乘用車前保險(xiǎn)杠系統(tǒng)耐撞性分析與優(yōu)化＊

程豹李春書楊帥

（1.中國(guó)汽車技術(shù)研究中心，天津 300300；2.河北工業(yè)大學(xué)，天津 300131）

乘用車前保險(xiǎn)杠系統(tǒng)耐撞性分析與優(yōu)化＊

程豹1,2李春書2楊帥1

（1.中國(guó)汽車技術(shù)研究中心，天津 300300；2.河北工業(yè)大學(xué)，天津 300131）

針對(duì)行人保護(hù)柔性腿型（Flex-PLI）、RCAR低速碰撞、高速偏置碰撞3種工況，采用有限元建模方法，對(duì)某車型前保險(xiǎn)杠系統(tǒng)進(jìn)行耐撞性仿真分析，分析表明該車前保險(xiǎn)杠系統(tǒng)不能滿足碰撞安全性要求。以前保險(xiǎn)杠系統(tǒng)主要結(jié)構(gòu)參數(shù)為變量進(jìn)行正交試驗(yàn)設(shè)計(jì)，利用綜合分析法對(duì)前保險(xiǎn)杠結(jié)構(gòu)進(jìn)行優(yōu)化匹配。在結(jié)構(gòu)優(yōu)化的基礎(chǔ)上，以厚度為變量利用響應(yīng)面和多目標(biāo)遺傳算法對(duì)前保險(xiǎn)杠系統(tǒng)的安全性能和質(zhì)量進(jìn)行了進(jìn)一步優(yōu)化，其整體耐撞性能得到提升。

1 前言

隨著汽車安全技術(shù)的不斷發(fā)展，國(guó)內(nèi)外對(duì)行人保護(hù)和低速碰撞的研究不斷加強(qiáng)。2011年歐盟新增保險(xiǎn)杠低速碰撞的測(cè)試評(píng)估（Research Council for Automobile Repairs，RCAR），旨在對(duì)汽車進(jìn)行低速碰撞損害和可修復(fù)性評(píng)價(jià)[1]。2014年歐盟新車評(píng)價(jià)規(guī)程（E-NCAP）中引入了生物逼真度更高的柔性腿型（Flex-PLI）代替TRL剛性小腿進(jìn)行車型星級(jí)評(píng)定試驗(yàn)[2]。2018年版的中國(guó)新車評(píng)價(jià)規(guī)程（C-NCAP）中也將引入行人保護(hù)評(píng)價(jià)。柔性下肢沖擊器的引入、RCAR低速碰撞法規(guī)的制定進(jìn)一步推動(dòng)了被動(dòng)安全研究的發(fā)展。汽車前保險(xiǎn)杠系統(tǒng)作為車身的第一級(jí)吸能區(qū)域，在低速碰撞和行人下肢碰撞中均起到吸能和緩沖的作用。本文在保證傳統(tǒng)安全性能的基礎(chǔ)上，開發(fā)出能夠同時(shí)滿足柔性行人下肢保護(hù)和低速碰撞性能要求的前保險(xiǎn)杠系統(tǒng)。

2 車輛原始前保險(xiǎn)杠性能分析

2.1 高速偏置碰撞性能仿真分析

依據(jù)C-NCAP的標(biāo)準(zhǔn)[3]建立高速偏置碰撞仿真模型，整車模型采用某車型的有限元模型。在Hypermesh中將壁障放在車身寬度的40%處；約束壁障x、y、z3個(gè)方向（同整車坐標(biāo)系）的平動(dòng)和轉(zhuǎn)動(dòng)自由度；整車模型施加x軸正向碰撞初速度64 km/h；整車與壁障間建立面面接觸。建立起的高速偏置碰撞有限元模型如圖1所示。

車輛高速碰撞過程中，前保險(xiǎn)杠系統(tǒng)變形吸能效果有限，然而其對(duì)碰撞力的引導(dǎo)作用一定程度上影響著后端部件參與吸能。較好的前保險(xiǎn)杠系統(tǒng)能夠?qū)⑴鲎擦Ω嗟赜膳鲎矀?cè)傳遞到非碰撞側(cè)，充分發(fā)揮前縱梁等主要吸能部件的吸能作用，提升車身安全性能。因此，本文將偏置碰撞中傳遞載荷的能力作為衡量保險(xiǎn)杠系統(tǒng)優(yōu)劣的標(biāo)志，選取左、右側(cè)吸能盒處截面力的差值作為衡量前保險(xiǎn)杠系統(tǒng)在偏置碰撞中耐撞性能的標(biāo)準(zhǔn)。

圖1 高速偏置碰撞有限元模型

將上述有限元模型導(dǎo)入LS-DYNA軟件計(jì)算完成后，讀取左、右側(cè)吸能盒處截面力曲線，如圖2所示。兩側(cè)截面力曲線第1個(gè)峰值的差值為62.61 kN，表征了前保險(xiǎn)杠系統(tǒng)在傳統(tǒng)高速碰撞中對(duì)力的傳導(dǎo)能力。對(duì)其他工況進(jìn)行性能開發(fā)的過程中，應(yīng)保證前保險(xiǎn)杠系統(tǒng)傳統(tǒng)安全性能不下降。

圖2 左、右側(cè)吸能盒截面力曲線

2.2 低速碰撞性能仿真分析

低速碰撞模型按照歐洲保險(xiǎn)機(jī)構(gòu)制定的RCAR規(guī)程的要求建立。建立壁障有限元模型，調(diào)整整車模型與壁障的位置；約束壁障x、y、z3個(gè)方向的平動(dòng)和轉(zhuǎn)動(dòng)自由度；為整車模型施加x軸正向碰撞初速度15 km/h；整車與壁障間建立面面接觸。搭建完成的模型如圖3所示。

圖3 低速碰撞有限元模型

低速碰撞過程中，汽車前保險(xiǎn)杠系統(tǒng)必須具備足夠的吸能能力，以保護(hù)后端的散熱器等零部件不被擠壓變形，降低維修成本。因此，本文選取保險(xiǎn)杠與壁障第1個(gè)接觸點(diǎn)的侵入量作為評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)。若侵入量超過保險(xiǎn)杠前端與散熱器的距離，則說明保險(xiǎn)杠系統(tǒng)吸能較差，對(duì)于后端部件的損害較大；若侵入量小，則說明保險(xiǎn)杠結(jié)構(gòu)吸能效果好，耐撞性強(qiáng)。結(jié)合該車型，考慮部件厚度與變形空間，將第1點(diǎn)的侵入量上限值定為250 mm。

將低速碰撞有限元模型導(dǎo)入LS-DYNA軟件計(jì)算完成后，在HyperGraph中讀取第1點(diǎn)的侵入量為276.1 mm，侵入量較大，不能滿足低速碰撞的要求。

2.3 行人下肢保護(hù)性能仿真分析

本文依據(jù)新版E-NCAP的標(biāo)準(zhǔn)采用柔性下肢沖擊器建立行人下肢碰撞工況。行人下肢的碰撞吸能主要發(fā)生在車輛前端，因此，該工況下只截取車身前半部分進(jìn)行仿真。約束其x、y、z3個(gè)方向平動(dòng)和轉(zhuǎn)動(dòng)自由度。下肢沖擊器與汽車模型的碰撞區(qū)域通過對(duì)車輛前端畫線確定[4]，本文選取車輛前端中心點(diǎn)進(jìn)行碰撞分析。柔性腿在x反方向施加40 km/h的初速度；車輛與柔性腿建立面面接觸。行人下肢碰撞有限元模型搭建完成后如圖4所示。

圖4 行人下肢碰撞有限元模型

該工況中采用的Flex PLI-GTR柔性腿模型[5]如圖5所示。柔性腿由股骨、脛骨、膝蓋及皮膚/肌肉4個(gè)主要部分構(gòu)成。剛性腿的股骨和脛骨由鋼管制成，沒有測(cè)試小腿損傷的機(jī)能，無法表示骨折等現(xiàn)象。與之相比，柔性腿的股骨和脛骨由各骨節(jié)用鋼索串聯(lián)而成，可以較好地模擬小腿損傷，生物仿真度更高。膝關(guān)節(jié)分為上、下兩部分，由12條鋼索連接，用于模擬膝關(guān)節(jié)韌帶的傷害。該腿型中含有較多的數(shù)據(jù)采集通道，其中，試驗(yàn)中常用的有7個(gè)通道，分別為韌帶伸長(zhǎng)量（含前十字韌帶伸長(zhǎng)量LACL、后十字韌帶伸長(zhǎng)量LPCL、內(nèi)側(cè)副韌帶伸長(zhǎng)量LMCL）、脛骨彎矩（含脛骨上部彎矩T1、脛骨中上部彎矩T2、脛骨中下部彎矩T3、脛骨下部彎矩T4），見圖5。

圖5 Flex PLI-GTR柔性腿及傳感器分布

E-NCAP中對(duì)柔性腿型的上述7個(gè)評(píng)價(jià)指標(biāo)均有限值要求。具體參數(shù)為：LACL、LPCL的最大值LAP不大于10 mm；LMCL不大于22 mm；T1、T2、T3、T4的最大值Tmax不大于280 N·m。將該模型導(dǎo)入LS-DYAN軟件計(jì)算完成后，讀取韌帶伸長(zhǎng)量和脛骨彎曲曲線，得到其最大值，如表1所示。由表1可知，LMCL超過規(guī)定值，不能滿足要求。

表1 行人下肢碰撞參數(shù)

3 正交優(yōu)化試驗(yàn)設(shè)計(jì)

3.1 因子及其水平

汽車前保險(xiǎn)杠結(jié)構(gòu)主要包括前保險(xiǎn)杠外蒙皮、前端緩沖件、防撞梁、吸能盒、連接法蘭等，如圖6所示。本文選取前端吸能件材料、前端吸能空間（防撞梁與蒙皮之間的距離）、防撞梁材料、防撞梁截面形式為試驗(yàn)變量進(jìn)行研究。各變量的水平參數(shù)是在統(tǒng)計(jì)大量車型的基礎(chǔ)上得到的，其中備選材料性能參數(shù)如表2、表3所示，各個(gè)變量的水平如表4所示。

圖6 前保險(xiǎn)杠典型結(jié)構(gòu)

表2 防撞梁材料參數(shù)

表3 前端吸能件材料參數(shù)

表4 試驗(yàn)因素和水平等級(jí)

3.2 試驗(yàn)結(jié)果及分析

根據(jù)上述試驗(yàn)因子及水平，選用正交設(shè)計(jì)表L9（34），共進(jìn)行9組試驗(yàn)，調(diào)整模型，提交至LS-DYNA計(jì)算，得到正交試驗(yàn)結(jié)果如表5所示。其中，F(xiàn)為左、右側(cè)吸能盒截面力差值；S為低速碰撞位移。采用直觀分析法對(duì)正交試驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行分析，即分別求解每個(gè)因素各水平下的平均響應(yīng)值kˉ，并根據(jù)該值求出因素水平對(duì)目標(biāo)的效應(yīng)極差，用以判斷各因素的主次順序。各變量對(duì)應(yīng)的目標(biāo)值的平均效應(yīng)和極差（R）及優(yōu)化方案如表6～表8所示。

表5 正交試驗(yàn)結(jié)果

表6 高速偏置碰撞試驗(yàn)結(jié)果極差分析 kN

R值越大，因子越重要。因此，對(duì)于高速偏置碰撞來說，因子的主次順序?yàn)锳-C-D-B，最優(yōu)水平組合為A1B3C2D1。

表7 低速碰撞試驗(yàn)結(jié)果極差分析 mm

低速碰撞試驗(yàn)中，因子的主次順序?yàn)镃-A-D-B,最優(yōu)水平組合為A1B2C2D1。

表8 行人下肢碰撞試驗(yàn)結(jié)果極差分析

行人下肢碰撞試驗(yàn)中，4個(gè)因子對(duì)于LAP、LMCL、Tmax影響的主次順序分別為A-B-C-D、A-C-B-D、B-D-A-C，最優(yōu)水平組合分別為 A1B1C3D1、A1B1C3D3、A2B2C1D1。

根據(jù)正交試驗(yàn)和極差分析結(jié)果，采用綜合分析的方法對(duì)前保險(xiǎn)杠系統(tǒng)結(jié)構(gòu)進(jìn)行優(yōu)化：

a.防撞梁材料對(duì)各指標(biāo)影響的綜合分析。對(duì)于F、S、LAP、LMCL而言最優(yōu)方案為A1；對(duì)于Tmax而言最優(yōu)方案為A2。但在影響Tmax的4個(gè)因子中，防撞梁材料的屈服強(qiáng)度位于第3，并且選用方案A1時(shí)，Tmax在可接受范圍內(nèi)。綜合考慮，該水平值取A1。

b.前端吸能件材料的屈服強(qiáng)度對(duì)各指標(biāo)影響的綜合分析。對(duì)于F而言，最優(yōu)方案為B3；對(duì)于LAP、LMCL而言，較優(yōu)方案為B1；對(duì)于S、Tmax而言，較優(yōu)方案為B2。因子B對(duì)F的影響位于第4；B1、B2對(duì)S、Tmax的影響值基本相同。因此，該水平值取B1。

c.防撞梁截面對(duì)各指標(biāo)影響的綜合分析。對(duì)于LAP、LMCL而言，較優(yōu)方案為C3；對(duì)于F、S而言，較優(yōu)方案為C2；對(duì)于Tmax而言，較優(yōu)方案為C1。在4個(gè)因素中，C對(duì)于S的影響占據(jù)首位，對(duì)于F、LMCL的影響位于第2，屬于影響較大的因素，對(duì)于LAP的影響位于第3，對(duì)于Tmax的影響位于第4，屬于次要因素。當(dāng)因子取C2時(shí)，LAP的值在規(guī)定范圍內(nèi)。綜合考慮，該水平值取C2。

d.吸能空間對(duì)各指標(biāo)影響的綜合分析。對(duì)于F、S、LAP、Tmax而言，較優(yōu)方案為D1；對(duì)于LMCL而言，較優(yōu)方案為D3。但影響因子D對(duì)于LMCL的影響處于第4位，為次要因素。綜合考慮，該水平值取D1。

由以上分析得到保險(xiǎn)杠系統(tǒng)結(jié)構(gòu)參數(shù)的最佳組合為A1B1C2D1。按照該參數(shù)組合對(duì)車輛模型進(jìn)行調(diào)整，提交至LS-DYNA計(jì)算后，將優(yōu)化后的結(jié)果與原模型進(jìn)行比對(duì)，如表9所示。

表9 優(yōu)化前、后試驗(yàn)結(jié)果對(duì)比

由表9可知，優(yōu)化后保險(xiǎn)杠耐撞性得到了大幅提高，但LMCL依然大于法規(guī)規(guī)定值。因此，在結(jié)構(gòu)優(yōu)化的基礎(chǔ)上，對(duì)前保險(xiǎn)杠系統(tǒng)零部件厚度進(jìn)行進(jìn)一步優(yōu)化。

4 響應(yīng)面模型的建立與優(yōu)化分析

4.1 響應(yīng)面的構(gòu)造

響應(yīng)面法是將試驗(yàn)設(shè)計(jì)與數(shù)理統(tǒng)計(jì)相結(jié)合建立近似模型的優(yōu)化方法[6]，本文用該方法構(gòu)造了近似模型。首先應(yīng)通過合理的試驗(yàn)設(shè)計(jì)，采集足夠多樣本性能參數(shù)，其次確定響應(yīng)面形式，運(yùn)用最小二乘法確定各個(gè)響應(yīng)量的近似模型。

為了減少試驗(yàn)次數(shù)，同時(shí)得到精度較高的響應(yīng)面模型，采用拉丁超立方進(jìn)行試驗(yàn)設(shè)計(jì)[7]。本文選取的試驗(yàn)變量分別為：前端吸能件厚度x1，取值范圍為0.4～1.0 mm；防撞梁厚度x2，取值范圍為1.2～2.0 mm；蒙皮厚度x3，取值范圍為2.5～4.5 mm。在設(shè)計(jì)范圍內(nèi)，采用拉丁超立方試驗(yàn)設(shè)計(jì)得到15個(gè)樣本點(diǎn)。利用LS-DYNA對(duì)樣本點(diǎn)進(jìn)行求解，每個(gè)樣本點(diǎn)需要得到5個(gè)響應(yīng)值，分別為低速碰撞侵入位移y1、LACL和LPCL的最大值y2、MCL伸長(zhǎng)量y3、脛骨最大彎矩y4、吸能盒截面力差值y5、前保險(xiǎn)杠系統(tǒng)質(zhì)量y6，具體樣本數(shù)據(jù)如表10所示。

多項(xiàng)式響應(yīng)面模型具有數(shù)學(xué)表達(dá)形式簡(jiǎn)單、計(jì)算簡(jiǎn)便等優(yōu)點(diǎn)，在工程中得到了廣泛應(yīng)用。本文利用樣本點(diǎn)數(shù)據(jù)構(gòu)造多項(xiàng)式響應(yīng)面模型[8]：

表10 拉丁超立方試驗(yàn)樣本數(shù)據(jù)

近似模型的擬合精度系數(shù)如表11所示。其中，R2為決定系數(shù)，R2adj為校正決定系數(shù)，這2個(gè)值越大，模型近似度越高，本文所建立的6個(gè)近似模型中，R2、R2adj均大于0.9，具有較高的精度。

表11 響應(yīng)面模型精度評(píng)價(jià)

4.2 基于NSGA-Ⅱ的多目標(biāo)優(yōu)化

本節(jié)優(yōu)化的目的是在前保險(xiǎn)杠結(jié)構(gòu)優(yōu)化的基礎(chǔ)上，對(duì)其厚度進(jìn)行優(yōu)化，降低保險(xiǎn)杠系統(tǒng)的質(zhì)量。

根據(jù)建立的響應(yīng)面模型，采用NSGA-Ⅱ多目標(biāo)優(yōu)化算法在Isight中對(duì)該數(shù)學(xué)模型進(jìn)行了運(yùn)算。計(jì)算共迭代241步，產(chǎn)生110個(gè)Pareto解。本文選取了一組可行解參數(shù)如表12所示。更改模型，提交計(jì)算后，對(duì)結(jié)果進(jìn)行統(tǒng)計(jì)，并與原始結(jié)果進(jìn)行比對(duì)，結(jié)果如表13所示。由表13可知，前保險(xiǎn)杠系統(tǒng)優(yōu)化后，低速碰撞性能稍有下降，位移量增大，但可以滿足法規(guī)要求，LMCL滿足法規(guī)要求。高速偏置性能沒有降低，前保險(xiǎn)杠系統(tǒng)質(zhì)量下降了30.5%，實(shí)現(xiàn)了輕量化設(shè)計(jì)。

表12 選取的Pareto最優(yōu)解

5 結(jié)束語(yǔ)

本文綜合考慮了低速碰撞、柔性腿型行人下肢碰撞、高速偏置碰撞3種工況對(duì)汽車安全性能的要求，采用正交試驗(yàn)設(shè)計(jì)、響應(yīng)面和多目標(biāo)遺傳算法對(duì)汽車前保險(xiǎn)杠結(jié)構(gòu)和零件厚度進(jìn)行優(yōu)化，在保證偏置碰撞工況安全性能的前提下，提升其低速碰撞和柔性行人下肢碰撞的耐撞性，設(shè)計(jì)開發(fā)出了具備綜合性能的汽車前保險(xiǎn)杠系統(tǒng)。

1 陳現(xiàn)嶺，岳鵬，張凱.基于RCAR的汽車低速碰撞性能設(shè)計(jì).汽車工程，2009，31（12）：1165～1168.

2 劉衛(wèi)國(guó)，呂曉江.基于Euro-NCAP評(píng)價(jià)規(guī)程行人柔性腿型碰撞實(shí)驗(yàn).汽車安全與節(jié)能學(xué)報(bào)，2015，6（2）：128～133.

3 中國(guó)汽車技術(shù)研究中心.C-NCAP管理規(guī)則.2012.

4 谷陽(yáng)陽(yáng).基于行人腿部保護(hù)汽車前保險(xiǎn)杠結(jié)構(gòu)優(yōu)化仿真研究.武漢：武漢理工大學(xué)，2013.

5 Konosu A,Tanahashi M.Development of a Biofidelic Flexi?ble Pedestrian Legform Impactor.Stapp Car Crash Journal, 2003（47）：459～472.

6 萬鑫銘，徐小飛，徐中明，等.汽車用鋁合金吸能盒結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì).汽車工程學(xué)報(bào)，2013，3（1）：15～21.

7 劉文卿.試驗(yàn)設(shè)計(jì).北京：清華大學(xué)出版社，2005.

8 張勇.基于近似模型的汽車輕量化優(yōu)化設(shè)計(jì)方法.長(zhǎng)沙：湖南大學(xué)，2008.

（責(zé)任編輯 斛 畔）

修改稿收到日期為2016年8月30日。

Crashworthiness Analysis and Optimization of Car Front Bumper System

Cheng Bao1,2,Li Chunshu1,Yang Shuai2
（1.China Automotive Technology&Research Center,Tianjin 300300;2.Hebei University of Technology,Tianjin 300131）

Crashworthiness of a car front bumper system was simulated and analyzed with FEM for three conditions, i.e.pedestrian protection Flex-PLI,RCAR low-speed crash,high-speed offset crash.The results showed that the car’s front bumper system could meet the safety requirements.With the main structural parameters of front bumper system as variables for orthogonal experiment design,we used comprehensive analysis to optimize and match the structure of the front bumper system.Based on the structure optimization,we used response surface and multi-objective genetic algorithm method to further optimize the safety performance and quality of the front bumper system with the thickness of front bumper system components as variables,its overall crashworthiness was improved.

Front bumper system,ODB,RCAR,Flex-PLI,Crashworthiness

前保險(xiǎn)杠系統(tǒng) ODB RCAR 柔性腿 耐撞性

U463.82

A

1000-3703（2017）01-0058-05

河北省自然科學(xué)基金項(xiàng)目（2014202114）。

李春書（1962—），女，教授，博士生導(dǎo)師，研究方向?yàn)闄C(jī)械系統(tǒng)動(dòng)力學(xué)，chunshuli@126.com。