某MPV 正面碰撞中結(jié)構(gòu)改進(jìn)優(yōu)化研究

史愛(ài)民，費(fèi) 敬，崔淑娟，李氣輝

（1.汽車噪聲振動(dòng)和安全技術(shù)國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，重慶 401122；2.中國(guó)汽車工程研究院，重慶 401122）

某MPV 在針對(duì)GB 11551—2014 的一次正面碰撞試驗(yàn)中，出現(xiàn)駕駛員的頭部和頸部傷害值[1]超標(biāo)的情況，安全性不滿足國(guó)標(biāo)要求。該款車型的優(yōu)化改進(jìn)存在時(shí)間進(jìn)度緊張、成本控制嚴(yán)格的情況，無(wú)法配備安全氣囊來(lái)對(duì)駕駛員的頭部和頸部提供保護(hù)，針對(duì)其存在的問(wèn)題，通過(guò)優(yōu)化車體關(guān)鍵零部件結(jié)構(gòu)，達(dá)到相關(guān)約束系統(tǒng)開(kāi)發(fā)要求，并進(jìn)行了整車試驗(yàn)驗(yàn)證，試驗(yàn)結(jié)果滿足法規(guī)要求。

1 整車碰撞模型建立

根據(jù)整車數(shù)模及相關(guān)參數(shù)，建立了50 km/h正面撞擊剛性墻有限元仿真模型，模型總質(zhì)量為1 840 kg，包括整備質(zhì)量1 690 kg、正副駕駛位上50% Hybrid III 男性假人（75 kg×2）。整車節(jié)點(diǎn)數(shù)量為2 152 846 個(gè)，整車單元數(shù)量為2 639 185 個(gè)。

由圖2 和圖3 可知，整車能量變化曲線過(guò)渡光滑，沙漏能、滑移界面能變化均小于3.5%，動(dòng)能與內(nèi)能的轉(zhuǎn)換正常，沒(méi)有出現(xiàn)較大的能量突變，質(zhì)量增加（0.46%）對(duì)整車碰撞的能量貢獻(xiàn)可忽略，計(jì)算結(jié)果可信度較高[2]。

圖1 整車碰撞有限元模型

圖2 整車能量變化曲線

圖3 質(zhì)量增加百分比曲線

2 整車有限元模型對(duì)標(biāo)分析

為保證整車有限元模型能夠真實(shí)地反映出實(shí)車在正面碰撞過(guò)程中的運(yùn)動(dòng)及變形模式，對(duì)有限元計(jì)算結(jié)果與試驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行了對(duì)標(biāo)分析。

2.1 曲線對(duì)標(biāo)分析

圖4 為試驗(yàn)與仿真中的B 柱下端加速度、速度以及位移曲線對(duì)比，由圖可知，試驗(yàn)與仿真曲線走勢(shì)基本一致。左右B 柱下端加速度峰值、速度歸零時(shí)刻以及最大位移量對(duì)比見(jiàn)表1。除左B 柱下端速度歸零時(shí)刻誤差為12.9%，其它仿真與試驗(yàn)的誤差值均控制在10%以內(nèi)。B 柱下端速度歸零時(shí)刻不一致的主要原因是仿真分析中沒(méi)有考慮焊點(diǎn)失效。

圖4 仿真與試驗(yàn)各曲線對(duì)比

表1 峰值對(duì)比

2.2 變形模式對(duì)標(biāo)分析

圖5 為試驗(yàn)與仿真車體運(yùn)動(dòng)狀態(tài)對(duì)比，由圖可知，試驗(yàn)與仿真車體運(yùn)動(dòng)狀態(tài)基本一致。試驗(yàn)與仿真車體關(guān)鍵零部件變形模式對(duì)比如圖6 所示，由圖可知，試驗(yàn)與仿真中發(fā)動(dòng)機(jī)后懸置橫梁彎曲，變速器和傳動(dòng)軸之間間隙被壓縮，縱梁前段壓潰后上抬，防撞梁壓潰形式基本一致。綜上所述，此整車仿真模型可用于下一步的優(yōu)化工作。

圖5 試驗(yàn)與仿真車體運(yùn)動(dòng)狀態(tài)對(duì)比

圖6 試驗(yàn)與仿真車體關(guān)鍵零部件變形模式對(duì)比

3 整車結(jié)構(gòu)優(yōu)化方案

由于該款車型沒(méi)有配備安全氣囊，正面碰撞后，駕駛員頭部撞向了方向盤(pán)，導(dǎo)致頭部和頸部的傷害值超標(biāo)，為降低傷害情況，必須降低駕駛員頭部與方向盤(pán)接觸時(shí)刻的能量密度。該款車型的總體優(yōu)化思路為：提升縱梁前段的剛度，提升0 ～25 ms 期間的加速度峰值，使縱梁前段盡量多地吸收能量，優(yōu)化防撞梁和前縱梁的傳力路徑，削弱縱梁后段的強(qiáng)度，增大車體的壓潰位移[3-4]。由縱梁前、后段的剛度分析及正面碰撞中縱梁的截面力分析結(jié)果可知：縱梁前、后段剛度差較大，可適當(dāng)提高縱梁前段的剛度，降低縱梁后段剛度來(lái)實(shí)現(xiàn)提高加速度的前期峰值，且適當(dāng)增大車體的壓潰位移。

具體優(yōu)化方案見(jiàn)表2。針對(duì)縱梁前段壓潰不充分的試驗(yàn)結(jié)果，在縱梁前段增設(shè)3 個(gè)誘導(dǎo)槽和1 個(gè)翻邊，同時(shí)在不影響正常使用的情況下將拖車鉤的長(zhǎng)度縮短15 mm；為提高加速度曲線的前期峰值，在縱梁前段增加一個(gè)加強(qiáng)板；為適當(dāng)提高車體的壓潰位移，將前縱梁后蓋板的厚度由2 mm 更改為1.5 mm；前縱中段前加強(qiáng)件的材料由B340/590DP 更改為B280VK，厚度不變，同時(shí)將電瓶托架在前縱梁后蓋板上的兩個(gè)安裝位置分離，如圖7 所示。

表2 具體優(yōu)化方案

圖7 優(yōu)化方案示意圖

優(yōu)化前后的左、右B 柱加速度曲線對(duì)比如圖8 所示，加速度第1 個(gè)峰值由294 m/s2提高到了490 m/s2，第2 個(gè)波形整體降低，達(dá)到了前期波形優(yōu)化的目的。

表3 優(yōu)化前后假人損傷值對(duì)比

將優(yōu)化后的結(jié)構(gòu)方案和優(yōu)化后的約束系統(tǒng)參數(shù)應(yīng)用到實(shí)車驗(yàn)證試驗(yàn)中，優(yōu)化前后假人傷害值對(duì)比見(jiàn)表3，優(yōu)化后駕駛員側(cè)以及乘員側(cè)假人的傷害值均滿足GB 11551—2014 的法規(guī)要求，滿足了此車型在未配備安全氣囊情況下的開(kāi)發(fā)要求。

4 結(jié)論

現(xiàn)有某MPV 在未配備安全氣囊的情況下，駕駛員側(cè)假人頭頸部指標(biāo)和乘員側(cè)假人頸部指標(biāo)超標(biāo)。針對(duì)此情況，建立了正面碰撞整車有限元模型并進(jìn)行了試驗(yàn)對(duì)標(biāo)，分析了現(xiàn)有車型B 柱加速度曲線存在的問(wèn)題并通過(guò)優(yōu)化縱梁前段等關(guān)鍵零部件對(duì)B 柱加速度曲線進(jìn)行改進(jìn)，改進(jìn)后的B 柱加速度滿足約束系統(tǒng)匹配要求，最后通過(guò)實(shí)車試驗(yàn)驗(yàn)證了優(yōu)化方案，試驗(yàn)結(jié)果滿足開(kāi)發(fā)要求。后續(xù)的工作應(yīng)對(duì)比發(fā)現(xiàn)類似車型的碰撞特點(diǎn)，總結(jié)相關(guān)的控制策略，以便為此類車型的乘員提供更好的保護(hù)。