基于MPDB 工況的車身前防撞橫梁優(yōu)化設(shè)計(jì)

劉培源 代金樂 馬凱 許偉 車宜行 廖慧紅 賴富剛

（吉利汽車研究院（寧波）有限公司）

碰撞相容性是指汽車發(fā)生碰撞時(shí)在保護(hù)自身乘員安全的同時(shí)盡可能保護(hù)對方車輛乘員安全的能力[1]。Euro-NCAP 已在 2020 年 1 月份將 MDPB（Mobile Progressive Deformable Barrier，漸近式可變形移動(dòng)壁障）工況納入新車評價(jià)規(guī)程；我國的C-NCAP 也在2021 版新車評價(jià)規(guī)程中增加MDPB 碰撞工況，增加碰撞相容性考核指標(biāo)，修正碰撞得分。車身前防撞橫梁的碰撞力學(xué)性能對MPDB 碰撞安全性能有很大影響，運(yùn)用有限元仿真方法對比研究不同強(qiáng)度的車身防撞橫梁對MPDB工況壁障兼容性的影響，為新車型的碰撞安全性能研發(fā)提供參考。文章通過有限元仿真對不同厚度及不同材料的前防撞橫梁的吸能變形模式進(jìn)行對比研究，并分析研究了前防撞橫梁MPDB 抗彎耐撞及其相容性指標(biāo)性能。

1 MPDB 碰撞工況介紹

1.1 試驗(yàn)方法介紹

MPDB 碰撞測試使用質(zhì)量為（1 400±20）kg 的壁障臺(tái)車，測試車與臺(tái)車壁障分別以50 km/h 的速度相向行駛碰撞，重疊率為50%，臺(tái)車壁障最低處距離地面高度為（150±5）mm；測試車上共放置 4 個(gè)假人：THOR 50%HIII 假人、THOR 50%HII 假人、Q6 假人和 Q10 假人。碰撞測試方法，如圖1 所示。

圖1 MPDB 碰撞測試方法示意圖

1.2 MPDB 試驗(yàn)壁障

MPDB 移動(dòng)臺(tái)車壁障由臺(tái)架車、壁障蜂窩鋁、傳感器及其它部件附件組成，如圖2 所示。臺(tái)架車輪間距為（1 500±10）mm，軸距為（3 000±10）mm，碰撞塊前端距離臺(tái)車質(zhì)心（2 290±30）mm，臺(tái)車質(zhì)心離地高度為500 mm；蜂窩鋁主結(jié)構(gòu)Z 向高度為570 mm，Y 向?qū)挾葹? 000 mm，蜂窩鋁主結(jié)構(gòu)分為前、中、后3 個(gè)部分，分別為250，450，90 mm，蜂窩鋁3 個(gè)部分強(qiáng)度逐步增加，各不相同。

圖2 MPDB 移動(dòng)臺(tái)車壁障示意圖

1.3 碰撞相容性指標(biāo)評價(jià)方法

碰撞相容性指標(biāo)評價(jià)由壁障變形量標(biāo)準(zhǔn)偏差（SD）、壁障虛擬乘員負(fù)載指數(shù)（OLC）、壁障蜂窩鋁擊穿情況3 個(gè)部分組成。根據(jù)Euro-NCAP 路線圖，2020 年1月1 日至2020 年12 月31 日，碰撞相容性評價(jià)罰分項(xiàng)為4 分，但從2022 年1 月1 日起，碰撞相容性評價(jià)最大罰分可以達(dá)到8 分，計(jì)算到測試評價(jià)得分內(nèi)，對于新車星級(jí)評價(jià)影響較大。所以碰撞相容性指標(biāo)評價(jià)對MPDB工況的得分，甚至是對整個(gè)新車星級(jí)評價(jià)都至關(guān)重要。

壁障變形量標(biāo)準(zhǔn)偏差（SD）以蜂窩鋁壁障指定區(qū)域侵入量深度為評判依據(jù)。壁障侵入量標(biāo)準(zhǔn)差（S/mm）和計(jì)算均勻系數(shù)（h/%）的關(guān)系為：當(dāng) S＜50 mm 時(shí)，h=0；當(dāng)50 mm ≤S ≤150 mm 時(shí) ，h= （S-50 mm）/100 mm；當(dāng)S＞150 mm 時(shí)，h=100%。標(biāo)準(zhǔn)偏差（SD）的高性能指標(biāo)值為50 mm，低性能指標(biāo)為150 mm，根據(jù)數(shù)值插值方法計(jì)算所得。相關(guān)評價(jià)區(qū)域，如圖3 所示。

圖3 壁障均勻性指標(biāo)評價(jià)區(qū)域

壁障蜂窩鋁擊穿評價(jià)是指在大于40 mm×40 mm的范圍，評價(jià)蜂窩鋁侵入深度是否大于630 mm，如果存在擊穿情況，則將會(huì)有2 分的扣減，記為MBO[2]。

壁障虛擬乘員負(fù)載指數(shù)（OLC）是指在碰撞過程中，假定臺(tái)車虛擬假人經(jīng)歷勻速運(yùn)動(dòng)（0～t1）和勻減速運(yùn)動(dòng)（t1～t2）2 個(gè)階段，勻減速運(yùn)動(dòng)的恒定加速度值即為OLC 值[3]。OLC 中的 t1和 t2通過式（1）～ 式（3）獲得。

式中：t1——MPDB 臺(tái)車上虛擬假人自由向前移動(dòng)65 mm時(shí)對應(yīng)的時(shí)刻；

t2——虛擬假人開始受到約束，向前移動(dòng)235 mm時(shí)對應(yīng)的時(shí)刻（總位移量300 mm）。

t1～t2時(shí)間段內(nèi)假設(shè)虛擬假人受約束的減速度是恒定的，該值即為OLC[4]。

相容性修正罰分的計(jì)算公式為：

當(dāng) OLC＜25g 時(shí)，Mcompat=-2h-MBO；

當(dāng) 25g ≤OLC ≤ 40g 時(shí) ，Mcompat=-2OLC/15+10/3-h[（4OLC/10-8）-（2OLC/15-10/3）]-MBO，Mcompat的限值為-8 分；

當(dāng) OLC≥40g 時(shí)，Mcompat=-2-6h-MBO，Mcompat限值為-8 分。

式中：h——均勻性系數(shù)；

Mcompat——相容性修正罰分。

2 車輛MPDB 碰撞仿真分析

2.1 前防撞橫梁優(yōu)化設(shè)計(jì)分析

根據(jù)MPDB 的相容性耐撞特點(diǎn)，汽車碰撞時(shí)，前防撞橫梁最先參與碰撞變形吸能，也是碰撞過程中變形最明顯的關(guān)鍵吸能結(jié)構(gòu)。為了更好地研究前防撞橫梁對MPDB 工況的影響。文章以某款轎車MPDB 碰撞工況開發(fā)為例，對前防撞橫梁厚度、材料以及結(jié)構(gòu)進(jìn)行剛度匹配性分析，研究不同剛度前防撞橫梁對MPDB 碰撞各項(xiàng)指標(biāo)的影響，從而為前防撞橫梁的設(shè)計(jì)選型提供決策依據(jù)。

2.2 前防撞橫梁結(jié)構(gòu)對比

前防撞梁總成結(jié)構(gòu)主要由前防撞橫梁本體、吸能盒、吸能盒前后端板及其它附件支架等組成，如圖4所示。鋼質(zhì)前防撞橫梁本體采用輥壓成型工藝，材料為HC550/980DP，前防撞橫梁截面采用雙腔體結(jié)構(gòu)，如圖5 所示。鋁質(zhì)前防撞橫梁本體采用壓鑄成型工藝，材料為AL6082，截面采用“口”字形和“目”字形結(jié)構(gòu)，如圖6 所示。為了研究方便，將1.4 mm 厚的鋼質(zhì)防撞橫梁設(shè)為方案1，1.6 mm 厚的鋼質(zhì)防撞橫梁設(shè)為方案2，“口”字形鋁質(zhì)防撞橫梁本體設(shè)為方案3，“目”字形鋁質(zhì)防撞橫梁本體設(shè)為方案4。4 種方案的具體材料厚度質(zhì)量信息，如表1 所示，“目”字形鋁質(zhì)前防撞橫梁質(zhì)量最輕，“口”字形鋁質(zhì)前防撞橫梁次之，1.4 mm 厚的鋼質(zhì)防撞橫梁較重，1.6 mm 厚的鋼質(zhì)前防撞橫梁最重。4 種方案涉及3 種腔體設(shè)計(jì)，方案1 和方案2 的截面擁有2 個(gè)封閉空腔，方案3 擁有1 個(gè)封閉空腔，方案4 擁有3 個(gè)封閉空腔。

圖4 前防撞梁總成示意圖

圖5 鋼質(zhì)前防撞橫梁截面示意圖

圖6 鋁質(zhì)前防撞橫梁截面示意圖

表1 前防撞橫梁各方案材料厚度質(zhì)量信息對比表

2.3 前防撞橫梁仿真結(jié)果對比

2.3.1 變形結(jié)果對比

前防撞橫梁及吸能盒變形圖，如圖7 所示，方案1～方案3 的前防撞橫梁本體中部皆出現(xiàn)嚴(yán)重的折彎變形；但方案2 的折彎變形情況要明顯好于方案1，方案3 的折彎變形情況最差；前3 種前防撞橫梁抗彎能力不足，在與可變形壁障發(fā)生碰撞的過程中，防撞橫梁中部折彎嚴(yán)重，進(jìn)而導(dǎo)致壁障均勻性較差，并增加了壁障擊穿的風(fēng)險(xiǎn)，最終導(dǎo)致整體的壁障兼容性評價(jià)較差。方案4的防撞橫梁中部輕微折彎，折彎情形明顯好于前3 種方案，可見其擁有較好的抗彎能力，在發(fā)生碰撞的過程中，力可以有效地進(jìn)行分散與傳遞，從而使壁障受力均勻，減小了擊穿的風(fēng)險(xiǎn)。

圖7 前防撞橫梁及吸能盒變形圖

2.3.2 應(yīng)變結(jié)果對比

前防撞橫梁塑性應(yīng)變，如圖8 所示。4 種方案的防撞橫梁均出現(xiàn)超過材料許用應(yīng)變的情況，但塑性應(yīng)變超過許用應(yīng)變的區(qū)域及形式各不相同。方案1 的防撞橫梁主梁超出許用應(yīng)變（7%）區(qū)域成帶狀分布，且應(yīng)變區(qū)域連貫，范圍較大，斷裂風(fēng)險(xiǎn)較大；方案2 的防撞橫梁主梁超出許用應(yīng)變（7%）區(qū)域成點(diǎn)狀分布，范圍相對較小，且不連貫，斷裂風(fēng)險(xiǎn)相對較??；方案3 的鋁質(zhì)防撞橫梁主梁超出許用應(yīng)變（14%）區(qū)域成連續(xù)帶狀分布，且范圍較大，斷裂風(fēng)險(xiǎn)較大；方案4 中鋁質(zhì)防撞橫梁彎折程度較小，超出許用應(yīng)變（14%）區(qū)域成點(diǎn)狀分布，超出應(yīng)變范圍較小，且不連貫，故斷裂風(fēng)險(xiǎn)最小。

圖8 前防撞橫梁塑性應(yīng)變云圖

2.4 壁障碰撞相容性仿真結(jié)果對比

2.4.1 壁障侵入量均勻性指標(biāo)對比

壁障侵入量均勻性，如圖9 所示。4 種方案的防撞梁均未出現(xiàn)壁障擊穿現(xiàn)象。方案2 比方案1 的壁障侵入量的均值略小，但整體相差不大；方案4 明顯要比方案3 的侵入量均值小，且明顯小于2 種鋼質(zhì)防撞梁方案的壁障侵入量范圍。

圖9 壁障侵入量均勻性云圖

2.4.2 壁障相容性指標(biāo)對比

MPDB 碰撞相容性指標(biāo)評價(jià)指數(shù)對比，如表2 所示。鋼質(zhì)和“口”字形鋁質(zhì)防撞橫梁方案下的壁障均勻性評價(jià)系數(shù)均較大，“目”字形鋁質(zhì)防撞橫梁方案的壁障均勻性評價(jià)系數(shù)明顯優(yōu)于其他方案。相關(guān)研究表明，OLC 值主要與碰撞車輛的整體質(zhì)量關(guān)系較大[3]，前防撞橫梁的變動(dòng)對此指標(biāo)并不敏感，故而OLC 差距不大。從相容性修正罰分上來看，鋼質(zhì)防撞橫梁壁障均勻性評價(jià)系數(shù)罰分存在微小差別，但基本一致，說明通過增加0.2 mm 的厚度，可以在一定范圍內(nèi)增加防撞橫梁的抗彎能力，但改善效果不太明顯?！澳俊弊中武X質(zhì)防撞橫梁相容性修正罰分明顯好于鋼質(zhì)和“口”字形鋁質(zhì)防撞橫梁方案，多腔體鋁質(zhì)防撞橫梁的高抗彎特性對于壁障兼容性具有良好效果。

表2 MPDB 碰撞相容性指標(biāo)評價(jià)指數(shù)對比

2.5 碰撞相容性仿真分析結(jié)果總結(jié)

1）通過對比不同厚度、相同截面結(jié)構(gòu)的鋼質(zhì)防撞橫梁的仿真結(jié)果，可以看出增加防撞橫梁的厚度在一定程度上可以提高防撞橫梁的抗彎強(qiáng)度，但效果不是十分明顯。

2）相同質(zhì)量、相同截面尺寸、不同截面結(jié)構(gòu)的鋁質(zhì)防撞橫梁仿真結(jié)果顯示，改變防撞橫梁的截面結(jié)構(gòu)特征，增加其封閉腔體的數(shù)量，來提高防撞橫梁的抗彎剛度，對提高橫梁結(jié)構(gòu)的抗彎強(qiáng)度具有顯著的作用。

3）鋼質(zhì)防撞橫梁質(zhì)量較重，復(fù)雜封閉型面難成型，但成型工藝簡單，整體經(jīng)濟(jì)性較好；鋁質(zhì)防撞梁較輕，輕量化效果明顯，型面可塑性較好，可以成型各種復(fù)雜封閉型面，但整體成本較高；從防撞橫梁本體截面結(jié)構(gòu)形式來看，在截面尺寸相同的情況下，封閉腔體結(jié)構(gòu)越多，防撞梁的整體抗彎效果越好。

4）4 種方案的防撞橫梁壁障均未出現(xiàn)擊穿現(xiàn)象，OLC 值也基本一致，但“目”字形鋁質(zhì)防撞橫梁車輛碰撞后的壁障侵入量標(biāo)準(zhǔn)偏差明顯要小于其它方案的橫梁。此外，鋁質(zhì)防撞橫梁的材料延展性要優(yōu)于鋼質(zhì)，在發(fā)生彎折的過程中，斷裂風(fēng)險(xiǎn)較低，而且鋁質(zhì)材料容易成型多腔體截面的防撞橫梁。因此，為提高防撞橫梁的抗彎強(qiáng)度，避免壁障出現(xiàn)擊穿觸底或表面變形均勻性差等問題，可在成本及工藝允許的情況下采用鋁質(zhì)、封閉、多腔體的防撞橫梁。

3 結(jié)論

通過仿真研究發(fā)現(xiàn)，前防撞橫梁作為保證汽車被動(dòng)碰撞安全的關(guān)鍵部件，其抗彎能力不足或出現(xiàn)斷裂，會(huì)導(dǎo)致汽車受力部件碰撞變形吸能不可控，將直接影響碰撞安全性能目標(biāo)的達(dá)成。文章以MPDB 碰撞工況為基礎(chǔ)，建立碰撞仿真模型，以前防撞橫梁本體為主要研究對象，系統(tǒng)地研究了相同材料不同厚度、不同材料及結(jié)構(gòu)形式的前防撞橫梁對MPDB 工況各項(xiàng)指標(biāo)的影響，總結(jié)得出：在不改變前防撞橫梁材料和截面結(jié)構(gòu)的情況下，只增加一定量的本體厚度，防撞橫梁折彎變形有所好轉(zhuǎn)，但整體抗彎能力變化不明顯；與鋼質(zhì)防撞橫梁相比，鋁質(zhì)前防撞橫梁易實(shí)現(xiàn)不同復(fù)雜封閉型面及合理厚度的制造，可以明顯提高前防撞橫梁的剛度及抗彎能力；前防撞橫梁抗彎能力的強(qiáng)弱對壁障均勻性指標(biāo)有較大影響，對壁障虛擬乘員負(fù)載指數(shù)OLC 的影響相對有限，通過增加前防撞橫梁的剛度，可以在一定范圍內(nèi)改善MPDB 工況的壁障均勻性，進(jìn)而可以提高壁障的兼容性。