內(nèi)高壓碰撞吸能盒的耐撞性能開發(fā)

朱學(xué)武 王士彬 張健

（1.中國第一汽車集團(tuán)有限公司，汽車振動(dòng)噪聲與安全控制綜合技術(shù)國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，長春 130011；2.國家汽車質(zhì)量監(jiān)督檢驗(yàn)中心（長春），長春 130011）

主題詞：碰撞吸能盒 內(nèi)高壓成型 平均壓潰力 耐撞性能 安全

1 前言

合理的受力結(jié)構(gòu)是汽車輕量化的重要途徑，內(nèi)高壓成型作為一種空心輕體件制造技術(shù)應(yīng)運(yùn)而生。20世紀(jì)90年代起，Gary E.Morphy研究了內(nèi)高壓成型技術(shù)在副車架、排氣系統(tǒng)應(yīng)用的可能性[1-2]。Williams B.W研究了內(nèi)高壓鋁管不同斷面形狀對(duì)耐撞性的影響[3]。歐美汽車公司將內(nèi)高壓成型技術(shù)廣泛應(yīng)用于制造排氣系統(tǒng)、副車架、車身框架、散熱器支架等空心變截面構(gòu)件。寶馬、奧迪、大眾、通用、福特已在多款車型應(yīng)用了內(nèi)高壓成型零件。沃爾沃汽車自2003年起開發(fā)內(nèi)高壓成型吸能盒，并批量應(yīng)用于V70和XC70車型，且已經(jīng)推廣到Volvo全系列。在國內(nèi)，哈爾濱工業(yè)大學(xué)、吉林大學(xué)等高校較早地開始成型工藝的研究。苑世劍、張寶亮、韓聰?shù)妊芯苛藘?nèi)高壓成型技術(shù)的機(jī)理、工藝、設(shè)備和應(yīng)用[4-6]。

內(nèi)高壓零件的成型技術(shù)已經(jīng)被廣泛研究，但其耐撞性能的優(yōu)劣性還不為工程師所熟知，嚴(yán)重地制約了其在碰撞吸能盒、前縱梁、A柱等耐撞零件上的應(yīng)用。碰撞吸能盒屬于相對(duì)獨(dú)立的總成，便于開展設(shè)計(jì)和驗(yàn)證，且具有封閉腔體，完全符合內(nèi)高壓成型工藝的應(yīng)用條件。本文基于某A級(jí)車已有沖焊結(jié)構(gòu)碰撞吸能盒的耐撞性能，采用平均壓潰力的仿真方法[7-8]對(duì)內(nèi)高壓成型吸能盒進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)，并通過總成試驗(yàn)、臺(tái)車試驗(yàn)、整車試驗(yàn)進(jìn)行了沖焊結(jié)構(gòu)、內(nèi)高壓結(jié)構(gòu)的全面對(duì)比。

2 碰撞吸能盒性能設(shè)計(jì)

2.1 耐撞性能設(shè)計(jì)

2.1.1 性能目標(biāo)定義

某A級(jí)車現(xiàn)采用沖焊結(jié)構(gòu)吸能盒（見圖1），內(nèi)高壓吸能盒的性能目標(biāo)定義為等性能切換，其耐撞性能應(yīng)不低于沖焊結(jié)構(gòu)，且不改變?cè)星翱v梁等正面耐撞性關(guān)鍵部件的傳力穩(wěn)定性，即內(nèi)高壓吸能盒應(yīng)滿足正面40%重疊16 km/h剛性10°角偏置碰撞（RCAR）、正面100%重疊50 km/h剛性墻碰撞（FRB）、正面40%重疊64 km/h可變形壁障偏置碰撞（ODB）3種正面碰撞工況的綜合性能要求。其耐撞性能目標(biāo)定義為表1。

圖1 沖焊碰撞吸能盒結(jié)構(gòu)

表1 碰撞吸能盒性能目標(biāo)

2.1.2 性能優(yōu)化

采用平均壓潰力方法對(duì)內(nèi)高壓吸能盒進(jìn)行結(jié)構(gòu)優(yōu)化，如圖2所示，首先進(jìn)行RCAR工況的壓潰力、變形優(yōu)化，再進(jìn)行FRB、ODB工況的變形優(yōu)化，得到滿足3個(gè)工況性能要求的吸能盒結(jié)構(gòu)。

圖2 基于平均壓潰力的仿真優(yōu)化

優(yōu)化后，RCAR工況下，平均壓潰力及吸能對(duì)比如圖3所示。由圖3可知：內(nèi)高壓吸能盒平均壓潰力為69 kN，高于沖焊結(jié)構(gòu)的平均壓潰力55 kN，且最大壓潰力為91 kN，小于前縱梁前段壓潰力110 kN；內(nèi)高壓結(jié)構(gòu)的壓潰力波動(dòng)平穩(wěn)，吸能量由2.73 kJ增至3.46 kJ，增幅達(dá)26.7%。

圖3 平均壓潰力及吸能對(duì)比（RCAR）

對(duì)3個(gè)工況進(jìn)行仿真，結(jié)果如表2所示。由表2可知，內(nèi)高壓結(jié)構(gòu)因無縱向焊縫，其總成剛度更均勻，壓潰更穩(wěn)定、充分。

表2 吸能盒仿真分析對(duì)比

2.2 成型性能分析

在完成耐撞性能的仿真優(yōu)化后，需進(jìn)行內(nèi)高壓結(jié)構(gòu)的成型性分析，以確認(rèn)其生產(chǎn)可行性。圖4所示為內(nèi)高壓成型的壁厚減薄率仿真結(jié)果，成型后零件最大減薄率為21%，最大增厚為6%，除了局部位置有起皺的趨勢(shì)外，其余大部分位置成型性很好。

圖4 內(nèi)高壓成型仿真分析

3 試驗(yàn)驗(yàn)證

3.1 總成試驗(yàn)

總成試驗(yàn)在落錘試驗(yàn)塔（見圖5）上進(jìn)行，將質(zhì)量為72.5 kg的落錘提升至7 m高度，觸發(fā)控制器使落錘自由落體，撞擊固定在地板上的吸能盒總成。記錄試驗(yàn)的加速度并拍攝試驗(yàn)過程，用以檢驗(yàn)內(nèi)高壓成型吸能盒在沖擊試驗(yàn)過程中是否逐級(jí)壓潰，評(píng)估沖焊結(jié)構(gòu)、內(nèi)高壓結(jié)構(gòu)的吸能性。樣件的壓縮量及變形如表3、圖6所示。試驗(yàn)結(jié)果表明，內(nèi)高壓結(jié)構(gòu)的總成試驗(yàn)壓縮量和變形的一致性較高。

圖5 落錘試驗(yàn)設(shè)備俯視圖

表3 吸能盒總成試驗(yàn)壓縮量對(duì)比 mm

圖6 吸能盒總成試驗(yàn)變形對(duì)比

3.2 近似臺(tái)車試驗(yàn)結(jié)果

近似臺(tái)車試驗(yàn)在前端結(jié)構(gòu)完整的試驗(yàn)后整車上進(jìn)行，采用沙袋、鐵塊進(jìn)行配重使近似臺(tái)車質(zhì)量達(dá)到該車整備質(zhì)量，為便于捕捉吸能盒碰撞變形細(xì)節(jié)，拆除前保險(xiǎn)杠面罩、進(jìn)氣格柵、前照燈、散熱器總成等前端結(jié)構(gòu)件（見圖7）。同時(shí)，考慮到該近似臺(tái)車主體需重復(fù)使用，依據(jù)仿真結(jié)果將試驗(yàn)工況設(shè)定為9 km/h低速RCAR、11 km/h低速FRB、30 km/h低速ODB，用以檢驗(yàn)內(nèi)高壓吸能盒變形是否合理、安全氣囊控制器（ACU）及車體加速度與沖焊結(jié)構(gòu)相比是否產(chǎn)生明顯差異。該整車開發(fā)中已經(jīng)具有16 km/h低速RCAR、14 km/h低速FRB、40 km/h低速ODB等3個(gè)工況的試驗(yàn)結(jié)果。同工況不同速度的碰撞試驗(yàn)中，ACU及車體加速度僅存在相位上的差異，波峰、波谷的數(shù)量和次序保持一致，故內(nèi)高壓結(jié)構(gòu)臺(tái)車試驗(yàn)結(jié)果可與已有整車試驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行對(duì)比，進(jìn)而判斷吸能盒切換為內(nèi)高壓結(jié)構(gòu)后是否對(duì)整車已有的約束系統(tǒng)匹配產(chǎn)生影響。

圖7 近似臺(tái)車

3.2.1 正面低速RCAR碰撞試驗(yàn)

試驗(yàn)速度為9.2 km/h，變形過程和加速度分別如圖8、圖9所示。結(jié)果表明：內(nèi)高壓吸能盒逐級(jí)壓潰，整車變形姿態(tài)平穩(wěn)；與沖焊結(jié)構(gòu)整車16 km/h試驗(yàn)對(duì)比可見，兩次試驗(yàn)的加速度波動(dòng)相似，波峰、波谷一一對(duì)應(yīng)，可知兩次試驗(yàn)中吸能盒變形次序相似。

圖8 正面低速RCAR碰撞試驗(yàn)變形過程

圖9 正面低速RCAR碰撞試驗(yàn)加速度

3.2.2 正面低速剛性墻碰撞試驗(yàn)

試驗(yàn)速度為10.9 km/h，變形過程和加速度分別如圖10、圖11所示。結(jié)果表明：整車變形姿態(tài)平穩(wěn)，內(nèi)高壓吸能盒逐級(jí)壓潰；與沖焊結(jié)構(gòu)整車14 km/h的試驗(yàn)加速度對(duì)比可見，兩次試驗(yàn)測(cè)量點(diǎn)的加速度波動(dòng)相似，波峰、波谷一一對(duì)應(yīng)，表明兩次試驗(yàn)的吸能盒變形次序相似。

圖10 正面低速剛性墻碰撞試驗(yàn)變形過程

圖11 正面低速剛性墻碰撞試驗(yàn)加速度

3.2.3 正面低速偏置碰撞試驗(yàn)

試驗(yàn)速度為30.2 km/h，變形情況和加速度分別如圖12、圖13所示。結(jié)果表明：整車變形姿態(tài)平穩(wěn)，內(nèi)高壓吸能盒逐級(jí)壓潰；與沖焊結(jié)構(gòu)整車40 km/h的試驗(yàn)加速度對(duì)比可知，兩次試驗(yàn)測(cè)量點(diǎn)的加速度波動(dòng)相似，波峰、波谷一一對(duì)應(yīng)，表明兩次試驗(yàn)的前保險(xiǎn)杠橫梁總成變形次序相似。

圖12 正面低速偏置碰撞試驗(yàn)變形情況

在臺(tái)車試驗(yàn)中，整車變形姿態(tài)平穩(wěn)，內(nèi)高壓吸能盒均能從前到后逐級(jí)壓潰；與該車型已有相應(yīng)試驗(yàn)結(jié)果對(duì)比可知，車體、ACU處加速度波動(dòng)相似，波峰、波谷一一對(duì)應(yīng)，初步判斷對(duì)現(xiàn)有約束系統(tǒng)影響有限。

圖13 正面低速偏置碰撞試驗(yàn)加速度

3.3 整車試驗(yàn)結(jié)果

3.3.1 正面剛性墻碰撞試驗(yàn)（FRB）

試驗(yàn)速度為50.3 km/h，變形情況和加速度分別如圖14、圖15所示。結(jié)果表明：整車變形姿態(tài)平穩(wěn)，內(nèi)高壓吸能盒逐級(jí)壓潰。

圖14 整車正面剛性墻碰撞試驗(yàn)變形情況

圖15 整車正面剛性墻碰撞試驗(yàn)加速度

前18 ms內(nèi)，整車動(dòng)能下降量為：

式中，m為整備質(zhì)量；v1和v0分別為18 ms和0 ms時(shí)刻整車速度。

對(duì)左B柱車體加速度積分得到車體速度，如圖16所示。由圖16可知：整車0 ms時(shí)刻速度為13.97 m/s，裝有內(nèi)高壓吸能盒和沖焊吸能盒的整車18 ms時(shí)刻速度分別為12.09 m/s和12.22 m/s。由式（1）計(jì)算可得，內(nèi)高壓結(jié)構(gòu)與沖焊結(jié)構(gòu)吸能盒相比，整車動(dòng)能下降量約增加6.8%。

圖16 整車正面剛性墻碰撞試驗(yàn)車體速度

裝有沖焊吸能盒和內(nèi)高壓吸能盒的整車在正面剛性墻碰撞中安全帶分別在第14.5 ms和第15 ms點(diǎn)火，兩者相差0.5 ms，滿足約束系統(tǒng)點(diǎn)火要求。

3.3.2 正面40%偏置碰撞試驗(yàn)（ODB）

試驗(yàn)速度為64.3 km/h，試驗(yàn)情況和加速度分別如圖17、圖18所示。結(jié)果表明：整車變形姿態(tài)平穩(wěn)，內(nèi)高壓吸能盒逐級(jí)壓潰。

圖17 整車正面40%偏置碰撞試驗(yàn)變形情況

圖18 整車正面40%偏置碰撞試驗(yàn)加速度

裝有沖焊吸能盒和內(nèi)高壓吸能盒的整車在正面偏置碰撞中安全帶分別在第23.5 ms和第24.5 ms點(diǎn)火，兩者相差1.0 ms，滿足約束系統(tǒng)點(diǎn)火要求。

4 輕量化與成本

對(duì)沖焊吸能盒和內(nèi)高壓吸能盒進(jìn)行稱重，質(zhì)量分別為0.495 kg和0.480 kg，內(nèi)高壓吸能盒與沖焊吸能盒相比，質(zhì)量減輕3%。

沖焊吸能盒和內(nèi)高壓吸能盒零件成本分別為5.67元和5.43元，成本降低4.2%。

5 結(jié)束語

本文以某A級(jí)車前吸能盒的原有耐撞性能為基準(zhǔn)，采用平均壓潰力方法優(yōu)化得到內(nèi)高壓吸能盒結(jié)構(gòu)，通過仿真和試驗(yàn)方法驗(yàn)證內(nèi)高壓吸能盒的性能。仿真和試驗(yàn)結(jié)果均表明，與原有沖焊結(jié)構(gòu)相比，內(nèi)高壓結(jié)構(gòu)由于避免了沖焊結(jié)構(gòu)的較硬縫焊，極大提高了變形的一致性，并可預(yù)見等性能切換對(duì)現(xiàn)有約束系統(tǒng)影響有限。同時(shí)，內(nèi)高壓結(jié)構(gòu)在吸能性、整車質(zhì)量和成本方面也優(yōu)于原有沖焊結(jié)構(gòu)。內(nèi)高壓成型工藝可以推廣到A柱、前縱梁等具有封閉腔體的零件上，實(shí)現(xiàn)輕量化的同時(shí)提高耐撞性能。