商用車后下部防護(hù)裝置的有限元仿真分析

王乙牟，尹長城

（湖北汽車工業(yè)學(xué)院 汽車工程學(xué)院，湖北 十堰442002）

小轎車與重型商用車參與發(fā)生的追尾事故是最為嚴(yán)重的交通事故類型之一［1］。由于轎車相對于貨車的質(zhì)量小，在碰撞中它們的速度變化量越大，加速度就越大，導(dǎo)致的塑性變形量就越大，這將影響乘員的生存空間，嚴(yán)重時(shí)將發(fā)生小轎車“鉆撞”事故，危害乘員財(cái)產(chǎn)生命［2-3］。研究表明，具有最佳離地高度、剛度及高效吸能的后防護(hù)裝置能有效減少轎車乘員傷害［4-7］，防護(hù)裝置在設(shè)計(jì)時(shí)應(yīng)在減小對車內(nèi)乘員的傷害的同時(shí)達(dá)到輕量化的目標(biāo)［8-9］。根據(jù)GB 11567—2017 的相關(guān)技術(shù)指標(biāo)，對某后下部防護(hù)裝置進(jìn)行靜態(tài)加載及碰撞有限元仿真分析。針對原后下部防護(hù)裝置的阻擋性能較差的缺點(diǎn)，通過比較2 種不同結(jié)構(gòu)的改進(jìn)方案，得到滿足法規(guī)要求的較優(yōu)方案。

1 法規(guī)要求與邊界條件

1.1 靜態(tài)加載試驗(yàn)

1）加載點(diǎn)的位置 如圖1所示，靜態(tài)加載試驗(yàn)分為兩點(diǎn)加載和三點(diǎn)加載［10］。兩點(diǎn)加載時(shí)，2個(gè)作用點(diǎn)P2之間的距離為700～1 000 mm，且相對于后下部防護(hù)裝置縱向中心線或車輛縱向中心線對稱。三點(diǎn)加載時(shí)，左右兩邊外側(cè)2個(gè)加載點(diǎn)P1分別距離車輛后軸輪胎的最外端相切且平行于車輛縱向中心線的垂直平面300±25 mm，第3個(gè)作用點(diǎn)P3位于點(diǎn)P1和點(diǎn)P2之間、處于車輛中心垂直平面上。

圖1 加載點(diǎn)位置示意圖

2）試驗(yàn)載荷 兩點(diǎn)加載時(shí)，每個(gè)點(diǎn)的加載力為100 kN，相當(dāng)于車輛最大設(shè)計(jì)總質(zhì)量50%的水平載荷，取兩者之間的較小值，分別作用于如圖1 所示的左側(cè)及右側(cè)加載點(diǎn)P2上。三點(diǎn)加載時(shí)，每點(diǎn)加載力為50 kN 或相當(dāng)于車輛最大設(shè)計(jì)總質(zhì)量25%的水平載荷，取兩者較小值，分別持續(xù)作用于左側(cè)及右側(cè)加載點(diǎn)P1上，然后持續(xù)作用在后下部防護(hù)裝置縱向中心平面的加載點(diǎn)P3上。

在指定的試驗(yàn)載荷加載過程中和試驗(yàn)后，在后下部防護(hù)裝置不發(fā)生整體脫落的情況下，國標(biāo)要求可觀測到的后防護(hù)裝置的最大水平侵入量不能超過400 mm［10］。

1.2 移動壁障追尾碰撞試驗(yàn)

試驗(yàn)使用移動壁障撞擊商用車后下部防護(hù)裝置，主要考核后防護(hù)的阻擋功能和緩沖吸能功能。阻擋功能主要防止追尾碰撞時(shí)鉆入汽車及掛車下部，緩沖吸能功能主要是緩和沖擊，減輕對碰撞車輛車內(nèi)乘員的傷害，改善碰撞相容性。設(shè)定移動壁障質(zhì)量為1 100±25 kg，前端碰撞表面為剛性，寬為1 700 mm，高為400 mm，離地間隙為240 mm。在碰撞表面前面覆蓋一層20 mm 厚的優(yōu)質(zhì)膠合板。剛性的車尾部結(jié)構(gòu)下表面與地面的垂直距離應(yīng)不小于800 mm。在碰撞的瞬間，移動壁障的速度應(yīng)為30～32 km·h-1。

后下部防護(hù)對追尾碰撞的車輛在平行于車輛縱軸的方向應(yīng)具有足夠的阻擋能力，以防止發(fā)生鉆入碰撞，應(yīng)符合下列要求：1）后下部防護(hù)裝置可以變形、開裂，但是不應(yīng)整體脫落；2）后下部防護(hù)裝置應(yīng)能夠吸收碰撞能量以緩和沖擊；3）要求移動壁障的最大減速度不能大于40 g，反彈速度不能大于2 m·s-1，后下部防護(hù)裝置的后部與車輛最后端（包括尾板）的縱向水平距離與所測量獲得的最大水平變形量之和不超過400 mm。

2 原方案分析

2.1 靜態(tài)加載分析

基于國標(biāo)要求建立原方案后防護(hù)裝置靜態(tài)加載有限元模型［10］，包括2根斜支撐與1根橫梁，見圖2。模型采用10 mm 網(wǎng)格劃分，約束車架末端節(jié)點(diǎn)的6 個(gè)自由度。斜支撐通過beam 單元模擬的4 個(gè)螺栓與車架縱梁相連，與橫梁通過一維剛性單元焊接固定。有限元模型總共包含27 277 個(gè)節(jié)點(diǎn)以及26 558個(gè)單元，后部防護(hù)裝置總質(zhì)量為26.15 kg。

圖2 原方案靜態(tài)加載有限元模型

加載裝置用剛性材料模擬，剛體內(nèi)所有節(jié)點(diǎn)的自由度都耦合到剛體質(zhì)心上，不論有多少節(jié)點(diǎn)，剛體僅有6 個(gè)自由度，約束其y 向和z 向的平動自由度以及x向、y向和z向的轉(zhuǎn)動自由度。其余部件選用多線性彈塑性材料，采用MAT24 號材料進(jìn)行模擬。后下部防護(hù)裝置所用材料的力學(xué)性能見表1。

表1 材料力學(xué)性能參數(shù)

文中采用三點(diǎn)加載方式，由于點(diǎn)P1關(guān)于車輛縱向中心平面對稱，因此只針對左側(cè)實(shí)驗(yàn)點(diǎn)進(jìn)行加載試驗(yàn)。通過對剛性加載裝置施加強(qiáng)制位移的方式，加載裝置x 向恒定速度為1 000 mm·s-1?；贚s-dyna 隱式求解器計(jì)算有限元模型，計(jì)算終止時(shí)間為0.1 s。

將整體模型接觸設(shè)置為自接觸，靜、動摩擦系數(shù)分別為0.2 和0.08［11］，通過控制卡片基于全局坐標(biāo)系輸出剛性壓頭的接觸反力，得到加載點(diǎn)P1（左側(cè)）和P3沿著載荷方向的位移與接觸反力的關(guān)系曲線如圖3所示，載荷為25 kN時(shí)最大Von Mises應(yīng)力如圖4所示。

圖3 加載點(diǎn)x向位移—接觸力曲線

圖4 載荷為25 kN時(shí)最大Von Mises應(yīng)力

車輛模型總重力為100 kN，按照國標(biāo)取靜態(tài)加載載荷為25 kN，點(diǎn)P1加載到23 ms時(shí)，加載裝置的接觸反力為25 kN，由圖3 可知后防護(hù)的最大水平位移量為30 mm，此時(shí)最大應(yīng)力點(diǎn)在斜支撐與車架連接處附近，由圖4可知Mises應(yīng)力為651.7 MPa；點(diǎn)P3加載時(shí)間為13 ms時(shí)，載荷達(dá)到25 kN，最大水平位移量為11 mm，Mises 應(yīng)力為422.9 MPa。點(diǎn)P1和點(diǎn)P3位移量均滿足法規(guī)小于400 mm 的要求，橫梁屈服極限為780 MPa，材料均處于彈性變形階段，后防護(hù)裝置未出現(xiàn)斷裂或永久變形。

2.2 碰撞分析

基于國標(biāo)要求給移動壁障配重1 100 kg，材料為剛性材料。相對于相同質(zhì)量的轎車或前端鋪膠合板的移動壁障而言，其變形、速度、減速度等結(jié)果優(yōu)于剛性移動壁障仿真結(jié)果，說明剛性移動壁障的結(jié)果是偏安全的［12］。調(diào)整車架下端離地高度為800 mm，使得移動壁障離地間隙240 mm，離橫梁x向距離為10 mm。約束車架后端節(jié)點(diǎn)6個(gè)自由度，簡化固定壁障與車架的連接。殼單元采用計(jì)算速度快且有效處理大變形問題的面內(nèi)單點(diǎn)積分Belytschko-Tsay 算法。通過卡片控制由于殼的體積粘性而產(chǎn)生的內(nèi)能耗散、摩擦懲罰系數(shù)、接觸初始穿透檢查和接觸厚度等。將質(zhì)量縮放步長DT2MS設(shè)置為-1.5×10-6，設(shè)為負(fù)值時(shí)質(zhì)量縮放僅用于小于時(shí)間步長TSSFAC*｜DT2MS｜的單元，實(shí)現(xiàn)質(zhì)量縮放以提高運(yùn)算效率，節(jié)約計(jì)算時(shí)間。調(diào)整后的有限元模型如圖5所示，橫梁高度基本處于移動壁障前端碰撞面的中心位置，可較好地發(fā)揮后防護(hù)的吸能與防護(hù)功能。

圖5 原方案移動壁障碰撞有限元模型

移動壁障初速度設(shè)置為8 888.9 mm·s?1，只保留其x 向的平動自由度，計(jì)算終止時(shí)間為0.24 s。移動壁障的減速度曲線按照法規(guī)要求用CFC60 濾波，其碰撞過程中水平鉆入量曲線、反彈速度曲線及減速度曲線如圖6所示。

從圖6可以看出，碰撞持續(xù)時(shí)間為98 ms左右。在10 ms時(shí)，移動壁障與橫梁接觸，碰撞開始，接著斜支撐開始變形，同時(shí)對移動壁障形成反作用力。在碰撞發(fā)生20 ms時(shí)，斜支撐由于剛度不足發(fā)生了沿y軸的彎曲變形，達(dá)到材料屈服極限后塑性變形吸能為其主要形態(tài)，壁障產(chǎn)生的絕大部分動能被斜支撐吸收。移動壁障的減速度逐步增大，在100 ms左右，后防護(hù)裝置的塑性變形量達(dá)到最大，斜支撐處出現(xiàn)較大的局部變形，隨后移動壁障出現(xiàn)回彈現(xiàn)象，此時(shí)碰撞能量已消耗殆盡。其峰值減速度為16.7 g，小于40 g，反彈速度為1 m·s-1，小于2 m·s-1，最大水平鉆入量為468 mm，大于400 mm。

圖6 原方案移動壁障碰撞仿真曲線

整個(gè)碰撞過程斜支撐吸能最多，同時(shí)也薄弱，最大Mises應(yīng)力為926.9 MPa，后防護(hù)裝置有脫落的風(fēng)險(xiǎn)，且斜支撐與車架連接處出現(xiàn)較大的應(yīng)力集中現(xiàn)象，但該防護(hù)裝置阻擋功能較差。

3 改進(jìn)方案分析

由于商用車結(jié)構(gòu)及成本的限制，一味地增大壁厚可提高其耐撞性，但不利于輕量化，還可能導(dǎo)致吸能下降?；谔岣吆蠓雷o(hù)裝置剛度的理念，在斜支撐和橫梁之間采取多點(diǎn)支撐，避免因集中支撐而導(dǎo)致的剛性不足及應(yīng)力集中。圖7為2種不同形式的側(cè)支撐臂改進(jìn)方案。方案1 是寬25 mm 的薄鋼板折彎結(jié)構(gòu)通過一維剛性單元焊接在斜支撐與橫梁上；方案2 是在移動壁障全寬范圍內(nèi)（距離橫梁端部0.21 m）與斜支撐間的非碰撞面焊接一根截面為30 mm×35 mm 的方形側(cè)支撐臂。2 種方案的壁厚設(shè)置為5 mm，材料均為Q235。

采用相同的加載條件，圖8給出了靜態(tài)加載與碰撞仿真與原方案對比結(jié)果。圖9給出了方案2不同時(shí)刻的動態(tài)響應(yīng)圖。表2 為移動壁障碰撞仿真結(jié)果對比。

圖7 不同形式的側(cè)支撐臂

圖8 點(diǎn)P1和點(diǎn)P3水平位移—接觸力曲線

加載載荷為25 kN 時(shí)，原方案、方案1和方案2中的點(diǎn)P1的x向位移分別為30 mm、28 mm和19 mm，3 種方案中的點(diǎn)P3的x 向位移依次為11 mm、9 mm和7 mm，如圖8 所示，可以看出，后防護(hù)裝置整體剛度增大，耐撞性增強(qiáng)。從圖9中的響應(yīng)情況可看出，對于方案2而言，壁障的水平鉆入量為359 mm，相較于原方案減少了23.2%。整個(gè)碰撞過程為80 ms左右，相較于原方案減少了約20 ms，這是由于后防護(hù)剛度增大，導(dǎo)致移動壁障峰值減速度在合理范圍內(nèi)增加，動能吸收比原方案快，從而碰撞持續(xù)時(shí)間減少。表2給出了碰撞仿真結(jié)果對比，原方案和方案1均不滿足法規(guī)要求。

圖9 方案2不同時(shí)刻動態(tài)響應(yīng)

表2 移動壁障碰撞仿真結(jié)果對比

4 結(jié)論

基于GB 11567—2017要求建立某后下部防護(hù)裝置原方案的靜力分析及碰撞有限元模型。針對原方案阻擋性能較差的缺點(diǎn)提出了2種改進(jìn)方案，增加了壁厚為5 mm、材料為Q235 的2 種不同形式的側(cè)支撐臂。結(jié)果表明：方案2不論是強(qiáng)度還是碰撞指標(biāo)均符合國標(biāo)要求，有效防止移動壁障以32 km·h-1的速度發(fā)生鉆撞，其水平鉆入量相較于原方案減少了23.2%，后下部防護(hù)裝置的整體緩沖吸能能力有所增強(qiáng)。從安全角度出發(fā)，后防護(hù)裝置可以避免過大的沖擊，有利于提高小轎車乘員的生存能力，為后續(xù)細(xì)化的改進(jìn)設(shè)計(jì)及優(yōu)化提供依據(jù)。