基于新FMVSS301的汽車車體小重疊率追尾碰撞優(yōu)化設(shè)計(jì)*

牟曉斌，牛麗芳，許鵬善，雒 琦，孫正興

(1.甘肅農(nóng)業(yè)大學(xué)，機(jī)電工程學(xué)院，甘肅 蘭州 730070；2.甘肅省建投建設(shè)有限公司，甘肅 蘭州 730070；3.白銀礦冶職業(yè)技術(shù)學(xué)院，甘肅 白銀 730900；4.中石油昆侖燃?xì)庥邢薰靖拭C分公司，甘肅 蘭州 730070)

0 引 言

汽車高速追尾是高速行駛的追尾車輛遇到緊急剎車或前方靜止的被追尾車輛而來不及避開時(shí)的碰撞，由于汽車保有量的快速增長，高速公路交通事故也隨之增加，根據(jù)2008年中國道路交通事故統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)，在當(dāng)年高速公路上發(fā)生的交通事故中，由汽車追尾所造成的事故次數(shù)所占比例高達(dá)44.86%[1]，而且發(fā)生事故率是普通公路的4倍[2]。目前，汽車追尾碰撞試驗(yàn)的主要法規(guī)是歐洲的ECE R32《汽車追尾碰撞車輛結(jié)構(gòu)性能技術(shù)要求》和聯(lián)邦機(jī)動(dòng)車安全法規(guī)(Federal Motor Vehicle Safe Standard,FMVSS)修訂后的第301項(xiàng)《燃料系統(tǒng)的完整性》(以下簡稱新FMVSS 301)[3]。

近年來，隨著科學(xué)技術(shù)的進(jìn)步，相關(guān)人士開始利用有限元建模技術(shù)對汽車追尾碰撞過程中的耐撞性及燃油系統(tǒng)的安全性等問題進(jìn)行了研究，楊艷慶[4]等利用計(jì)算機(jī)軟件仿真分別分析了相關(guān)車輛的保險(xiǎn)杠、前縱梁，得出了薄壁梁應(yīng)用到汽車保險(xiǎn)杠的碰撞分析中，提出了在不改變材料和形狀的前提下，提高保險(xiǎn)杠吸能的有效方案；楊濟(jì)匡、唐超群[5]等根據(jù)新FMVSS301的要求，通過對所建立轎車整車追尾碰撞有限元模型的分析，得出了車尾后縱梁、后保險(xiǎn)杠的優(yōu)化設(shè)計(jì)結(jié)果。

考慮到實(shí)際中兩車不規(guī)則的碰撞也十分常見，因此此研究擬在筆者此前分析汽車側(cè)面柱碰位置與速度對車體安全性、小重疊正面斜角碰撞工況對車體耐撞性影響[6,7]的基礎(chǔ)上，利用數(shù)值仿真的方法對最差工況進(jìn)行優(yōu)化改進(jìn)，得出最優(yōu)解，從而使得乘員艙的侵入量降低，達(dá)到保護(hù)乘員的目的。

1 模型建立與有效性驗(yàn)證

1.1 模型建立

選擇某運(yùn)動(dòng)型多功能車(sports utility vehicle，SUV)Explorer作為研究對象，該車各個(gè)關(guān)鍵部位裝有相關(guān)的傳感器，追尾車和被追尾車分別定義為A車和B車，如圖1所示，整車質(zhì)量為2.24 t，該模型中總共有1 447 360個(gè)單元，對A、B兩車以速度為80±1.0 km/h的速度差且30%的重疊率進(jìn)行模擬。整個(gè)仿真過程定義150 ms。

圖1 汽車追尾仿真模型

1.2 仿真結(jié)果的有效性驗(yàn)證

1.2.1 車體速度的有效性驗(yàn)證

取v1=80 km/h，重疊率η=70%時(shí)可得圖2所示B車在碰撞過程中尾部節(jié)點(diǎn)、中部節(jié)點(diǎn)和前部節(jié)點(diǎn)處速度-時(shí)間變化曲線，從中可以看出：B車后部在碰撞過程中速度的變化最為劇烈，這是由于B車后部最先和A車接觸，所以車體后部最先發(fā)生變形，并且在整個(gè)過程中變形量最大。隨著碰撞的繼續(xù)進(jìn)行，最后車體變形基本停止，整體向前運(yùn)動(dòng)，兩車最終速度變?yōu)橐恢?，設(shè)其整體速度為v2，從圖2可看出曲線走勢基本吻合。

圖2 追尾前車不同位置處的速度-時(shí)間曲線

由動(dòng)量定理可得：

mv1=2mv2

(1)

式中：m是車體質(zhì)量(kg)；v1是追尾后車速度(m/s)；v2是整體速度(m/s)。

將已知數(shù)據(jù)代入式(1)得出:v2=11.1 m/s。將計(jì)算結(jié)果與仿真曲線圖2結(jié)合可以看出整個(gè)碰撞過程其曲線走勢相吻合，其速度在11.1 m/s上下波動(dòng)，所以證明整個(gè)仿真結(jié)果是合理有效的。

2 仿真結(jié)果分析

2.1 車體主要承力部件的能量轉(zhuǎn)移路徑

2.1.1 車體的主要承力部件

在追尾碰撞中，并不是車身所有部件都承受很大的作用力，如車頂橫梁、車頂及一些地板橫梁。所以在分析車體結(jié)構(gòu)耐撞性的過程中找出一些主要承力部件，因?yàn)檫@些部件對車內(nèi)乘員的安全起著關(guān)鍵性的作用，例如保險(xiǎn)杠、B柱、C柱、D柱、車底后部地板、縱梁、及后部橫梁等，因此對該車主要受力零部件的分析顯得尤為必要。

2.2.2 主要承力部件的吸能量分析

碰撞過程中主要承力部件對能量的吸收與乘員的損傷有間接的關(guān)系，與車體的變形程度有直接關(guān)系，因此，合理的能量轉(zhuǎn)移路徑能夠提高車身結(jié)構(gòu)的耐撞性，降低車內(nèi)乘員的傷害值。設(shè)定重疊率φ=70%，初始碰撞速度v=80 km/h，通過仿真計(jì)算所得出追尾車與被追尾車主要承力部件的內(nèi)能隨時(shí)間變化的曲線如圖3所示，其所吸收的最大能量Emax則被列于表1。

圖3 兩車主要承力部件的內(nèi)能-時(shí)間曲線1.B車右縱梁后部 2.B車地板后部 3.B車左縱梁后部4.B車后保險(xiǎn)杠

圖3是追尾碰撞兩車主要承力部件的能量時(shí)間變化曲線，隨著撞擊的進(jìn)行，內(nèi)能逐漸增大。最先開始吸收能量的是B車后保險(xiǎn)杠，這是因?yàn)閮绍嚤ｋU(xiǎn)杠最先接觸，從圖中可以看出符合實(shí)際情況，所以仿真過程合理。主要承力部件吸能最大值列于表1，從表2可以看出A車最大吸能量總值是B車的9.17%，撞擊能量主要由B車尾部吸收。

表1 兩車主要承力件的最大吸能量

在整個(gè)仿真實(shí)驗(yàn)中，B車能量主要被右縱梁后部承擔(dān)。地板后部、后保險(xiǎn)杠、左縱梁后部吸收的能量僅是右縱梁后部的51.60%、28.19%、26.03%；A車吸收的能量較B車小，故本文中不予考慮B車的分析。

3 小重疊率撞擊對評價(jià)指標(biāo)的影響

在整個(gè)碰撞過程中，車身結(jié)構(gòu)變形量可以直接反映乘員的損傷情況。前座椅下端加速度傳感器輸出的加速度歷程曲線，以及后備箱蓋的侵入速度曲線等都是用來間接評價(jià)乘員傷害程度的重要指標(biāo)。加速度波形可以反映出車身在整個(gè)碰撞過程中接觸力的大小以及變化過程。然而在所有重疊率追尾碰撞中小重疊率碰撞對車體耐撞性影響最大。小重疊率碰撞是車與剛性壁障接觸面積不大于30%的碰撞，本文將小重疊率正面碰撞與新FMVSS301要求相結(jié)合，設(shè)置速度差Δv為80 km/h，重疊率η為30%，從而得出以下參數(shù)，并針對此工況進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)。

3.1 前后乘員艙加速度的分析

圖4是B車乘員艙加速度的時(shí)間-曲線圖，a1、a2、a3、a4分別為駕駛位、副駕駛位、左后座椅和右后座椅處傳感器測出的加速度，可以看出，由于受到撞擊，從沖擊波形可看出不同座椅的峰值差異相對較大，右后座椅處比駕駛位、副駕駛位、左后座椅變化劇烈，相應(yīng)的最大值列于表2。右后座椅a4為26 g，這是由于撞擊位置處于B車右側(cè)所致。

圖4 前乘員艙加速度曲線

3.2 車體結(jié)構(gòu)變形量的分析

小重疊率高速碰撞會(huì)嚴(yán)重影響乘員艙乘員的生存空間、或影響事故之后乘員能否順利離開車體、或影響碰撞過程中能量的吸收，故取車門內(nèi)層、車門立柱、后備箱內(nèi)車體地板為研究對象，得出碰撞全過程中侵入量-時(shí)間曲線圖(見圖5)，利用時(shí)間曲線圖分析立柱、車門內(nèi)層凹陷、后備箱地板的變形情況。相應(yīng)的最大侵入量列于表2。

如圖5所示，D1是車門立柱在碰撞方向的變形量隨時(shí)間的變化曲線圖，從中可看出立柱在車體縱向的變形量隨著重疊率的減小而增大，后門立柱相對于中立柱在碰撞方向最大結(jié)構(gòu)變形量約為330 mm，而且有可能會(huì)造成后車門在不用其他工具的情況下打不開，導(dǎo)致乘員不能方便快速的離開被撞車輛；D2是車門內(nèi)層在車體橫向的位移-時(shí)間曲線圖，可看出車門內(nèi)層侵入量最大值達(dá)到了404.9 mm，而車體側(cè)圍預(yù)留有效的安全緩沖空間僅為300 mm左右，因此，乘員艙的安全空間受到一定程度的擠壓，這將會(huì)導(dǎo)致車內(nèi)乘員受到不同程度的傷害；D3、D4分別是后部地板的縱向、垂向侵入量，地板后部在縱向和垂向的侵入量比較大，直接影響后部乘員艙空間的大小。在整個(gè)撞擊過程中縱向、垂向侵入量最大達(dá)到638 mm、211 mm，如表2所列。

圖5 不同部件侵入量時(shí)間曲線圖

表2 各評價(jià)指標(biāo)的最大值

4 優(yōu)化分析

車身總成零部件數(shù)量眾多，同時(shí)車身不同部位零部件的優(yōu)化設(shè)計(jì)可能需要考慮車身不同工況下的不同性能需求，為此將車身總成零部件進(jìn)行組件劃分和制定不同優(yōu)化設(shè)計(jì)策略具有重要意義。具體而言，有些零部件承擔(dān)著吸收能量、抵抗變形的重大作用，可以定義為主要承力部件；另外，相反，有些零部件對車身抗撞性能的影響較小，修改其結(jié)構(gòu)參數(shù)并不會(huì)對車身抗撞性能帶來較大影響，將該類零部件稱作非承力部件。

進(jìn)行主要承力部件與非承力部件劃分的目的，是將車身總成所有影響車身抗撞性能的零部件作為一個(gè)集合，通過上文得出：主要承力部件是車架縱梁、后保險(xiǎn)杠，改進(jìn)的目的是減小侵入量使生存空間得到有效地改善，運(yùn)用新型材料是當(dāng)今汽車行業(yè)的新趨勢，新材料不僅有性能好、質(zhì)量輕等優(yōu)勢，還能節(jié)約相應(yīng)的鋼材料，基于此現(xiàn)狀，本文選取了高分子、鋁合金、長纖維增強(qiáng)熱塑性塑料等輕量化材料(見表3)，將不同材料和零件相匹配，仿真得出侵入量-時(shí)間曲線圖、加速度-時(shí)間曲線圖(見圖6)。

表3 縱梁、保險(xiǎn)杠的材料參數(shù)

圖6 各材料參數(shù)下侵入量時(shí)間-曲線圖圖注：LFRT-長纖維增強(qiáng)熱塑性塑料；KLFRT-超強(qiáng)長纖維增強(qiáng)熱塑性塑料，GMT-玻璃纖維增強(qiáng)型熱塑性塑料，Aluminium-鋁合金

圖6是經(jīng)過材料改進(jìn)之后的各評價(jià)指標(biāo)的時(shí)間曲線圖，相應(yīng)的最大值列于表4，從圖6中可以看出優(yōu)化改進(jìn)之后碰撞開始時(shí)刻曲線走勢沒有太大的變化，等到撞擊進(jìn)行到75 ms時(shí)，在GMT材料下關(guān)鍵部件的侵入量明顯低于其他材料，到碰撞結(jié)束時(shí)，即150 ms時(shí)，呈現(xiàn)出最大值，其最大值也遠(yuǎn)遠(yuǎn)低于其余高分子材料和原始材料，從表4可以看出，用GMT替換原來的材料后，車門立柱、車門內(nèi)層、底板縱向的侵入量分別減小為原來的64.5%、14.3%、91.4%，由于底板縱向侵入量的減小，即使垂向侵入量增大，也不會(huì)影響后座椅乘員艙的生存空間。但是通過優(yōu)化改進(jìn)，對于沖擊加速度沒有太大的影響。

表4 優(yōu)化前后各評價(jià)指標(biāo)的對比

5 結(jié) 論

以兩輛某款SUV汽車為研究對象，建立車—車速度差為80 km/h、兩中心線夾角為0°、η=30%的重疊率追尾碰撞的模型，通過仿真分析，找出最差工況的主要承力部件，針對此零部件進(jìn)行優(yōu)化改進(jìn)，選取當(dāng)下應(yīng)用最多的合成材料LFRT(長纖維增強(qiáng)熱塑性塑料)、KLFRT(超強(qiáng)長纖維增強(qiáng)熱塑性塑料)、GMT(玻璃纖維增強(qiáng)型熱塑性塑料)、Aluminium(鋁合金)，從仿真結(jié)果可以看出新型材料可以很好的抵抗來自A車的沖擊，使得乘員艙變形量處于安全范圍內(nèi)；在以上4種材料中，效果最明顯的是合成材料GMT(玻璃纖維增強(qiáng)型熱塑性塑料),因此，改進(jìn)后B車各項(xiàng)衡量指標(biāo)下降明顯，提高了其車體結(jié)構(gòu)耐撞性。通過此次的研究分析提出了單獨(dú)改變每一個(gè)變量對車體耐撞性評價(jià)指標(biāo)的影響以及根據(jù)參數(shù)分析合理調(diào)整各部件剛度進(jìn)行優(yōu)化改進(jìn)的思路。通過對優(yōu)化結(jié)果的評價(jià)，驗(yàn)證了優(yōu)化方案的可行性，為提高追尾碰撞安全性、縮短汽車研發(fā)周期提供提供理論依據(jù)。