某商用車后下防護裝置碰撞仿真與設計改進

鄭龍月，王吉忠，呂林，楊科彪，塵帥

(1.青島理工大學機械與汽車工程學院，山東青島 266520；2.北汽福田奧鈴汽車廠技術中心，山東濰坊 262200)

0 引言

隨著時代的進步和科技的發(fā)展，汽車已經步入人們的日常生活中。隨著汽車數(shù)量的增多，交通事故也逐年增加。據(jù)調查[1]，追尾事故在交通事故中發(fā)生的頻率僅次于正面碰撞與側面碰撞，在追尾事故中傷害程度致死率與致傷率較高的為乘用車與商用車之間的追尾碰撞。本文作者對某商用車后下防護裝置在碰撞過程中侵入量的問題進行研究，對現(xiàn)有的后下防護裝置結構作進一步改進設計，以提高汽車的被動安全性和乘員的乘車安全性[2]。

1 加載點位置與試驗載荷

根據(jù)GB 11567-2017要求，如果后下部防護裝置以車輛縱向中心平面為軸對稱，則兩點加載和三點加載的兩端加載點可以只測左右兩側中的一個點，此時兩點加載、三點加載的加載點應位于同一側[3]。文中所研究的后下防護裝置符合上述法規(guī)要求，在靜態(tài)加載試驗時只對同一側的3個點進行靜態(tài)加載試驗。

1.1 加載點位置的確定

靜態(tài)加載試驗分為兩點加載和三點加載。兩點加載時，兩個作用點之間的距離在700～1 000 mm之間，兩個作用點相對于后下部防護裝置縱向中心線或車輛縱向中心線對稱，加載點位置如圖1中點P2所示。三點加載時，左右兩邊外側兩個作用點，分別距離車輛后軸車輪最外端(300±25) mm；第三個作用點位于上述兩點連線之間、并且處于車輛中心垂直平面上[4]。加載點位置如圖1中點P1、P3所示。

根據(jù)法規(guī)要求，加載點的位置由制造商在最初設計時給定，給定的左側點P1、P2、P3的位置坐標分別為(3 920.5，-529，-300)、(3 920.5，-446，-300)、(3 920.5，0，-300)。

圖1 加載點位置示意

1.2 試驗載荷的確定

兩點加載時，每點加載力為100 kN或者相當于車輛最大設計總重力的50%的水平載荷，試驗時取兩者中較小值。三點加載時，每點加載力為50 kN或相當于車輛最大設計總重力25%的水平載荷，試驗時取兩者中較小值[5]。

該車輛模型的總重力為45 kN，兩點加載時，取靜態(tài)加載載荷為22.5 kN；三點加載時，取靜態(tài)加載載荷為11.25 kN。

2 仿真模型的建立

根據(jù)車輛的結構和法規(guī)中對于加載裝置的規(guī)定，應用CATIA軟件建立了后下防護裝置和加載裝置的幾何模型，模型由支架、縱梁、尾梁、橫梁和加載裝置五部分組成。其中支架與縱梁之間用6個M12-10.9螺栓連接，支架與橫梁之間采用焊接，縱梁與尾梁之間用4個M12-10.9螺栓連接。利用HyperMesh仿真軟件建立后下防護裝置有限元仿真模型，該模型共有實體單元69 998個，殼單元514個，節(jié)點總數(shù)147 716個。仿真模型如圖2所示。

圖2 后下防護裝置有限元模型

3 試驗方法的確定

原靜態(tài)加載試驗方法為根據(jù)法規(guī)中的要求，以點P1、P2、P3為中心，對加載裝置施加不同的水平加載載荷，在后下防護裝置不發(fā)生整體脫落的情況下，判斷后下防護裝置的最大水平侵入量是否小于法規(guī)中的要求，最終判定后下防護裝置是否合格。

本文作者采用強制位移法進行靜態(tài)加載試驗。以點P1、P2、P3為中心對加載裝置在水平方向施加一定的強制位移，隨著仿真時間和位移的增加，加載點的受力也隨之增大[6]。如圖3所示，當仿真時間運行到t1時，加載點的受力等于法規(guī)規(guī)定的靜態(tài)加載載荷F1，設此時所測得的最大水平位移量為X1，此時后下防護裝置仍為彈塑性變形；當仿真時間增加至t2時，加載點的靜態(tài)加載載荷為F2，設此時所測得的最大水平位移量為X2(X2>X1)，此時加載點的靜態(tài)加載載荷的值使后下防護裝置達到了抗拉極限，此后隨著仿真時間的增加，后下防護裝置將會出現(xiàn)整體脫落現(xiàn)象。若X2的值滿足法規(guī)要求，則后下防護裝置的防鉆撞性能更好。

圖3 加載點受力工況圖

反之，若加載點的加載載荷F2使后下防護裝置達到了抗拉極限，但加載點的加載載荷仍沒有達到法規(guī)規(guī)定值F1，即F2

后下防護裝置是否合格的判斷標準：若X1X2，F(xiàn)1>F2，則判定為不合格。

4 原方案后下防護裝置碰撞性能分析

根據(jù)廠商設計要求，后下防護裝置最大離地間隙為500 mm，加載裝置的運動方向為-x方向，加載時間為200 ms，加載時間步長為2.5 ms，速度為1 mm/ms，其他方向速度均為0。在仿真過程中，后下防護裝置的主要變形為x方向，其他方向的變形量相對x方向較小，故在分析受力時，只分析左側P1、P2、P3三點在x方向的受力工況。由表1可知：進行點P2加載時，使后下防護裝置達到抗拉極限的載荷值小于法規(guī)規(guī)定的載荷值，若使用法規(guī)載荷加載時，后下防護裝置容易出現(xiàn)整體脫落現(xiàn)象。

表1 原方案碰撞仿真結果

5 后下防護裝置設計改進與重分析

5.1 后下防護裝置設計改進

根據(jù)表1所示的原方案的碰撞仿真結果，在不改變后下防護裝置整體結構的基礎上對橫梁進行設計改進。橫梁厚度由原來的2 mm增加為3 mm，改進后的橫梁如圖4所示。

圖4 加載點受力工況圖

5.2 碰撞仿真分析

5.2.1 點P1加載和最大水平侵入量分析

圖5和圖6分別為改進前后方案點P1加載后下防護裝置受力工況圖，加載點P1的法規(guī)加載載荷為11.25 kN，可知：使原方案和改進方案達到抗拉極限所施加的載荷分別為19.83、23.41 kN，兩值均大于法規(guī)加載載荷11.25 kN。

圖5 原方案點P1加載受力工況圖

圖6 改進方案點P1加載受力工況圖

圖7和圖8分別為改進前、后下防護裝置仿真變形云圖，可知：仿真過程中后下防護裝置沒有發(fā)生整體脫落現(xiàn)象。改進前、后最大變形部位均在橫梁位置，最大水平變形量分別為308.5、285.3 mm。對比分析可知，原方案與改進方案的最大水平位移量均滿足法規(guī)要求。但優(yōu)化方案比原方案的鉆入量減少23.2 mm，對于鉆撞問題能起到一定的阻擋作用。

圖7 原方案點P1加載變形云圖

圖8 改進方案點P1加載變形云圖

5.2.2 點P2加載和最大水平侵入量分析

圖9和圖10分別為點P2改進前、后下防護裝置受力工況圖，加載點P2的法規(guī)加載載荷為22.5 kN。由圖10可知：原方案使后下防護罩裝置達到抗拉極限的加載載荷為21.51 kN，小于法規(guī)加載載荷，即X1>X2，F(xiàn)1>F2，使用法規(guī)規(guī)定加載載荷時，后下防護裝置會出現(xiàn)整體脫落現(xiàn)象。原方案的后下防護裝置不滿足法規(guī)要求，不合格。由圖10可知，改進方案使后下防護罩裝置達到抗拉極限的加載載荷為31.97 kN，大于法規(guī)加載載荷。

圖9 原方案點P2加載受力工況圖

圖10 改進方案點P2加載受力工況圖

圖11為優(yōu)化方案后下防護裝置仿真結束后變形云圖，其最大變形部位在橫梁位置，最大位移量為336.8 mm，滿足法規(guī)要求。

圖11 改進方案點P2加載變形云圖

5.2.3 點P3加載和最大水平侵入量分析

圖12和圖13分別為改進前、后點P3受力工況圖。加載點P3的法規(guī)加載載荷為11.25 kN。由圖12和圖13可知，使原方案和優(yōu)化方案達到抗拉極限所施加的載荷分別為21.12、23.54 kN，兩值均大于法規(guī)加載載荷。

圖12 原方案點P3加載受力工況圖

圖13 改進方案點P3加載受力工況圖

由圖14和圖15改進前、后下防護裝置仿真變形云圖可知：改進前、后最大變形部位均在橫梁，最大變形量分別為228.6、216.1 mm。對比分析可知，原方案與改進方案的最大水平位移量均滿足法規(guī)要求。但優(yōu)化方案比原方案的鉆入量減少11.25 mm，對于鉆撞問題能起到一定的阻擋作用。

圖14 原方案點P3加載變形云圖

圖15 改進方案點P3加載變形云圖

6 結論

根據(jù)法規(guī)GB 11567-2017中對于后下防護裝置的有關要求，利用LS-DYNA軟件建立后下防護裝置的有限元仿真模型[8]。在對原方案進行仿真分析的基礎上，將橫梁的厚度由原來的2 mm增加至3 mm，得到改進方案，提高了汽車在追尾碰撞過程中的防鉆撞能力，有利于保證車內人員的安全性，提高產品市場競爭力。