基于薄壁直梁結(jié)構(gòu)最優(yōu)化設(shè)計(jì)的整車(chē)正碰安全結(jié)構(gòu)開(kāi)發(fā)

焦燕青

基于薄壁直梁結(jié)構(gòu)最優(yōu)化設(shè)計(jì)的整車(chē)正碰安全結(jié)構(gòu)開(kāi)發(fā)

焦燕青

（麥格納衛(wèi)藍(lán)新能源汽車(chē)技術(shù)有限公司，上海 201807）

整車(chē)開(kāi)發(fā)項(xiàng)目中，前期車(chē)輛碰撞安全策略的開(kāi)發(fā)至關(guān)重要，因?yàn)槠涞於撕罄m(xù)整車(chē)結(jié)構(gòu)性能開(kāi)發(fā)的關(guān)鍵內(nèi)容。文章正是基于這一出發(fā)點(diǎn)，結(jié)合工作實(shí)踐總結(jié)出一種項(xiàng)目前期車(chē)輛正碰結(jié)構(gòu)安全策略開(kāi)發(fā)的研究方法。主要是通過(guò)對(duì)正碰路徑主要結(jié)構(gòu)性能的分析和簡(jiǎn)易量化計(jì)算，快速設(shè)計(jì)和確定平臺(tái)車(chē)身碰撞關(guān)重件相關(guān)的空間布置、碰撞過(guò)程能量吸收、縱梁截面形狀和尺寸等內(nèi)容，為后續(xù)車(chē)型碰撞安全的開(kāi)發(fā)打下堅(jiān)實(shí)的平臺(tái)基礎(chǔ)，并保證項(xiàng)目進(jìn)度能夠得到有效執(zhí)行。

碰撞安全；正碰；安全策略；量化計(jì)算

引言

鑒于整車(chē)碰撞安全關(guān)乎乘員的生命安全，國(guó)內(nèi)外碰撞安全認(rèn)證要求在不斷地加嚴(yán)。當(dāng)前實(shí)施中的2018年版C-NCAP認(rèn)證規(guī)則也將在2021年得到更新，其對(duì)整車(chē)結(jié)構(gòu)安全提出了更高的要求。無(wú)論是傳統(tǒng)內(nèi)燃機(jī)車(chē)，還是新能源車(chē)輛企業(yè)，都把滿足不斷更新升級(jí)的碰撞安全認(rèn)證要求作為孜孜不斷的追求。而從開(kāi)發(fā)程序上講，要滿足碰撞安全認(rèn)證要求，從項(xiàng)目規(guī)劃的概念設(shè)計(jì)階段開(kāi)始，就需要確定新車(chē)碰撞相關(guān)的結(jié)構(gòu)、空間尺寸，確定整車(chē)的碰撞安全策略。

在傳統(tǒng)意義的全新平臺(tái)整車(chē)開(kāi)發(fā)過(guò)程中，由于缺乏必要的CAD數(shù)據(jù)支撐，概念設(shè)計(jì)階段碰撞安全策略的定義大多僅能基于一種經(jīng)驗(yàn)上的定性構(gòu)想和判斷，缺乏必要的定性計(jì)算過(guò)程。而即或是基于現(xiàn)有平臺(tái)的變型車(chē)輛的開(kāi)發(fā)，因?yàn)橐惠咰AE分析需要?dú)v經(jīng)做網(wǎng)格，建模，模型調(diào)試，分析和優(yōu)化等過(guò)程，多則三、四個(gè)月，少則兩、三個(gè)月，也遠(yuǎn)遠(yuǎn)不能適應(yīng)當(dāng)前市場(chǎng)推陳出新競(jìng)爭(zhēng)加劇的需要。在整車(chē)開(kāi)發(fā)實(shí)踐中，由于缺乏系統(tǒng)的整車(chē)碰撞安全前期設(shè)計(jì)方法，概念階段車(chē)輛碰撞安全設(shè)計(jì)完全仰賴項(xiàng)目參與和主持人員的個(gè)人經(jīng)驗(yàn)，設(shè)計(jì)水平參差不齊，為后期項(xiàng)目的穩(wěn)定推進(jìn)帶來(lái)了較大的不確定性。而好的碰撞安全策略設(shè)計(jì)，能夠避免后期結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)過(guò)程出現(xiàn)顛覆性設(shè)計(jì)變更，既節(jié)省了設(shè)變費(fèi)用，又大大縮短了項(xiàng)目開(kāi)發(fā)的整個(gè)周期。項(xiàng)目前期碰撞安全策略設(shè)計(jì)是如此重要，找到一種快速實(shí)現(xiàn)策略設(shè)計(jì)及簡(jiǎn)易校驗(yàn)的定量分析方法，已經(jīng)成為一種迫切。本文以一款SUV車(chē)型的正碰安全開(kāi)發(fā)為代表，通過(guò)對(duì)其傳遞路徑相關(guān)的縱梁薄壁直梁結(jié)構(gòu)特性的分析，提出一種定量的正碰安全結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)和校驗(yàn)的方法。

1 正面碰撞關(guān)鍵影響因素

圖1是一個(gè)典型的傳統(tǒng)車(chē)身框架結(jié)構(gòu)。在車(chē)輛正面碰撞中，碰撞吸能主要通過(guò)以前保防撞梁、左右吸能盒、前縱梁和前副車(chē)架為代表的正面吸能系統(tǒng)來(lái)實(shí)現(xiàn)，而這些吸能系統(tǒng)又以薄臂管梁結(jié)構(gòu)的吸能盒和前縱梁為代表。根據(jù)能量守恒定理，可以對(duì)薄臂管梁的吸能盒和縱梁的吸能水平進(jìn)行定量評(píng)估。

圖1

正面碰撞策略定性需求，如圖2，針不同的吸能區(qū)域有不同的對(duì)策要求：

圖2

1.1 前吸能區(qū)

盡量增加前吸能區(qū)部件的壓潰變形。保險(xiǎn)杠吸能盒應(yīng)完全壓潰變形，不出現(xiàn)折彎。前縱梁非與動(dòng)力總成X向相疊加部分，也應(yīng)以壓潰的形式變形，而不應(yīng)該出現(xiàn)過(guò)大的折彎變形。

1.2 中吸能區(qū)對(duì)策和要求

中吸能區(qū)部件保證適當(dāng)?shù)膲簼⒆冃?，在縱梁shotgun部位保留適當(dāng)?shù)恼蹚澴冃?，以減少發(fā)動(dòng)機(jī)對(duì)乘員艙侵入。

1.3 后吸能區(qū)對(duì)策和要求

車(chē)身后吸能區(qū)以防火墻、A柱、車(chē)身，以及以shotgun過(guò)度的縱梁后延伸梁、門(mén)檻邊框?yàn)榇?，如圖3。車(chē)身后吸能區(qū)的設(shè)計(jì)，重在減小后吸能區(qū)部件的變形，防止A柱變形過(guò)大，防止縱梁根部上翹失穩(wěn)變形狀態(tài)。所以后吸能區(qū)的設(shè)計(jì)應(yīng)保持結(jié)構(gòu)相對(duì)穩(wěn)定，保證乘員艙的完整性，傳遞載荷力。

限于篇幅，本文主要討論以薄壁管梁結(jié)構(gòu)為代表的前、中吸能區(qū)吸能結(jié)構(gòu)的特性問(wèn)題，給出一種系統(tǒng)的定性、定量進(jìn)行正碰主要傳遞路徑設(shè)計(jì)和分析的方法。

圖 3

2 理論導(dǎo)入

2.1 縱梁吸能比重設(shè)定

在項(xiàng)目前期，為了實(shí)現(xiàn)整車(chē)碰撞安全設(shè)計(jì)意圖，根據(jù)行業(yè)實(shí)踐，可以為圖4中各吸能區(qū)吸能比重設(shè)一個(gè)權(quán)重。見(jiàn)表1。

圖4

表1各吸能區(qū)吸能權(quán)重：

表1

由E吸=PmL，如果獲知Pm，則不難求得吸能盒或縱梁薄壁管梁結(jié)構(gòu)所能吸收的能量。那么，首先需要弄清薄壁管梁結(jié)構(gòu)變形吸能的機(jī)理及其效能，使變形能夠按預(yù)想的形態(tài)呈現(xiàn)，并達(dá)到預(yù)期的吸能效果。

2.2 前縱梁壓潰力的控制及吸能目標(biāo)的實(shí)現(xiàn)

圖5

前碰縱梁變形主要有如圖5方式，其中漸進(jìn)疊縮變形為最理想的變形模式，實(shí)踐表明，其具有最佳的吸能效果，可以通過(guò)設(shè)定誘導(dǎo)槽方式實(shí)現(xiàn)[1]。

根據(jù)Wierzbicki和Abramowicz薄臂管梁結(jié)構(gòu)軸向壓潰力公式[2]，縱梁漸進(jìn)疊縮變形吸能各相關(guān)要素有以下關(guān)系：

Pm=38.27 σ0(T2/4) ((B+H/4)1/3（1）

其中：

Pm—平均壓潰力，N

σ0—平均流變應(yīng)力（σ0=0.9~0.95× σu,，σu為材料抗拉強(qiáng)度MPa）

T-材料厚度，mm

B和H分別為薄壁管梁的寬和高，mm

各尺寸位置關(guān)系如下圖：

圖6

已知某在研車(chē)型整車(chē)試驗(yàn)重量1585kg，按C-NCAP 50km/h初速試驗(yàn)FRB工況，車(chē)輛自起始速度到完全靜止，共需要釋放能量：

E動(dòng)=1/2mv2=1/2×1585×（50×1000/3600）2

=152874.2J

按照縱梁吸能比重設(shè)定，求得縱梁吸能目標(biāo)為：E吸=PmL=152874.2×30%=45862.3J。

又知在研目標(biāo)車(chē)型縱梁選用材料B340/590DP，其抗拉強(qiáng)度590MPa，由式（1-1）不難得出以下兩組關(guān)系曲線。圖6為縱梁截面尺寸一定（代表Y向、Z向布置空間有限）的情況下，縱梁傳遞的壓潰力Pm，以及縱梁與動(dòng)力總成非疊加長(zhǎng)度L和料厚T之間的關(guān)系。顯而易見(jiàn)，等截面條件下壓潰力隨著料厚增加而增加，而所需的縱梁非重疊長(zhǎng)度隨著料厚增加而縮短。

圖6

圖7為縱梁非重疊長(zhǎng)度一定（代表X向布置空間有限）的條件下，薄壁直梁周長(zhǎng)C（為2倍的截面梁寬高之和）與料厚T之間的關(guān)系。不難得出，在這種條件下，縱梁截面的需求周長(zhǎng)隨著料厚的增加而減少。這兩張圖很好的詮釋了空間有限的條件下如何通過(guò)結(jié)構(gòu)來(lái)設(shè)定和達(dá)到性能目標(biāo)，具有相當(dāng)?shù)默F(xiàn)實(shí)意義。

圖7

有研究認(rèn)為：

（1）縱梁截面棱邊越多，直至趨于圓形，結(jié)構(gòu)的抗壓潰能力越強(qiáng)[3]；

（2）錐形管的吸能效用要優(yōu)于等截面直梁吸能結(jié)構(gòu)[4]。

綜上，從理論上講，縱梁結(jié)構(gòu)應(yīng)盡可能地做成多棱近圓的截面結(jié)構(gòu)，當(dāng)然這在實(shí)踐上不太可能。但是，如有可能盡量做成高寬差異小、折邊半徑大的近多棱形等邊四邊形形狀以獲得最佳的壓潰吸能能力，仍然是一個(gè)非常有效的方向。

3 薄臂管梁吸能結(jié)構(gòu)實(shí)踐

3.1 縱梁與動(dòng)力總成非重疊區(qū)域吸能效果評(píng)估

已知某款車(chē)型前縱梁截面如下：

圖8

按圖8中示意的尺寸，設(shè)定X2=228mm，

X3=118mm，根據(jù)式1-1，取σ0=0.95× σu，σu=590MPa可求得FRB工況，

E吸=2Pm× L

=2×38.27 σ0(T2/4) ((B+H) /2)1/3×(X1+X3)/1000

=2×38.27×0.95× 590×(1.6×1.6/4)

((88+159)/2)1/3×(228+118)/1000

=47308.86J

E吸/E動(dòng)=47308.86/152874.2=30.94%

分析結(jié)果表明達(dá)到預(yù)期目標(biāo)。

3.2 前吸能盒

前吸能盒較多誘導(dǎo)槽目的是為了保證變形的魯棒性，保證前端變形的按照設(shè)定的路線進(jìn)行，研究表明其對(duì)吸能本身的貢獻(xiàn)度不高，一般不到10KN[5]。實(shí)踐中，可以按5%的吸能比重對(duì)前吸能盒的吸能效用做出預(yù)估，當(dāng)然也可以按照前述介紹的薄壁管梁量化分析方法對(duì)吸能盒的吸能比重予以評(píng)估。

3.3 前防撞梁

前防撞梁的主要功能在于力的傳遞，而不是吸能，其主要價(jià)值在于把力傳遞到后端的吸能盒和縱梁結(jié)構(gòu)。因此，實(shí)踐中，前期預(yù)估一般可不考慮前防撞梁的吸能效用。

4 分析驗(yàn)證

按照前述方法設(shè)定的縱梁界面、尺寸和料厚等消息，帶入Hyperwork進(jìn)行CAE分析，得到如下結(jié)果：

4.1 FRB工況

前期估算與CAE仿真結(jié)果對(duì)比，圖9顯示B柱下端最大加速度37.2g，滿足設(shè)定目標(biāo)。

圖9

圖10顯示縱梁根部最大侵入量55.3m滿足設(shè)定目標(biāo)。

圖10

4.2 ODB工況

圖11顯示圖B柱下端最大加速度為39.5g，滿足目標(biāo)值。

圖11

圖12顯示左縱梁根部最大侵入量為159mm，滿足項(xiàng)目初期設(shè)定的目標(biāo)要求。

圖12

以上仿真結(jié)果表明，這種正碰策略設(shè)定和預(yù)估的方法是切實(shí)有效的。

5 薄壁直梁結(jié)構(gòu)優(yōu)化X向吸能效用理論擴(kuò)展

5.1 空間補(bǔ)償理論

有些平臺(tái)車(chē)型因?yàn)橐?guī)劃和造型的限制，既不能增加前艙X向空間，又不能增大縱梁的截面積，這種情況下可以通過(guò)增加Z向方向輔助變形來(lái)彌補(bǔ)，其實(shí)質(zhì)上相當(dāng)于增加了縱梁的截面，其結(jié)果是等效的。如圖13。

圖13

5.2 空間補(bǔ)償案例

圖14，15為某款SUV前碰正碰吸能結(jié)構(gòu)案例，該案例通過(guò)增加副車(chē)架前伸梁來(lái)增加車(chē)輛正碰傳遞路徑上的截面面積。圖15為整體效果。

圖14

圖15

經(jīng)過(guò)分析對(duì)比，含副車(chē)架前伸梁結(jié)構(gòu)（表2，3Case a）和不含副車(chē)架前伸梁結(jié)構(gòu)（表2，3Case b），前者前圍侵入量明顯較后者結(jié)果要好。

表2 ODB 工況分析結(jié)果對(duì)比

表3 FRB工況分析結(jié)果對(duì)比

對(duì)比結(jié)果表明，增加縱梁、前副車(chē)架前延伸梁結(jié)構(gòu)能夠?qū)④?chē)身吸能承力區(qū)前移，減少了前艙侵入，大大減少約束系統(tǒng)匹配難度。這表明，通過(guò)增加縱梁和副車(chē)架前延伸梁截面結(jié)構(gòu)從而實(shí)現(xiàn)前碰承載力吸能能力擴(kuò)展提高整車(chē)正碰物理性能，這種理論是成立的。

6 結(jié)語(yǔ)

本文提出和推薦了以下思想：

（1）項(xiàng)目前期對(duì)碰撞安全策略做快速定量評(píng)估是項(xiàng)目快速響應(yīng)的需要，本文推薦了一種有效的方法。

（2）增大有效吸能結(jié)構(gòu)截面積可以有效解決和增大前艙結(jié)構(gòu)吸能比例分配，可以有效提升整車(chē)碰撞結(jié)構(gòu)性能，為后續(xù)約束系統(tǒng)標(biāo)定打下一個(gè)好的基礎(chǔ)。

（3）當(dāng)平臺(tái)車(chē)型因?yàn)橐?guī)劃和造型的限制，既不能增加前艙X向空間，又不能增大前艙縱梁的截面積，這種情況下可以通過(guò)增加Z向方向輔助變形，即通過(guò)增加縱梁、前副車(chē)架前延伸梁結(jié)構(gòu)的方式來(lái)彌補(bǔ)，其實(shí)質(zhì)上等同于增加了縱梁的截面積，可以大大改善車(chē)輛正碰吸能效果。

[1] 陳吉清等.汽車(chē)前縱梁薄壁結(jié)構(gòu)碰撞吸能特性及其優(yōu)化的研究. 汽車(chē)工程, 2010. 32(06):第486-492頁(yè).

[2] Wierzbicki, T., et al., Stress profiles in thin-walled prismatic columns subjected to crush loading. Computers and Structures, 1994. 51(6): p.611-641.

[3] 彭洪梅等.薄壁直梁碰撞性能仿真和參數(shù)影響分析.汽車(chē)工程, 2011.33(09):第782-786頁(yè).

[4] 荊友錄.不同截面薄壁梁的軸向耐撞性對(duì)比研究.山東交通學(xué)院學(xué)報(bào), 2008(02):第14-17頁(yè).

[5] 丁海建.可伸縮式汽車(chē)碰撞緩沖吸能裝置研究,2009,湖南大學(xué).第 71頁(yè).

Development of vehicle front collision based on optimization of thin-walled beam structure

Jiao Yanqing

( Magna Blue Sky New Energy Vehicle Technical Limited Company, Shanghai 201807 )

Vehicle crash strategy has key position during whole vehicle development, which decide the critical performance of vehicle safety. Viewed on this, this paper tries to present an efficient solution to fix the puzzle of lacking confirmed information for crash safety strategy in prophase study. It mainly analyzes the crash collapse space and critical sections of longitudinal beam, to simply calculate the performance of crash safety, aims to make sure we can get right concept used as base of following activities, in the hope of shortening development cycle and save fees and time.

Crash Safety; Front Collide;Safety Strategy; Quantitative Calculation

U462.2

A

1671-7988(2019)13-140-05

U462.2

A

1671-7988(2019)13-140-05

焦燕青（1977-），男，工學(xué)學(xué)士，工程師，就職于麥格納衛(wèi)藍(lán)新能源汽車(chē)技術(shù)有限公司。研究方向：整車(chē)性能集成。

10.16638/j.cnki.1671-7988.2019.13.047