汽車(chē)偏置碰撞中前防撞梁結(jié)構(gòu)優(yōu)化

孫會(huì)偉 張向超 劉志法 辛勇 楊哲

（海馬汽車(chē)有限公司）

目前，國(guó)外汽車(chē)正面碰撞試驗(yàn)法規(guī)中對(duì)正面碰撞的評(píng)價(jià)方法分為全寬碰撞試驗(yàn)和40%偏置碰撞試驗(yàn)2種[1]。根據(jù)事故車(chē)輛不同碰撞重疊率的乘員傷亡分布情況可知，重疊率為30%～40%的事故中乘員嚴(yán)重受傷率最高，而40%偏置碰撞試驗(yàn)?zāi)軌蜉^精確地模擬該重疊率的交通事故[2]。因此進(jìn)行汽車(chē)40%偏置碰撞安全性的相關(guān)研究，對(duì)提高整車(chē)的碰撞安全性有重要的意義。40%偏置碰撞研究的重點(diǎn)是汽車(chē)車(chē)身結(jié)構(gòu)剛度的設(shè)計(jì)是否能有效實(shí)現(xiàn)縱向階梯變化，減少駕駛室的變形量。汽車(chē)前機(jī)艙結(jié)構(gòu)的整體剛度匹配對(duì)偏置碰撞影響較完全正碰更為顯著，而且單純加大板厚或者增加加強(qiáng)板會(huì)導(dǎo)致汽車(chē)質(zhì)量的大量增加[3]。文章通過(guò)有限元方法對(duì)2種不同防撞梁結(jié)構(gòu)進(jìn)行對(duì)比，分析2種防撞梁的吸能變形模式以及分析吸能盒的應(yīng)變大小，從而可以進(jìn)一步優(yōu)化防撞梁的耐撞和吸能性能，提高吸能盒撞擊力的均勻性，最終確定防撞梁的結(jié)構(gòu)形式。

1 碰撞性結(jié)構(gòu)分析

1.1 吸能理論

整車(chē)與可變形壁障接觸時(shí)，車(chē)身前部緩沖吸能區(qū)發(fā)生擠壓變形吸能，并通過(guò)前縱梁和輪罩加強(qiáng)件等部件向后傳遞，在車(chē)體A柱和乘員艙底部縱梁等部件處發(fā)生吸能變形。碰撞能量按各部分吸能區(qū)域進(jìn)行劃分[4-5]，可表示為：

式中：E0——初始動(dòng)能，J；

E1，E2，E3——可變形壁障、前部結(jié)構(gòu)及乘員艙的變形能，J；

m——汽車(chē)質(zhì)量，kg；

v0——初始速度，m/s；

Δxi（i=1，2，3）——可變形壁障擠壓變形、前部吸能結(jié)構(gòu)平均擠壓變形、乘員艙平均擠壓變形，m；

Ki（i=1，2，3）——可變形壁障、前部吸能結(jié)構(gòu)及乘員艙的等效縱向剛度，N/m。

文章主要通過(guò)優(yōu)化前防撞梁的結(jié)構(gòu)，改進(jìn)前防撞梁的吸能變形模式，改善前圍板侵入量，從而保證乘員有足夠的生存空間。

1.2 碰撞性結(jié)構(gòu)分析

通過(guò)碰撞性結(jié)構(gòu)分析，結(jié)合該款車(chē)的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)，40%偏置碰撞性設(shè)計(jì)應(yīng)包含一個(gè)剛度較大的乘員艙和設(shè)計(jì)合理的許可變形區(qū)域。汽車(chē)前部耐撞結(jié)構(gòu)和前縱梁結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)示意圖，如圖1所示。當(dāng)發(fā)生偏置碰撞時(shí)，通過(guò)剛度較大的乘員艙設(shè)計(jì)，確保乘員艙的完整性；通過(guò)許可變形區(qū)的壓縮變形吸收能量，并產(chǎn)生平緩的碰撞加速度；通過(guò)許可變形區(qū)內(nèi)主要承載結(jié)構(gòu)的變形控制，來(lái)控制汽車(chē)的整體變形[6]。

圖1 汽車(chē)40%偏置碰撞耐撞性結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)示意圖

2 偏置碰撞有限元模型的建立

2.1 有限元模型信息

偏置碰撞仿真有限元模型前處理在HyperMesh中完成，利用LS_DYNA進(jìn)行碰撞仿真求解。40%偏置碰撞有限元模型，如圖2所示。

圖2 汽車(chē)40%偏置碰撞有限元模型圖

2.2 偏置碰撞邊界條件設(shè)置

按照Euro-NCAP的試驗(yàn)要求，壁障距離地面高度為200 mm，偏置碰撞試驗(yàn)車(chē)碰撞速度為64 km/h，可變形壁障與汽車(chē)重疊率為40%，碰撞計(jì)算時(shí)間為150 ms，試驗(yàn)車(chē)與可變形壁障保持一直線(xiàn)，可變形壁障右側(cè)表面偏移汽車(chē)中心線(xiàn)約10%的汽車(chē)寬度，如圖3所示。

圖3 汽車(chē)40%偏置碰撞中汽車(chē)與壁障位置關(guān)系圖

3 偏置碰撞仿真結(jié)果分析

3.1 2種防撞梁結(jié)構(gòu)對(duì)比

優(yōu)化前結(jié)構(gòu)為防撞梁本體與吸能盒之間是CO2焊接，優(yōu)化后狀態(tài)為防撞梁本體與吸能盒之間增加一個(gè)吸能盒前擋板，防撞梁本體與吸能盒前擋板采用螺栓連接，吸能盒前擋板與吸能盒之間采用CO2焊接。防撞梁優(yōu)化前后結(jié)構(gòu)對(duì)比，如圖4所示。

圖4 汽車(chē)偏置碰撞防撞梁優(yōu)化前后結(jié)構(gòu)對(duì)比

3.2 偏置碰撞右側(cè)吸能盒整體應(yīng)變結(jié)果對(duì)比

偏置碰撞右側(cè)吸能盒應(yīng)變結(jié)果對(duì)比，如圖5所示。從圖5可以看出，優(yōu)化前狀態(tài)的右側(cè)吸能盒存在應(yīng)變大于20%（零件撕裂極限點(diǎn)）的區(qū)域，存在較大的撕裂風(fēng)險(xiǎn)，而優(yōu)化后狀態(tài)的右側(cè)吸能盒的應(yīng)變只有10%，風(fēng)險(xiǎn)較小。

圖5 汽車(chē)偏置碰撞右側(cè)吸能盒優(yōu)化前后整體應(yīng)變模型圖

3.3 優(yōu)化前防撞梁40%偏置碰撞吸能盒變形結(jié)果

優(yōu)化前防撞梁40%偏置碰撞吸能盒變形結(jié)果，如圖6所示。從圖6可以看出，左側(cè)吸能盒變形嚴(yán)重，焊縫周?chē)鷳?yīng)變較大，有失效風(fēng)險(xiǎn)；右側(cè)吸能盒變形較小，但焊縫周?chē)鷳?yīng)變普遍大于20%，且主要受力為剪切力，整體失效風(fēng)險(xiǎn)較大。

圖6 汽車(chē)偏置碰撞防撞梁吸能盒優(yōu)化前變形模型圖

3.4 優(yōu)化后防撞梁偏置碰撞吸能盒及前擋板變形結(jié)果

優(yōu)化后防撞梁40%偏置碰撞吸能盒變形結(jié)果，如圖7所示。從圖7可以看出，左側(cè)吸能盒變形嚴(yán)重，但焊縫處受剪切力很小，失效風(fēng)險(xiǎn)不大；右側(cè)吸能盒變形較小，焊縫處有少量單元應(yīng)變大于20%，但整體失效風(fēng)險(xiǎn)不大。

圖7 汽車(chē)偏置碰撞防撞梁吸能盒優(yōu)化后變形模型圖

優(yōu)化后防撞梁40%偏置碰撞吸能盒前擋板變形結(jié)果，如圖8所示。從圖8可以看出，左隔板螺栓孔周?chē)鷳?yīng)變小于20%，無(wú)失效風(fēng)險(xiǎn)；右隔板螺栓孔周?chē)鷳?yīng)變小于20%，無(wú)失效風(fēng)險(xiǎn)。

圖8 汽車(chē)偏置碰撞防撞梁吸能盒前擋板優(yōu)化后應(yīng)變模型圖

3.5 偏置碰撞車(chē)體加速度和前圍板侵入量結(jié)果對(duì)比

優(yōu)化前后左側(cè)B柱加速度時(shí)間響應(yīng)曲線(xiàn)，如圖9所示。

圖9 汽車(chē)偏置碰撞防撞梁左側(cè)B柱加速度時(shí)間響應(yīng)曲線(xiàn)

從圖9可以看出，防撞梁優(yōu)化前狀態(tài)的B柱左側(cè)加速度峰值大幅增加，時(shí)間點(diǎn)靠后，同時(shí)前圍板整體侵入量也增加到160.1 mm，超過(guò)了目標(biāo)值，對(duì)乘員保護(hù)極為不利。

3.6 仿真分析結(jié)果對(duì)比

1）吸能盒和吸能盒前擋板的應(yīng)變對(duì)比情況為：防撞梁優(yōu)化前狀態(tài)存在應(yīng)變大于20%的區(qū)域，存在較大的撕裂風(fēng)險(xiǎn)，而優(yōu)化后狀態(tài)的應(yīng)變只有10%，風(fēng)險(xiǎn)較??；

2）車(chē)體加速度和前圍板侵入量對(duì)比結(jié)果為：防撞梁優(yōu)化前狀態(tài)的B柱左側(cè)加速度峰值大幅增加，且時(shí)間點(diǎn)靠后，同時(shí)前圍板整體侵入量也增加到160.1 mm，超過(guò)了目標(biāo)值，對(duì)乘員保護(hù)極為不利；

3）前防撞梁和左側(cè)吸能盒壓潰變形穩(wěn)定性分析：防撞梁本體與吸能盒之間采用螺栓連接的方式，在防撞梁折彎變形過(guò)程中會(huì)使防撞梁和吸能盒間有一定程度的緩沖過(guò)程，將明顯降低對(duì)吸能盒或安裝板的拉力和剪切力，所以?xún)?yōu)化后的吸能盒傳力更為均勻、可靠，潰縮變形充分，對(duì)前縱梁的潰縮和折彎變形有利；

4）優(yōu)化后防撞梁結(jié)構(gòu)的各項(xiàng)指標(biāo)優(yōu)于優(yōu)化前，所以在車(chē)身開(kāi)發(fā)過(guò)程中應(yīng)考慮采用新?tīng)顟B(tài)防撞梁結(jié)構(gòu)。

4 結(jié)論

前防撞梁是保證汽車(chē)碰撞安全性的關(guān)鍵零部件，當(dāng)前防撞梁強(qiáng)度不足或吸能變形不合理時(shí)，會(huì)影響整車(chē)的碰撞性能，且不利于后期約束系統(tǒng)的匹配。通過(guò)40%偏置碰撞安全仿真分析，對(duì)防撞梁進(jìn)行結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)，防撞梁本體與吸能盒之間增加隔板后的結(jié)構(gòu)會(huì)使吸能盒的應(yīng)變不超過(guò)20%，大大減少了在偏置碰撞過(guò)程中出現(xiàn)零件撕裂的風(fēng)險(xiǎn)；且新結(jié)構(gòu)能夠使乘員艙侵入量得到明顯改善，這樣可以為車(chē)內(nèi)乘員提供一個(gè)更加安全舒適的環(huán)境，在一定程度上提高了該款車(chē)在偏置碰撞過(guò)程中的安全性能。

文章建立的整車(chē)有限元仿真模型未包含假人模型，未對(duì)人體傷害值進(jìn)行比較分析，后續(xù)可以開(kāi)展這方面的相關(guān)分析，同時(shí)新結(jié)構(gòu)會(huì)加大零部件的采購(gòu)成本，這也是在后續(xù)防撞梁開(kāi)發(fā)過(guò)程中需要考慮的因素之一。