速度曲線?？梢钥闯?，移動壁障的最大鉆入量為112mm，小于法規(guī)所規(guī)定的400mm；移動壁障碰撞后的反彈速度為1.89m/s，小于法規(guī)所規(guī)定的2m/s；移動壁障的減速度最大值為27.1 g，小于法規(guī)所要求的40 g。所以該后部防護(hù)裝置符合國標(biāo)要求。另外，還可以看到，移動壁障在碰撞過程中減速度較小，且脈寬較大，表明新的吸能型后部防護(hù)裝置具有較好的吸能效果。

2.3吸能型后防護(hù)裝置實(shí)車試驗(yàn)

改進(jìn)后模型撞擊速度設(shè)為65 km/h。從圖11可以看出，總能量守恒，沙漏能和滑移能比較小，從而驗(yàn)證了模型的有效性。從圖12和圖13可以看出，改進(jìn)后模型的碰撞速度雖然比改進(jìn)前提高了，但是最大侵入量僅為300mm，小于法規(guī)要求的400mm，且乘用車前部變形對乘員艙幾乎沒有影響，說明改進(jìn)后的防護(hù)裝置實(shí)現(xiàn)了防止車輛鉆入的功能。

圖14為追尾碰撞乘用車A柱、B柱、座椅橫梁的減速度曲線。車身A柱的碰撞減速度大于B柱和車身座椅橫梁處的碰撞減速度，這是因?yàn)锳柱的位置比B柱更靠近乘用車前端，在碰撞過程中車身前部所受到的沖擊要大于車身中后部［9］。從乘員碰撞安全性考慮，車身座椅橫梁處或B柱底部的碰撞減速度值更具有實(shí)際意義。仿真結(jié)果表明，這兩個部位的碰撞減速度峰值分別為3 g和25 g，均小于法規(guī)要求的40 g，證明改進(jìn)后防護(hù)裝置同時具有對乘員的保護(hù)作用［10］。

3　結(jié)論

通過TOSCA拓?fù)鋬?yōu)化軟件對一商用貨車的后防護(hù)裝置的碰撞相容性進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計，并進(jìn)行了仿真分析和實(shí)車驗(yàn)證，證明優(yōu)化后的后防護(hù)裝置能夠在乘用車較高速度追尾商用貨車的碰撞中，充分變形吸收碰撞能量并減少乘用車的車身前部變形，提高乘用車乘員被動安全水平。同時，研究表明，采用拓?fù)鋬?yōu)化設(shè)計方法，在指定所有加載和邊界條件的情況下，可以較快捷、準(zhǔn)確地尋求最佳的材料分布、承載方式等，得到較理想的優(yōu)化結(jié)構(gòu)。

［4］朱西產(chǎn)，程勇.載貨汽車防護(hù)裝置最佳離地高度和剛度的分析［J］.汽車工程，2002，24（5）：419-421.

［5］GB 7258-2004，機(jī)動車運(yùn)行安全技術(shù)條件［S］.北京：中國標(biāo)準(zhǔn)出版社，2004.

［6］張昕，陸善彬，劉海立，等.一種新型載貨汽車后部防護(hù)裝置的設(shè)計［J］.汽車技術(shù)，2011，（6）：19-23.

［7］趙幼平，劉道勇，李謹(jǐn)寧.商用車后下部防護(hù)裝置碰撞的計算機(jī)仿真研究［J］.汽車科技，2006，（3）：14-17.

［8］尹學(xué)楊，黃海波.基于仿真分析的貨車側(cè)部防護(hù)裝置優(yōu)化研究［C］.第八屆國際汽車交通安全學(xué)術(shù)會議論文集，2010.12.

［9］袁泉，李一兵.基于碰撞相容性因素的車輛追尾事故深入數(shù)據(jù)分析［J］.汽車技術(shù)，2006，（Z1）：72-75.

［10］程闊，黃玉鵬，萬鑫銘，等.相容性評價指標(biāo)及改進(jìn)分析［J］.機(jī)械工程與自動化，2010，（2）：119-121.

修改稿日期：2015-03-05

ImpactCom patibility Factor Analysisand Structure Im provement on Vehicle Rear Underrun Protection Device

Ma Ruixue，Zhou Congrong，WangXin
（Chongqing Vehicle Testand Research Institute，NationalCoach Quality Supervision and TestingCenter，Chongqing 401122，China）

The authorsanalyze the influence factorsof impactcompatibility in the rear-end crash，simulate the collision performanceofa truck rearunderrun protection device，and through the TOSCA topology optimization software to design a new type of rear underrun protection device.The simulation analysisand the real vehicle test show that the improved rearunderrun protection devicemeet the requirementsofGB 11567.2-2001，and itsblock and energy absorption functionsarealso improved obviously.

rearunderrun protection device；crash compatibility；simulation analysis；optimaldesign

U467.1+4

A

1006-3331（2015）05-0026-03

國家質(zhì)量監(jiān)督檢驗(yàn)檢疫總局科研計劃項(xiàng)目（201310116）

馬瑞雪（1985-），女，碩士；工程師；主要從事客車CAE及汽車碰撞試驗(yàn)工作。