基于RCAR試驗(yàn)的電動(dòng)SUV低速保險(xiǎn)杠耐撞性研究

都雪靜，陳占麗

(東北林業(yè)大學(xué) 交通學(xué)院，黑龍江 哈爾濱 150040)

新能源汽車是當(dāng)前汽車行業(yè)的研究熱點(diǎn)，純電動(dòng)車型相對(duì)傳統(tǒng)燃油車型在碰撞安全方面要求更加嚴(yán)格，因此，研究純電動(dòng)汽車碰撞結(jié)構(gòu)耐撞性十分必要[1-3]。低速碰撞是擁擠的城市道路中常見的碰撞類型，保險(xiǎn)杠作為汽車低速碰撞中關(guān)鍵部件，通過自身的變形吸收碰撞的大部分能量，從而減少碰撞事故中汽車的損壞情況，故對(duì)保險(xiǎn)杠進(jìn)行低速碰撞下的研究，對(duì)降低汽車的維修費(fèi)用，提高車輛保險(xiǎn)等級(jí)具有重要的作用[4-5]。近年來，國內(nèi)外有很多學(xué)者對(duì)保險(xiǎn)杠的進(jìn)行碰撞研究，國外Tanlak.N等人[6]對(duì)保險(xiǎn)杠橫梁的形狀優(yōu)化方法進(jìn)行研究，在保證其碰撞性能的情況下減輕其質(zhì)量；S.Aswini Kumar等[7]分析低速碰撞過程中形狀、厚度和材料等結(jié)構(gòu)參數(shù)對(duì)保險(xiǎn)杠抵抗變形能力的影響，并對(duì)其進(jìn)行優(yōu)化，增加保險(xiǎn)杠的耐撞性，減輕重量；Kim[8]，Zarei 等[9-10]通過模擬保險(xiǎn)杠橫梁在低速碰撞下的響應(yīng)，討論其結(jié)構(gòu)參數(shù)對(duì)其響應(yīng)的影響；國內(nèi)李巖、李旻、陸幸[11-13]等基于加拿大CFVSS215、歐洲ECE-R42、美國Part 581、FMVSS581等法規(guī)，對(duì)保險(xiǎn)杠進(jìn)行低速碰撞有限元分析，為低速碰撞下保險(xiǎn)杠系統(tǒng)的設(shè)計(jì)提供了借鑒；王鎮(zhèn)江[14]等采用拓?fù)鋬?yōu)化方法對(duì)汽車塑料保險(xiǎn)杠進(jìn)行輕量化優(yōu)化設(shè)計(jì)，實(shí)現(xiàn)保險(xiǎn)杠減重11%；吉林大學(xué)劉百川[15]對(duì)某乘用車保險(xiǎn)杠進(jìn)行低速碰撞有限元分析以及臺(tái)架試驗(yàn)，為保險(xiǎn)杠優(yōu)化與設(shè)計(jì)提供數(shù)據(jù)支持和研究思路。本文依據(jù)RCAR 保險(xiǎn)杠低速碰撞試驗(yàn)及評(píng)價(jià)方法，建立某純電動(dòng)SUV正面全寬低速保險(xiǎn)杠碰撞有限元模型，通過碰撞仿真試驗(yàn)，分析防撞梁、吸能盒的吸能和變形情況，以及車體損壞情況，從提高車輛耐撞性和維修經(jīng)濟(jì)性角度出發(fā)提出改進(jìn)措施。

1 RCAR 保險(xiǎn)杠低速碰撞法規(guī)

測(cè)試項(xiàng)目包括防撞橫梁幾何尺寸的靜態(tài)測(cè)試和低速碰撞的動(dòng)態(tài)測(cè)試：靜態(tài)測(cè)試主要測(cè)量防撞橫梁與保險(xiǎn)杠壁障的有效結(jié)合尺寸、防撞橫梁的有效高度和防撞橫梁的有效寬度；動(dòng)態(tài)測(cè)試主要包括正面全寬碰撞工況和尾部全寬碰撞工況。本文主要針對(duì)動(dòng)態(tài)測(cè)試中正面全寬碰撞工況進(jìn)行研究。

1.1 低速正面全寬保險(xiǎn)杠碰撞測(cè)試規(guī)程

根據(jù)RCAR法規(guī)的要求，車輛以(10.0±0.5) km/h 的速度撞擊離地高度為455 mm±3 mm固定的剛性保險(xiǎn)杠壁障，撞擊過程中車輛中心線應(yīng)與壁障中心線重合，最大允許橫向偏差±50 mm，當(dāng)車輛接觸到碰撞壁障時(shí)刻，車輛的車身高度應(yīng)與撞擊前車輛靜態(tài)下測(cè)量的車身高度保持接近，兩高度差應(yīng)≤10 mm，測(cè)試示意圖如圖1所示。

圖1 低速正面全寬保險(xiǎn)杠碰撞測(cè)試示意圖

1.2 低速正面全寬保險(xiǎn)杠碰撞測(cè)試要求

車輛保險(xiǎn)杠系統(tǒng)測(cè)試作為車輛耐撞性與維修經(jīng)濟(jì)性指數(shù)的關(guān)注項(xiàng)目，主要從除保險(xiǎn)杠系統(tǒng)外的結(jié)構(gòu)件變形、車輛安全約束系統(tǒng)誤觸發(fā)、車輛與保險(xiǎn)杠壁障發(fā)生“騎乘”現(xiàn)象等角度進(jìn)行評(píng)價(jià)。本研究不考察約束系統(tǒng)，因此主要從電動(dòng)車的結(jié)構(gòu)件變形進(jìn)行分析。結(jié)構(gòu)件變形具體要求為主要底盤件、車身以及焊接在車身上的零部件無損壞，主要底盤件位置變化不得大于3 mm，風(fēng)扇無損壞。

2 低速正面全寬保險(xiǎn)杠碰撞有限元模型的建立

2.1 整車有限元模型的建立

對(duì)純電動(dòng)SUV進(jìn)行RCAR低速保險(xiǎn)杠碰撞的研究過程中，整車模型的建立是進(jìn)行汽車碰撞分析的第一步，本文采用某企業(yè)汽車研究院提供的整車CAD模型建立整車有限元模型。對(duì)整車進(jìn)行有限元建模主要有以下幾個(gè)步驟：

1)有限元模型的簡(jiǎn)化。對(duì)整車三維CAD模型進(jìn)行一系列的處理，主要對(duì)其幾何模型進(jìn)行精簡(jiǎn)，去掉一些在分析中并不需要的部件，并對(duì)一些鈑金件的修復(fù)；

2)網(wǎng)格的劃分。零部件基本尺寸設(shè)為8 mm，最小尺寸5 mm，最大尺寸20 mm，網(wǎng)格的劃分嚴(yán)格遵守網(wǎng)格質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)；

3)材料屬性設(shè)置。用于碰撞中的材料主要有MAT3、MAT20、MAT24等型號(hào)鋼材，鋁制材料由于密度小、強(qiáng)度高、材料特性成熟，因此被作為鋼制防撞梁的替換材料，本文前防撞梁、吸能盒、前縱梁為低速碰撞的主要部件，其材料均采用6005A號(hào)鋁合金材料，該材料屈服強(qiáng)度為215 MPa,抗拉強(qiáng)度為255 MPa，斷后伸長(zhǎng)率為8%；

4)連接設(shè)置。材料屬性定義完成后，需要對(duì)部件進(jìn)行連接、裝配，該純電動(dòng)SUV內(nèi)部各個(gè)部件之間有螺栓連接，鉚釘連接和焊接連接3種，部分特殊部件如前擋風(fēng)玻璃等的連接中，還存在著膠粘連接；

5)接觸設(shè)置和配重。本模型中主要有自動(dòng)單面接觸，調(diào)用關(guān)鍵字為CONTACT_AUTOMATIC_SINGLE_SURFACE；自動(dòng)面面接觸，調(diào)用關(guān)鍵字CONTACT_AUTOMATIC_SURFACE_TO_SURFACE；

6)求解參數(shù)及輸出控制設(shè)置：主要包括終止時(shí)間、時(shí)間步長(zhǎng)，沙漏控制，能量控制等的設(shè)置。最終建立的純電動(dòng)SUV整車有限元模型如圖2所示。

2.2 保險(xiǎn)杠壁障的有限元模型的建立

保險(xiǎn)杠壁障是進(jìn)行法規(guī)下低速前碰撞保險(xiǎn)杠測(cè)試的重要裝置，主要由壁障體、能量吸收裝置、擋板以及固定裝置等組成。根據(jù)法規(guī)規(guī)定的尺寸要求，通過CATIA軟件繪制保險(xiǎn)杠壁障的幾何模型，并將其以STP格式的文件導(dǎo)入到前處理軟件ANSA中建立保險(xiǎn)杠壁障有限元模型，如圖3所示。

圖2 整車有限元模型

圖3 保險(xiǎn)杠壁障有限元模型

2.3 全寬低速保險(xiǎn)杠碰撞有限元模型的建立

根據(jù)RCAR測(cè)試的要求，結(jié)合半載地面線來對(duì)保險(xiǎn)杠壁障進(jìn)行定位，并且對(duì)保險(xiǎn)杠壁障與整車的接觸進(jìn)行設(shè)置，接觸設(shè)置采用面面接觸，按RCAR測(cè)試要求設(shè)置碰撞參數(shù)，仿真中電動(dòng)SUV以(10.0±0.5) km/h 的速度撞擊離地高度為455 mm±3 mm固定的保險(xiǎn)杠壁障，取重力加速度為9.81 m/s2，最終建立正面 100%全寬低速保險(xiǎn)杠碰撞有限元模型，如圖4所示。

圖4 正面全寬低速保險(xiǎn)杠碰撞有限元模型

3 碰撞仿真結(jié)果分析3.1 模型可信度分析

整車碰撞過程中遵循能量守恒定律，對(duì)碰撞中的能量分析可以驗(yàn)證所建有限元模型的求解精確度。將建立的正面100%全寬低速保險(xiǎn)杠碰撞仿真有限元模型的K文件提交給LS-DYNA進(jìn)行計(jì)算，然后對(duì)計(jì)算的結(jié)果文件進(jìn)行分析。通過HyperGraph軟件讀取Glstat文件，選擇輸出動(dòng)能、內(nèi)能、沙漏能、滑移界面能和總能量曲線，如圖5所示。從圖5中各能量變化曲線可以看出，碰撞中系統(tǒng)總能量保持不變，隨著車輛與保險(xiǎn)杠壁障的接觸，車輛動(dòng)能先減小后稍微有所上升，然后逐漸趨于平衡；內(nèi)能先增大后稍微有所下降，然后逐漸趨于平衡，曲線變化合理且光滑過渡。圖6為碰撞過程中的沙漏能占比情況，沙漏能最大能量占比情況為0.428%，遠(yuǎn)遠(yuǎn)低于總能量的5%，可以證明建立的有限元模型具有較高的可信度。

圖5 碰撞能量變化曲線

圖6 沙漏能比率曲線

3.2 車體損壞分析

圖7為碰撞后車輛前端外部變形和內(nèi)部變形圖，從7(a)中可以看出，碰撞后保險(xiǎn)杠蒙皮發(fā)生了嚴(yán)重凹陷，下格柵和前霧燈都受到了一定程度的擠壓，但相比而言前大燈擠壓變形比較微?。粡膱D7(b)中可以看出，碰撞后防撞梁發(fā)生了較大的變形，同時(shí)前端模塊受到了防撞梁的擠壓，發(fā)生凹陷變形，進(jìn)而對(duì)風(fēng)扇造成損傷。

根據(jù)RCAR測(cè)試的要求，對(duì)主要底盤件和車身上前端的主要零件的變形進(jìn)行測(cè)量。由于該工況速度比較低，零件的變形比較微小且不易看出，結(jié)合工程實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)，規(guī)定主要底盤件和焊接在車身上的零件的塑性變形不得超過5%，超過5%則認(rèn)為發(fā)生了變形，該工況下測(cè)得前縱梁的塑性變形為7.0%，超過了目標(biāo)值5%；則可認(rèn)為前縱梁發(fā)生了可見性的變形，不符合要求。車身主要鈑金件以及部分底盤件的塑性變形如表1所示。由于左右對(duì)稱件變形幾乎相同，只測(cè)量左側(cè)的塑性變形即可，由表可知，除了前縱梁塑性變形較大以外，其余鈑金件不會(huì)發(fā)生可見性結(jié)構(gòu)變形。

圖7 碰撞后車輛變形圖

表1 車身及底盤主要部件的塑性變形 %

根據(jù)RCAR測(cè)試的要求主要底盤件的位置變化不得超過3 mm，因此，在底盤前部取10個(gè)測(cè)量點(diǎn)測(cè)量其位置的變化，具體的測(cè)量方法為：在車輛后縱梁不變形的位置建立局部坐標(biāo)系，并在后縱梁上取一固定點(diǎn)，測(cè)量變形前后在前端底盤件上取10個(gè)點(diǎn)與固定點(diǎn)的最大距離，變形前后差值為最大變形量，測(cè)量結(jié)果如表2所示。由表中數(shù)據(jù)可知，1～4的測(cè)量點(diǎn)都是在前縱梁上測(cè)量得到的，其中前3個(gè)點(diǎn)變形量均超過了3 mm，5～10的測(cè)量點(diǎn)是在前縱梁以后的底盤件上測(cè)量得到的，變形量均不大于3 mm，由此可知，主要底盤件除了前縱梁以外其他變形量均不大于3 mm。

表2 底盤件變形測(cè)量結(jié)果

3.3 防撞梁和吸能盒變形和吸能情況分析

前防撞梁和吸能盒組成電動(dòng)汽車的保險(xiǎn)杠系統(tǒng)，是低速碰撞工況的主要吸能部件，其變形和吸能多少直接影響著整車安全性能。為了能夠直觀地了解該電動(dòng)SUV在正面全寬低速碰撞工況下的變形情況，本文截取不同時(shí)刻內(nèi)的防撞梁和吸能盒變形情況進(jìn)行分析，如圖8所示。從圖8中可以看出，在0～30 s之間，防撞梁未與保險(xiǎn)杠壁障接觸，其結(jié)構(gòu)未發(fā)生變化；在30s～60 s之間，防撞梁的弧形結(jié)構(gòu)與保險(xiǎn)杠壁障接觸，受到撞擊力的作用，弧形結(jié)構(gòu)漸漸被壓平；在60～120 s之間，防撞梁的弧形結(jié)構(gòu)繼續(xù)被壓平，進(jìn)而彎向車體；在120～150 s之間，車輛回彈以后，防撞梁彈性形變恢復(fù)后中部仍向車內(nèi)側(cè)拱曲。由此可知，該防撞梁發(fā)生了較大的變形，不利于碰撞后的維修。結(jié)合圖7(b)分析可知，其彎曲太大與前端模塊接觸，會(huì)對(duì)風(fēng)扇造成擠壓，為了更加準(zhǔn)確地判斷防撞梁變形后是否會(huì)撞到前端模塊，對(duì)防撞梁沿x方向的侵入進(jìn)行分析，如圖9所示。由圖9可知，防撞梁沿x方向的最大侵入量為96.85 mm。經(jīng)測(cè)量防撞梁距離前端模塊的距離為80 mm，由此可知防撞梁的變形會(huì)擠壓到前端模塊，進(jìn)而影響風(fēng)扇。綜上說明該防撞梁本體的剛度比較弱，不能很好地抵抗碰撞力，不能將力傳遞給吸能盒，吸能盒未發(fā)生明顯的變形。

圖8 不同時(shí)刻防撞梁和吸能盒變形圖

圖9 防撞梁沿x方向的最大侵入量

圖10為防撞梁和左側(cè)吸能盒的吸能曲線圖，由圖10可知，防撞梁是該碰撞工況的主要吸能部件，吸收的能量占總吸能的三分之一以上。吸能盒的吸能相對(duì)就比較少， 低速碰撞中，吸能盒起著緩沖吸能的效果，本文所建的模型吸能盒的吸能較少，未充分發(fā)揮吸能效果，因此，需要優(yōu)化改進(jìn)。

圖10 防撞梁和左側(cè)吸能盒的吸能曲線圖

4 前防撞梁耐撞性能優(yōu)化改進(jìn)

4.1 改進(jìn)方案設(shè)計(jì)

通過仿真分析總結(jié)出該碰撞模型的防撞梁沿x方向的最大變形量較大，防撞梁的正中間發(fā)生很大的彎曲變形，會(huì)對(duì)前端模塊造成擠壓，增加風(fēng)扇受到損傷的風(fēng)險(xiǎn)，由此說明防撞梁偏軟，因此需要增加防撞梁的強(qiáng)度來提高防撞梁的耐撞性。增加防撞梁強(qiáng)度主要有兩個(gè)方面：

1)增加防撞梁的強(qiáng)度。通過改變防撞梁的材料，使用屈服強(qiáng)度比較高的材料來增加防撞梁的強(qiáng)度；

2)增加防撞梁的剛度。通過改變防撞梁的厚度或者更改防撞梁的截面形狀，使其剛度增大。

針對(duì)仿真中出現(xiàn)的問題，從提高防撞梁的剛度和強(qiáng)度方面，對(duì)防撞梁提出3種優(yōu)化方案：

方案一：將防撞梁的材料由原來的6005A鋁合金改為屈服強(qiáng)度更高的6082鋁合金材料；

方案二：將防撞梁的厚度由原來的2.8 mm改為3.0 mm；

方案三：將防撞梁的截面型式由原來的“日”字型結(jié)構(gòu)改為“目”字型結(jié)構(gòu)。

4.2 改進(jìn)方案仿真分析

對(duì)4.1節(jié)提出的3種防撞梁優(yōu)化方案進(jìn)行仿真對(duì)比分析，選擇防撞梁耐撞性能最優(yōu)和該碰撞工況下車身結(jié)構(gòu)損壞和變形最小的方案作為最終的優(yōu)化方案。下面對(duì)4種優(yōu)化方案進(jìn)行仿真對(duì)比分析。

1)3種優(yōu)化方案防撞梁和吸能盒變形對(duì)比。在圖11 3種優(yōu)化方案防撞梁和吸能盒變形對(duì)比圖中可以直觀看出，方案一防撞梁的變形較小，僅防撞橫梁的弧形結(jié)構(gòu)被壓平，吸能盒與防撞梁相連的一端發(fā)生明顯的壓潰變形，且潰縮變形較好；方案二和方案三防撞橫梁的變形相比于方案一較大，防撞橫梁的弧形結(jié)構(gòu)被壓平，并且彎向車體，兩種方案的吸能盒均未看見明顯的壓潰變形，故從防撞梁和吸能盒的總體變形來看，方案一的優(yōu)化效果最好。

圖11 3種優(yōu)化方案防撞梁和吸能盒變形對(duì)比圖

2)3種優(yōu)化方案防撞梁沿x方向侵入量對(duì)比。3種優(yōu)化方案的防撞梁沿x方向的最大侵入量的對(duì)比如圖12所示。由圖12可以看出，3種優(yōu)化方案防撞梁沿x方向的侵入量分別為77.21 mm、94.59 mm、95.62 mm，由前文可知，防撞梁距離前端模塊的距離為80 mm，3種方案中只有方案一防撞梁不會(huì)對(duì)前端模塊造成積壓，故從防撞梁沿x方向侵入量可以看出，方案一的優(yōu)化效果最好。

3) 優(yōu)化方案能量對(duì)比分析。圖13為3種方案系統(tǒng)吸收的總能量、防撞梁吸收的能量、吸能盒吸收的能量對(duì)比圖，從系統(tǒng)吸收的總能量可以看出，最大吸能量為：方案一>方案二>方案三；從防撞梁吸收的能量可以看出，最大吸能量為：方案二>方案一>方案三；從吸能盒吸收的能量可以看出，最大吸能量為：方案一>方案二>方案三；綜合考慮，方案一優(yōu)化效果最好。

4)3種優(yōu)化方案車身及底盤主要部件變形對(duì)比。根據(jù)前文所述，基礎(chǔ)模型中，除前縱梁的塑性變形較大為7.0%，超過了目標(biāo)值5%，其他鈑金件的變形均小于目標(biāo)值5%，均未發(fā)生可見性的結(jié)構(gòu)變形。表3為3種優(yōu)化方案車身及底盤主要部件的塑性變形對(duì)比，由表3中可以看出，3種優(yōu)化方案的前縱梁塑性變形均達(dá)到了目標(biāo)值以下，且其他車身及底盤的主要結(jié)構(gòu)件均未發(fā)生可見性的變形。

圖12 3種優(yōu)化方案防撞梁沿x方向侵入量對(duì)比

圖13 3種優(yōu)化方案能量對(duì)比

為了測(cè)量主要底盤件的位置變化是否超過3 mm，分別測(cè)量表1～表2中底盤前部取得的10個(gè)測(cè)量點(diǎn)的最大變形量。表4為3種優(yōu)化方案底盤件變形測(cè)量結(jié)果。由表4可以看出，3種優(yōu)化方案所取的10個(gè)點(diǎn)的最大變形量均未超過3 mm，滿足RCAR測(cè)試的要求。

表3 3種優(yōu)化方案車身及底盤主要部件的塑性變形對(duì)比 %

表4 3種優(yōu)化方案底盤件最大變形測(cè)量結(jié)果對(duì)比

綜合考慮防撞梁和吸能盒的變形以及吸能情況，方案一優(yōu)于另外兩個(gè)方案。從車身和底盤結(jié)構(gòu)件的變形可以看出，3種方案的優(yōu)化效果相差不大，但考慮到汽車的輕量化，方案一只改變了材料的屬性，其質(zhì)量未發(fā)生變化，但是方案二和方案三改變其厚度和加筋以后防撞梁的質(zhì)量均有所增加，因此，從輕量化角度考慮，方案一優(yōu)化最理想。

5 結(jié) 論

本文基于RCAR低速正面全寬保險(xiǎn)杠碰撞測(cè)試要求和評(píng)價(jià)規(guī)程，對(duì)某純電動(dòng)SUV進(jìn)行低速碰撞仿真試驗(yàn)，分析其保險(xiǎn)杠系統(tǒng)耐撞性，得到以下結(jié)論：

1)防撞梁強(qiáng)度不足，導(dǎo)致吸能盒未發(fā)揮低速吸能效果，且防撞梁弧形結(jié)構(gòu)沿x方向的侵入量為96.85 mm，超過其距離前端模塊的距離80 mm，對(duì)風(fēng)扇造成擠壓。

2)對(duì)原防撞梁材料、厚度及結(jié)構(gòu)型式提出了3種改進(jìn)方案。分析結(jié)果表明，方案一各方面性能更好，在保證車身輕量化的前提下，提高了防撞梁的耐撞性，保護(hù)了車身其他部件。本研究對(duì)降低汽車的維修費(fèi)用，提高車輛保險(xiǎn)等級(jí)具有一定作用，可以為低速碰撞性能設(shè)計(jì)提供參考。