正面碰撞安全性車身結(jié)構(gòu)設計

張洪生

摘要：汽車車身結(jié)構(gòu)的碰撞性能直接關系到汽車的被動安全性指標。本文從某純電動轎車在設計中提出的具體要求出發(fā)，建立了用于碰撞分析的整車車身結(jié)構(gòu)的有限元模型，同時按照車身碰撞性能的評價目標，利用計算機模擬技術(shù)對車身局部結(jié)構(gòu)進行了優(yōu)化和改進。模擬結(jié)果與實車碰撞實驗結(jié)果的對比表明，計算方法和模擬過程正確，提出的建模方案和局部改進方案可以提高汽車產(chǎn)品的被動安全性設計水平。

關鍵詞：轎車車身；結(jié)構(gòu)設計；正面碰撞；仿真；評價；被動安全性

1.1 本文的研究內(nèi)容

本文針對某純電動轎車的正面碰撞安全性進行了車身結(jié)構(gòu)設計，并結(jié)合仿真分析的結(jié)果提出了優(yōu)化設計方案，相關工作如下：

（1）通過閱讀大量的參考文獻，分析了國內(nèi)外汽車被動安全性的研究現(xiàn)狀和法規(guī)現(xiàn)狀，以及取得的最新成果及最新發(fā)展動態(tài)等。

（2）借助于大變形非線性有限元理論，對車身正面碰撞評價指標進行了分析。

（3）建立了某純電動轎車的整車三維CAD數(shù)學模型.

（4）以典型正碰結(jié)構(gòu)框架為基礎，對網(wǎng)格劃分、材料定義、算法選擇、焊接工藝、接觸條件設定進行了細致的分析和參數(shù)比較。根據(jù)仿真分析的需要，對數(shù)據(jù)進行了適當?shù)奶幚砗秃喕⑦M行了全面檢查和校正。

（5）按照ECE R95法規(guī)對轎車車體總成進行了正碰仿真分析，針對仿真結(jié)果中出現(xiàn)的問題，提出了比較優(yōu)化的改進方案。

（6）對改進方案進行了多次仿真分析，結(jié)果顯示新增零件具備良好的吸能特性，改進方案提高了車體正面抗撞性，方案是可行的。

（7）將仿真分析的結(jié)果與實車碰撞試驗數(shù)據(jù)進行了比較，驗證了仿真分析結(jié)果的有效性。

（8）總結(jié)出了一套應用非線性有限元理論、組合多種應用軟件進行碰撞仿真分析的方法，該方法對車身結(jié)構(gòu)的優(yōu)化設計具有重要的指導作用。對其它同類車型的車身結(jié)構(gòu)設計具有一定的借鑒意義。

第2章 整車模型的建立

2.1白車身三維CAD數(shù)學模型的建立

在CAD模型的建立中，采用了法國Dassault公司推出的三維CAD軟件CATIA，它是當今汽車工業(yè)界應用最廣泛的軟件之一，白車身CAD模型見圖2-1。

第3章 前縱梁碰撞性能的評價和局部改進

本文對車身結(jié)構(gòu)的主要吸能部件---前縱梁總成的結(jié)構(gòu)進行了多次優(yōu)化設計和局部改動，使其碰撞吸能性能得到進一步的改進。

3.1第一次模擬結(jié)果的評價及結(jié)構(gòu)局部改進

結(jié)果分析：該前縱梁在碰撞時，前部沒有很好的壓潰變形，在梁的中部產(chǎn)生了很大的彎曲變形。由于彎曲變形吸收能量的能力較低，且變形大，而壓潰變形則具有很大的能量吸收比，所以從模擬的結(jié)果來看，要想辦法使前縱梁盡可能的沿著軸向壓潰變形，控制其彎曲變形量。

結(jié)構(gòu)改進：1、通過局部調(diào)整截面形狀（通過吸能筋與加強筋的布置），使結(jié)構(gòu)的變形阻力保持在適當水平，并重視局部弱化使整車剛度分配符合設計原則及能量吸收曲線圖。具體有如下措施：1）在縱梁上設計易于軸向壓潰的結(jié)構(gòu)要素，如：凸臺、凹臺、長孔或方孔、缺口等；2）縱梁、車架局部制成波紋管狀；3）設計縱向布置的加強筋，局部控制彎曲變形。采取了第1）和3）種措施，即在縱梁上設計易于軸向壓潰的結(jié)構(gòu)要素，增加縱向布置的兩道加強筋。

2、在縱梁的內(nèi)外板之間，增加一個小隔板，抑制縱梁的彎曲變形。

3.2 第二次模擬結(jié)果的評價及結(jié)構(gòu)局部改進

結(jié)果分析：從圖中可以看出，前縱梁前部有些壓潰變形，但不充分；后部剛性差，變形嚴重。

結(jié)構(gòu)改進：

（1）將前縱梁的內(nèi)板前部的厚度由1.8mm改為1.6mm，以利于壓潰變形；后部還保持料后1.8mm，以利于提高剛性。兩個厚度不相等的鋼板先進行激光拼焊，之后再整體沖壓，形成前縱梁的內(nèi)板，這在工藝上是可行的。

（2）在前縱梁的后部，在內(nèi)外板之間，增加一個加強件，以提高剛性。

3.3第三次模擬結(jié)果的評價

結(jié)果分析：壓潰變形非常充分，達到了比較滿意的結(jié)果，后部剛性大大提高，沒有明顯的變形。從加速度、速度、變化曲線等幾方面分析，改進結(jié)構(gòu)令人滿意。

結(jié)論：

本文從某純電動轎車在設計中提出的具體要求出發(fā)，對該車的正面抗撞性進行了研究，將先進的CAD和CAE技術(shù)應用碰撞仿真分析中去，不但可以有效驗證實車試驗的結(jié)果，還可以非常清晰地剖析總體和局部結(jié)構(gòu)的抗撞特性，為車身結(jié)構(gòu)零件的改進和優(yōu)化設計提供了理論依據(jù)，并直接對改進后零件的抗撞性能進行分析，從而大大縮短車身的開發(fā)周期，減少車身的設計成本，并可保證更高的可信度。

本文所取得的成果如下：

（1）較完整地建立了某純電動轎車的整車三維CAD數(shù)學模型。

（2）按照ECE R95法規(guī)對轎車車體總成進行了正碰仿真分析，針對仿真結(jié)果中出現(xiàn)的問題，提出了比較優(yōu)化的改進方案。

（3）對改進方案進行了多次仿真分析，結(jié)果顯示改進方案提高了車體正面抗撞性，方案是可行的。

（4）將仿真分析結(jié)果與實車碰撞試驗數(shù)據(jù)進行了比較，驗證了仿真分析過程的有效性，從而得出某純電動轎車的車身正面碰撞安全性的結(jié)構(gòu)設計是成功的。

參考文獻

[1]王瑄，李宏光，趙航，現(xiàn)代汽車安全. 北京：人民交通出版社，1998。

[2]黃世霖，張金換，王曉冬等，汽車碰撞與安全. 北京：清華大學出版社，2000