某車型吸能盒式前防撞橫梁總成設(shè)計(jì)及高速碰撞性能優(yōu)化

安超群，陳　剛，武　蕾，劉建軍

（1.上海汽車集團(tuán)股份有限公司商用車技術(shù)中心，上海，200438 2.三明學(xué)院 機(jī)電工程學(xué)院，福建 三明　365004）

某車型吸能盒式前防撞橫梁總成設(shè)計(jì)及高速碰撞性能優(yōu)化

安超群1，陳剛2，武蕾2，劉建軍2

（1.上海汽車集團(tuán)股份有限公司商用車技術(shù)中心，上海，200438 2.三明學(xué)院 機(jī)電工程學(xué)院，福建 三明365004）

首先對(duì)某車型的吸能盒式前防撞橫梁總成進(jìn)行了概念結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，針對(duì)整車正面40%重疊偏置可變形壁障碰撞和正面100%重疊剛性壁障碰撞，建立了吸能盒式前防撞橫梁總成碰撞等效有限元模型，然后選取橫梁的截面形狀和厚度、吸能盒的截面形狀、厚度及材料作為設(shè)計(jì)因素，碰撞吸能量作為響應(yīng)，進(jìn)行了試驗(yàn)設(shè)計(jì)研究和分析。

前防撞橫梁；吸能盒；試驗(yàn)設(shè)計(jì)；有限元

汽車前防撞橫梁總成作為車體結(jié)構(gòu)的重要組成部分，不僅在低速碰撞中起著關(guān)鍵性作用，同時(shí)在高速碰撞中，如64 km/h正面40%重疊可變性壁障碰撞（ODB）和50 km/h正面100%重疊剛性壁障碰撞（FRB）（下文統(tǒng)稱為正面高速碰撞），也起著碰撞傳力和吸能的關(guān)鍵作用，對(duì)于整車結(jié)構(gòu)耐撞性能具有重要影響。

本文首先對(duì)某車型前防撞橫梁總成進(jìn)行了整體結(jié)構(gòu)概念設(shè)計(jì)，基于有限元?jiǎng)恿W(xué)仿真軟件LS-DYNA建立了前防撞橫梁總成碰撞的等效有限元模型，在此基礎(chǔ)上進(jìn)行試驗(yàn)設(shè)計(jì)，研究了橫梁截面、橫梁厚度、吸能盒截面、吸能盒厚度和吸能盒材料對(duì)于前防撞橫梁總成在正面高速碰撞中對(duì)吸能特性的影響，最終通過(guò)實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)的直觀分析法尋求得到了前防撞橫梁總成的優(yōu)化方案。

1　吸能盒式前防撞橫梁總成結(jié)構(gòu)概念設(shè)計(jì)

汽車的耐撞性能一直是汽車設(shè)計(jì)的重點(diǎn)之一，其直接關(guān)系到乘員在發(fā)生碰撞事故后的受傷程度與生存概率［1］。對(duì)于汽車前防撞橫梁總成結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，通常需要從架構(gòu)布置、維修方便性、高速碰撞力傳遞及吸能3個(gè)方面進(jìn)行設(shè)計(jì)。為滿足低速碰撞強(qiáng)制法規(guī)，需要前防撞橫梁與碰撞器具有一定的碰撞重疊量，為便于維修拆卸，前防撞橫梁總成與車架的連接通常設(shè)計(jì)成螺栓連接。對(duì)于前防撞橫梁總成的高速碰撞吸能特性則與其多個(gè)結(jié)構(gòu)參數(shù)或?qū)傩杂嘘P(guān)，例如橫梁截面形式、吸能盒截面形式、吸能盒板材厚度等。

從以上3個(gè)角度考慮，本文設(shè)計(jì)的前防撞橫梁總成包括橫梁、吸能盒和連接板，吸能盒前端與橫梁焊接、后端與連接板焊接，總成通過(guò)連接板用螺栓固定到車架縱梁上。最終設(shè)計(jì)的概念結(jié)構(gòu)如圖1所示。

圖1　前防撞橫梁總成概念結(jié)構(gòu)

2　前防撞橫梁總成正面高速碰撞等效有限元模型

在車型開發(fā)前期，無(wú)整車結(jié)構(gòu)詳細(xì)設(shè)計(jì)的CAD數(shù)據(jù)情況下，建立前防撞橫梁總成碰撞等效有限元模型進(jìn)行仿真分析和優(yōu)化是一種十分有效的方法。應(yīng)用有限元?jiǎng)恿W(xué)仿真軟件LS-DYNA建立了前防撞橫梁的正面高速碰撞等效有限元模型。為了使碰撞總能量一致，通過(guò)LS-DYNA關(guān)鍵字卡片*ELEMENT_MASS_PART將整車設(shè)計(jì)質(zhì)量配重到連接板上，建立的正面高速碰撞等效有限元模型如圖2所示。

圖2　前防撞橫梁總成正面高速碰撞等效有限元模型

3　吸能盒式前防撞橫梁總成正交試驗(yàn)設(shè)計(jì)及優(yōu)化

試驗(yàn)設(shè)計(jì)（design of experiment，DOE）方法是以概率論與數(shù)理統(tǒng)計(jì)為基礎(chǔ)，通過(guò)高效經(jīng)濟(jì)地獲取試驗(yàn)數(shù)據(jù)、科學(xué)地分析處理，最終得出最優(yōu)組合方案的一種試驗(yàn)方法［2］。正交試驗(yàn)設(shè)計(jì)是試驗(yàn)設(shè)計(jì)方法的一種，在實(shí)際經(jīng)驗(yàn)和理論認(rèn)識(shí)的基礎(chǔ)上，利用正交表來(lái)安排“均衡分散”的試驗(yàn)，通過(guò)盡量少次數(shù)的試驗(yàn)，找到最優(yōu)方案［3］。

使用正交實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)方法對(duì)上文設(shè)計(jì)的吸能盒式前防撞橫梁總成，針對(duì)影響其吸能特性的關(guān)鍵參數(shù)和屬性進(jìn)行試驗(yàn)設(shè)計(jì)，通過(guò)有限元分析手段進(jìn)行模擬碰撞試驗(yàn)以獲取試驗(yàn)方案的吸能結(jié)果，再對(duì)試驗(yàn)結(jié)果數(shù)據(jù)進(jìn)行直觀分析以尋求關(guān)鍵參數(shù)和屬性的優(yōu)化組合方案。

3.1響應(yīng)指標(biāo)的確定

從能量角度來(lái)看，汽車高速碰撞過(guò)程也就是車體與乘員初始動(dòng)能被吸收和耗散的過(guò)程。在高速碰撞發(fā)生時(shí)，為有效保護(hù)乘員，主要由車身前部 “壓潰區(qū)”的塑性變形來(lái)緩和沖擊和吸收碰撞動(dòng)能［4］，對(duì)于前防撞橫梁總成來(lái)說(shuō)，其在高速碰撞過(guò)程中吸能越多也就越有利于車體動(dòng)能的吸收和耗散，越有利于保護(hù)車內(nèi)乘員。因此，確定正面高速碰撞試驗(yàn)響應(yīng)指標(biāo)為吸能盒式前防撞橫梁總成碰撞吸能量最大，屬于望大特性。

3.2因素及其水平選取

DOE試驗(yàn)設(shè)計(jì)是在實(shí)際經(jīng)驗(yàn)和理論認(rèn)識(shí)的基礎(chǔ)上，利用正交表來(lái)安排“均衡分散”的試驗(yàn)，通過(guò)盡量少次數(shù)的試驗(yàn)，找到最優(yōu)方案［5］。在正交試驗(yàn)設(shè)計(jì)時(shí)，因素及其水平常常需要根據(jù)工程或者實(shí)際生產(chǎn)經(jīng)驗(yàn)選取，當(dāng)然也可以根據(jù)理論分析選取關(guān)鍵參數(shù)作為試驗(yàn)因素，但需要考慮到所選取的關(guān)鍵參數(shù)應(yīng)當(dāng)便于測(cè)量和實(shí)際試驗(yàn)操作。因素及其水平數(shù)也不易選取太多，否則會(huì)造成試驗(yàn)矩陣十分龐大，使所需進(jìn)行的試驗(yàn)次數(shù)多到難以承受。因素個(gè)數(shù)一般不多于5個(gè)，其水平數(shù)通常以3水平為宜。根據(jù)以往工程實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)和實(shí)際工程設(shè)計(jì)邊界選取“橫梁截面”、“橫梁厚度”、“吸能盒截面”、“吸能盒厚度”和“吸能盒材料”共5個(gè)試驗(yàn)因素，每個(gè)因素選取3個(gè)水平，其中“橫梁截面”和“吸能盒截面”的3個(gè)水平都是汽車中常用和具有代表性的3種截面形式。正交試驗(yàn)設(shè)計(jì)制定的因素及其水平表如表1所示。

表1　設(shè)計(jì)因素及其水平表

3.3正交試驗(yàn)表頭設(shè)計(jì)

由設(shè)計(jì)因素及其水平表可知，這是一個(gè)5因素3水平的正交試驗(yàn)，因此可以選擇L18（37）正交試驗(yàn)矩陣表安排試驗(yàn)。由于不考慮因素間的交互作用，把各個(gè)因素依次排在正交表表頭的適當(dāng)列上，得到本次試驗(yàn)設(shè)計(jì)的表頭設(shè)計(jì)如表2所示。

表2　表頭設(shè)計(jì)

3.4實(shí)驗(yàn)方案和試驗(yàn)

表頭設(shè)計(jì)之后，將因素及其水平填入選取的L18（37）正交試驗(yàn)矩陣表中得到試驗(yàn)方案，然后按試驗(yàn)編號(hào)依次進(jìn)行試驗(yàn)仿真計(jì)算得到實(shí)驗(yàn)結(jié)果數(shù)據(jù)，表3為本文實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)的方案和試驗(yàn)結(jié)果數(shù)據(jù)。

表3　試驗(yàn)方案和結(jié)果數(shù)據(jù)

3.5數(shù)據(jù)分析和優(yōu)化方案選取

使用直觀分析法對(duì)仿真實(shí)驗(yàn)所得的數(shù)據(jù)進(jìn)行分析，正交試驗(yàn)的直觀分析法是通過(guò)計(jì)算各因素水平對(duì)實(shí)驗(yàn)結(jié)果的影響，并用圖表形式表示出來(lái)，通過(guò)極差分析，綜合比較，最后確定優(yōu)化方案。對(duì)實(shí)驗(yàn)矩陣和實(shí)驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行直觀分析，計(jì)算各因素相應(yīng)水平的響應(yīng)均值及響應(yīng)均值的極差如表4所示。

由表4繪制出因素-響應(yīng)極差柱狀圖，如圖3所示，由此可知各因素對(duì)響應(yīng)影響顯著性的排序?yàn)椋篛DB工況—B、D、E、C、A；FRB工況—D、A、B、E、C。對(duì)于ODB工況，B因素，即橫梁厚度對(duì)前防撞橫梁總成正面碰撞吸能量影響最顯著，而A因素，即橫梁截面，最不顯著。對(duì)于FRB工況，D因素，即吸能盒厚度，對(duì)前防撞橫梁總成正面碰撞吸能量影響最顯著，而C因素，即吸能盒截面，最不顯著。

表4　正交試驗(yàn)數(shù)據(jù)分析

由表4繪制ODB和FRB工況響應(yīng)均值如圖4～5所示。因?yàn)轫憫?yīng)為望大特性，對(duì)于ODB工況，最優(yōu)的組合方案應(yīng)當(dāng)是A3-B1-C1-D3-E2，對(duì)于FRB工況，最優(yōu)的組合方案應(yīng)當(dāng)是A1-B3-C3-D3-E3。

對(duì)于ODB和FRB工況的優(yōu)化組合方案，A、B、C、E因素所取得水平不同，應(yīng)當(dāng)通過(guò)綜合平衡法，依據(jù)因素對(duì)響應(yīng)影響的顯著性排序以及成本和重量等方面綜合評(píng)估，最終確定唯一的優(yōu)化組合方案。

圖3　因素-響應(yīng)極差柱狀圖

A因子對(duì)于ODB為最不重要影響因子，對(duì)于FRB為次最重要影響因子，故選擇A1；B因子對(duì)于ODB為最重要影響因子，對(duì)于FRB為中等重要影響因子，故選擇B1；C因子對(duì)于ODB為次最不重要影響因子，對(duì)于FRB為最不重要影響因子，故選擇C1；E因子對(duì)于ODB為中等重要影響因子，對(duì)于FRB為次最不重要影響因子，故選擇E2；因此，最終確定的前防撞橫梁總成正面碰撞性能的優(yōu)化組合方案是：A1-B1-C1-D3-E2。

4　優(yōu)化組合方案驗(yàn)證

經(jīng)正交試驗(yàn)及直觀分析，應(yīng)用綜合平衡法最終確定了前防撞橫梁正面碰撞性能的優(yōu)化組合方案，根據(jù)優(yōu)化方案重新建立CAE模型，利用LS-DYNA對(duì)其分別進(jìn)行ODB和FRB兩個(gè)工況的仿真驗(yàn)證，驗(yàn)證結(jié)果如表5所示。

圖4　ODB工況響應(yīng)均值圖

圖5　FRB工況響應(yīng)均值圖

由優(yōu)化方案的驗(yàn)證結(jié)果可以看出，ODB和FRB兩種工況下前防撞梁的吸能率較優(yōu)化前分別提高了57.5%和42.2%，這將相應(yīng)地使車體碰撞加速度得到下降，對(duì)減小乘員頭部加速度、胸部加速度具有積極作用，能夠更好地保護(hù)乘員安全。

表5　優(yōu)化組合方案

5　結(jié)束語(yǔ)

首先對(duì)前防撞橫梁總成進(jìn)行了整體結(jié)構(gòu)概念設(shè)計(jì)，基于有限元?jiǎng)恿W(xué)仿真軟件LS-DYNA建立了前防撞橫梁總成碰撞的等效有限元模型，在此基礎(chǔ)上進(jìn)行試驗(yàn)設(shè)計(jì)，研究了橫梁截面、橫梁厚度、吸能盒截面、吸能盒厚度和吸能盒材料對(duì)于前防撞橫梁總成在正面高速碰撞中對(duì)吸能特性的影響。結(jié)果表明，對(duì)于ODB工況，橫梁厚度對(duì)前防撞橫梁總成正面碰撞吸能量影響最顯著，而橫梁截面，最不顯著；對(duì)于FRB工況，吸能盒厚度，對(duì)前防撞橫梁總成正面碰撞吸能量影響最顯著，而吸能盒截面，最不顯著。最終本文通過(guò)實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)直觀分析法得到了前防撞橫梁總成的優(yōu)化組合方案，該優(yōu)化方案確保了所設(shè)計(jì)的前防撞橫梁總成在ODB和FRB工況試驗(yàn)下均具有比較大的碰撞吸能量?；贒OE的前防撞橫梁總成優(yōu)化設(shè)計(jì)具有很強(qiáng)的工程實(shí)用性，對(duì)實(shí)際設(shè)計(jì)、生產(chǎn)具有一定的指導(dǎo)意義，為汽車前防撞橫梁總成的設(shè)計(jì)及高速碰撞性能優(yōu)化提供了指導(dǎo)和借鑒。

［1］雷剛，譚皓文.基于汽車正面碰撞的吸能盒設(shè)計(jì)及優(yōu)化［J］.重慶理工大學(xué)學(xué)報(bào)：自然科學(xué)版，2013（3）：1-5.

［2］欒軍.現(xiàn)代試驗(yàn)設(shè)計(jì)優(yōu)化方法［M］.上海：上海交通大學(xué)出版社，1995.

［3］茆詩(shī)松，周紀(jì)薌，陳穎.試驗(yàn)設(shè)計(jì)［M］.北京：中國(guó)統(tǒng)計(jì)出版社，2012.

［4］李建功，李三紅.正面碰撞加速度波形與傷害指標(biāo)相關(guān)性研究［C］//中國(guó)汽車工程學(xué)會(huì)年會(huì)論文集，2007：284-287.

［5］王玉正.基于DOE的電磁吸盤優(yōu)化設(shè)計(jì)［D］.上海：上海交通大學(xué)，2007.

（責(zé)任編輯：朱聯(lián)九）

Design and High-speed Collision Performance Optimization of an Energy Absorption Crash Box Bumper Beam Assembly

AN Chao-qun1，CHEN Gang2，WU Lei2，LIU Jian-jun2

（1.Saicmotor Commercial Vehicle Technology Center，Shanghai 200438，China；2.School of Mechanical&Electronic Eng.，Sanming University，Sanming 365004，China）

The energy absorption crash box bumper beam assembly concept structure for a specified vehicle model is designed at first.The requirements for this model is vehicle frontal crash 40%overlap offset with deformable rigid walls upon impact，and the frontal 100%overlap collision.Based on the requirements，the crash beam assembly's equivalent finite element model is established.The experimental design has been researched and analyzed after the beam cross section，thickness and material properties of the crash beam as well as crash box are selected as design characteristics and the collision energy absorption as response.

bumper beam；crash box；DOE；finite element analysis

U463.326

A

1673-4343（2016）02-0082-06

10.14098/j.cn35-1288/z.2016.02.013

2015-12-19

福建省中青年教師教育科研項(xiàng)目（JA15481）；福建省自然科學(xué)基金項(xiàng)目（2016J01741）

安超群，男，安徽蕪湖人，助理工程師。主要研究方向：整車結(jié)構(gòu)。