基于OLC拐點的車體結(jié)構(gòu)較優(yōu)設(shè)計

盧 靜，鄭 顥，歐陽俊，王玉超

（廣州汽車集團(tuán)股份有限公司 汽車工程研究院，廣州 511434）

傳統(tǒng)正面碰撞中乘員保護(hù)設(shè)計可分為車體結(jié)構(gòu)設(shè)計和乘員約束系統(tǒng)設(shè)計，一般思路為先根據(jù)經(jīng)驗制定車體結(jié)構(gòu)設(shè)計開發(fā)目標(biāo)，然后基于優(yōu)化好的車體結(jié)構(gòu)開展乘員約束系統(tǒng)匹配。給予約束系統(tǒng)匹配更大的容度，這種設(shè)計思路存在車體結(jié)構(gòu)設(shè)計過剩的現(xiàn)象。為實現(xiàn)精細(xì)化設(shè)計，有必要建立乘員保護(hù)與車體結(jié)構(gòu)設(shè)計之間的橋梁，根據(jù)乘員保護(hù)的需求制定合理的車體結(jié)構(gòu)設(shè)計目標(biāo)。目前國內(nèi)外已有較多文獻(xiàn)[1-5]研究了加速度波形與乘員損傷的關(guān)聯(lián)性趨勢，但沒有給出量化的方法并直接指導(dǎo)設(shè)計。常見的車體結(jié)構(gòu)設(shè)計評價指標(biāo)包括加速度峰值、速度歸零時刻等，這些指標(biāo)與乘員損傷有一定關(guān)聯(lián)性，但不是必然。本文首先基于a-s（加速度-位移）曲線研究了加速度的二階波形簡化，并據(jù)此得到車體結(jié)構(gòu)設(shè)計指標(biāo)；然后研究了乘員載荷準(zhǔn)則OLC，最后研究了車體結(jié)構(gòu)設(shè)計指標(biāo)、乘員損傷評價指標(biāo)與乘員載荷準(zhǔn)則OLC 之間的量化關(guān)系，并得到量化關(guān)系表達(dá)式，可直接指導(dǎo)車體結(jié)構(gòu)設(shè)計。

1 a-s 曲線等效二階波

從波形變化趨勢來看，碰撞波形常見的簡化形式有方形波（ESW）、尖頂方波（TESW）、等效二階波（EDTW），如圖1 所示。對于正面100%剛性壁障碰撞，整車變形吸能區(qū)可以分為3 個部分：（1）發(fā)動機(jī)前端與剛性壁障之間的結(jié)構(gòu)變形D1；（2）發(fā)動機(jī)后端與防火墻之間的結(jié)構(gòu)變形D2a；（3）防火墻的侵入變形D2b，如圖2 所示。正面碰撞加速度-時間歷程可以分為3 個主要階段：a1（0-t2）、a2（t2-t4）、a3（t4-t6），分界點分別是時刻t2和時刻t4，時刻t2為發(fā)動機(jī)與壁障接觸時刻，時刻t4為車輛開始反彈時刻。本研究中，發(fā)動機(jī)懸置斷裂技術(shù)的應(yīng)用使發(fā)動機(jī)與壁障接觸后不會造成過大的加速度增加，二階加速度的增加主要由發(fā)動機(jī)與前圍接觸后造成，所以時刻t2設(shè)定為發(fā)動機(jī)與前圍接觸時刻。根據(jù)變形區(qū)域能量守恒的原理，可以將實車碰撞波形簡化成物理特征明顯的兩階等效波形，包括發(fā)動機(jī)接觸前圍之前和之后兩個階段，如圖3 所示。其中，a1為吸能空間變形波段（D1和D2a）的第一階等效加速度，a2為D2b變形波段的第二階等效加速度。

圖1 車體加速度擬合形式

圖2 正面碰撞變形區(qū)

圖3 等效二階波形

2 乘員載荷準(zhǔn)則OLC

OLC 是一項評價車輛減速度的指標(biāo)，它也是在給定某車輛減速度波形的條件下，通過假定乘員做單純的前向運動而求得的乘員平均減速度，用于評價車輛減速度對乘員作用載荷的大小。2020 版E-NCAP 及2021 版C-NCAP 計劃采用OLC 評價。

OLC 的基本分析方法如下：為避免假人胸部與方向盤發(fā)生碰撞，設(shè)胸部前向位移量為300 mm。由于安全帶松弛量的存在，假人在不受力的狀態(tài)下做勻減速運動，并移動了65 mm 距離。碰撞開始時，乘員先以v0做勻速運動。在速度-時間圖上，設(shè)乘員與車輛速度-時間曲線所包圍的面積A1達(dá)到65mm2時的時刻為ta，乘員從A段開始以一定減速度做勻減速運動。設(shè)乘員與車體速度曲線圍成的A2的面積到達(dá)235mm2時，車輛速度-時間曲線上點為B 點。此時定義直線AB 的斜率為OLC。

圖4 OLC 定義

3 結(jié)構(gòu)指標(biāo)對乘員載荷準(zhǔn)則OLC 的影響分析

將實車碰撞波形簡化成等效二階波形后，可以方便地研究波形典型特征對乘員損傷的影響，從而制定合理的結(jié)構(gòu)指標(biāo)。根據(jù)第2 節(jié)的描述，將車體結(jié)構(gòu)指標(biāo)分為車體加速度（包括一階加速度a1、二階加速度a2）和動態(tài)位移（表征整車變形量，包括吸能空間和侵入量）。根據(jù)能量守恒原則，侵入量不變的情況下，改變一階加速度a1，二階加速度a2也會相應(yīng)變化；一階加速度a1不變的情況下，改變侵入量，二階加速度a2也會相應(yīng)變化。所以本文結(jié)構(gòu)研究指標(biāo)簡化兩種情況：情況一，侵入量不變，改變一階加速度a1；情況二，一階加速度a1不變，改變侵入量。首先基于56 km/h FRB 工況開展了研究。

3.1 一階加速度a1 與乘員載荷準(zhǔn)則OLC 的關(guān)系

根據(jù)第2 節(jié)中中等效二階波形的轉(zhuǎn)換方法，在侵入量不變的情況下，通過改變一階加速度a1，得到16 組加速度波形，分別為等效波形1、等效波形2、……、等效波形16，如表1 和圖5 所示。等效波形轉(zhuǎn)換后，最大動態(tài)位移沒有發(fā)生改變，隨著a1的增加，a2呈不同幅度降低。

圖5 不同a1 等效波形轉(zhuǎn)換

基于第3 節(jié)中的乘員載荷準(zhǔn)則OLC 的定義，對16 組等效波形進(jìn)行計算，得到不同等效波形對應(yīng)的OLC，如表1 和圖6 所示?？梢园l(fā)現(xiàn)，當(dāng)一階加速度a1≤215.82 m/s2時，OLC 隨著a1的增加呈現(xiàn)降低趨勢，且隨著一階加速度a1每增加9.81 m/s2，OLC變化量逐漸減低；當(dāng)一階加速度a1＞215.82 m/s2時，OLC 隨著a1的增加呈現(xiàn)增加趨勢，且隨著一階加速度a1每增加9.81 m/s2，OLC 變化量較小。采用OLC 作為車體結(jié)構(gòu)評價指標(biāo)，可以將OLC 設(shè)定為≤284.49 m/s2，對應(yīng)的一階加速度a1為215.82 m/s2，二階加速度a2為294.3 m/s2。

表1 不同a1 與OLC

圖6 OLC 與a1 的關(guān)系

3.2 動態(tài)位移D 與乘員載荷準(zhǔn)則OLC 的關(guān)系

根據(jù)第2 節(jié)中等效二階波形的轉(zhuǎn)換方法，在侵入量不變的情況下，通過改變侵入量D2，得到5 組加速度波形，分別為等效波形1、等效波形2、……、等效波形5，如表2 和圖7 所示。等效波形轉(zhuǎn)換后，一階加速度a1沒有發(fā)生改變，隨著侵入量D1的增加，a2呈不同幅度降低。

圖7 不同侵入量D2 等效波形轉(zhuǎn)換

基于第3 節(jié)中的乘員載荷準(zhǔn)則OLC 的定義，對5 組等效波形進(jìn)行計算，得到不同等效波形對應(yīng)的OLC，如表2 和圖8 所示?？梢园l(fā)現(xiàn)，當(dāng)動態(tài)位移D每增加10 mm 時，OLC 隨著D的增加呈現(xiàn)降低趨勢。

圖8 OLC 與D 的關(guān)系

表2 不同侵入量D2 與OLC

4 乘員損傷與乘員載荷準(zhǔn)則OLC 的關(guān)聯(lián)性分析

基于第3.1 節(jié)中的分析，選擇完成對標(biāo)的有限元約束系統(tǒng)模型，如圖9～13 所示，計算了不同車體結(jié)構(gòu)設(shè)計指標(biāo)a1下的乘員損傷情況，選擇胸部壓縮量作為考察指標(biāo)，計算結(jié)果如表1 和圖14 所示。

圖9 有限元約束系統(tǒng)仿真模型

圖10 頭部加速度

圖11 髖部加速度

圖12 左上肋骨胸壓量

圖13 右上肋骨胸壓量

圖14 不同車體結(jié)構(gòu)設(shè)計下OLC 與胸部壓縮量

由圖14 可知，乘員損傷與乘員載荷準(zhǔn)則OLC有較強(qiáng)的關(guān)聯(lián)性，當(dāng)一階加速度a1＜215.82 m/s2時，隨著a1的增加，OLC 和乘員損傷同時降低，且斜率較為接近；當(dāng)一階加速度a1＞215.82 m/s2時，隨著a1的增加，OLC 和乘員損傷同時增加，且斜率較為接近；乘員損傷與乘員載荷準(zhǔn)則OLC同時出現(xiàn)拐點，且變化斜率較為接近，采用線性擬合，得到OLC 與胸部壓縮量關(guān)系表達(dá)式y(tǒng)=0.377 7x+12.579，OLC 擬合度R2為0.95，如圖15 所示。

由圖16 可知，乘員損傷與乘員載荷準(zhǔn)則OLC有較強(qiáng)的關(guān)聯(lián)性，隨著D的增加，OLC 和乘員損傷同時增加，且斜率較為接近；采用線性擬合，得到OLC 與胸部壓縮量的關(guān)系表達(dá)式y(tǒng)=1.2677x+32.175，OLC 擬合度R2為0.97，如圖17 所示。

圖15 不同車體結(jié)構(gòu)設(shè)計下OLC 與胸部壓縮量的關(guān)系式

圖16 不同車體結(jié)構(gòu)設(shè)計下OLC 與胸部壓縮量

圖17 不同車體結(jié)構(gòu)設(shè)計下OLC 與胸部壓縮量的關(guān)系式

5 關(guān)聯(lián)性驗證及結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計應(yīng)用

5.1 拐點現(xiàn)象適用范圍驗證

在第3 節(jié)和第4 節(jié)的分析結(jié)論中，動態(tài)位移D不變的情況下，乘員損傷與車體一階加速度a1的關(guān)聯(lián)性存在明顯的“拐點”現(xiàn)象，這說明在進(jìn)行車體結(jié)構(gòu)設(shè)計時，不能過度提高吸能盒的吸能效率，應(yīng)合理地控制一階加速度a1的大小。為了驗證上述思路的正確性，基于某實車50 km/h FRB 波形，按文中所述思路進(jìn)行了分析，得到一階加速度a1與乘員胸部壓縮量的關(guān)系，如圖18 所示。結(jié)果表明，50 km/h 正面碰撞，在動態(tài)位移D不變的情況下，a1加速度由低到高存在一個最適加速度水平，仿真中該水平維持在147.15m/s2左右。在該水平胸部位移達(dá)到最小值，繼續(xù)增加或減小a1，胸部位移都有明顯增加的趨勢。以不同的碰撞速度進(jìn)行分析，如表3 所示，都驗證了在車體結(jié)構(gòu)設(shè)計時，在動態(tài)位移D不變的情況下，不能過度提高一階加速度a1，應(yīng)尋找最優(yōu)a1設(shè)計方案，結(jié)論具有較好的適用范圍。

表3 不同碰撞工況下車體結(jié)構(gòu)設(shè)計OLC 拐點

圖18 50 km/h 不同車體結(jié)構(gòu)設(shè)計下OLC 與胸部壓縮量

在上述結(jié)論中，前提條件是動態(tài)位移D不能改變，動態(tài)位移D主要由前機(jī)艙吸能空間（前吸能空間+后吸能空間）和前圍變形組成，在進(jìn)行車體結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計時，吸能空間一般是固定不變的，而前圍變形也是被約束的，過大會造成乘員生存空間變小，帶來其他的乘員傷害風(fēng)險。吸能空間和前圍變形，不同的主機(jī)廠都有相應(yīng)的設(shè)計要求，至于如何在造型、車長、軸距等條件約束下，基于正向設(shè)計思路得到合理設(shè)計目標(biāo)，是另外需要研究的問題。

5.2 拐點現(xiàn)象車體結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計應(yīng)用

在某車型進(jìn)行2021 版C-NCAP 50 km/h FRB 工況設(shè)計時，基于已確定的吸能空間及FRB 工況下前圍侵入量的標(biāo)準(zhǔn)，開展一階加速度a1的“最優(yōu)設(shè)計”，如圖18 所示，并確定一階加速度a1應(yīng)設(shè)計在147.15～156.96 m/s2的水平，最終通過約束系統(tǒng)仿真模型的預(yù)測，在平臺化約束系統(tǒng)配置下，乘員的胸部壓縮量水平為26.3 mm，見表4。

表4 平臺化約束參數(shù)下車體結(jié)構(gòu)設(shè)計目標(biāo)

為了控制一階加速度的水平，車體結(jié)構(gòu)設(shè)計方案從吸能盒長度、剛度、截面等方面進(jìn)行了優(yōu)化設(shè)計。此外，也通過縱梁優(yōu)化，匹配了前后剛度，控制了中后段的變形模式及時間，確保吸能盒吸能的穩(wěn)定性。

6 結(jié)論

（1）研究了基于位移域的車體加速度等效二階波簡化，可以將車體結(jié)構(gòu)設(shè)計目標(biāo)分解為一階加速度a1、二階加速度a2和動態(tài)位移D，較好地體現(xiàn)了能量守恒原則及碰撞過程車體結(jié)構(gòu)變形的過程。

（2）研究了不同碰撞工況下乘員載荷準(zhǔn)則OLC與一階加速度a1、二階加速度a2、動態(tài)位移D的關(guān)聯(lián)性：動態(tài)位移D不變，一階加速度a1增加，OLC呈現(xiàn)先增加后降低的趨勢，存在明顯拐點；一階加速度a1不變，D增加，OLC 呈現(xiàn)降低趨勢。結(jié)論具有較好的普適性。

（3）研究了乘員載荷準(zhǔn)則OLC 與乘員損傷的關(guān)聯(lián)性量化：不同情況下，OLC 與胸部壓縮量呈現(xiàn)高度的正相關(guān)，相關(guān)系數(shù)在0.95 以上。

（4）本文也存在一定的不足，研究內(nèi)容僅限于全正面碰撞工況，對偏置碰撞工況下的車體結(jié)構(gòu)設(shè)計指導(dǎo)意義未知。同時OLC 出現(xiàn)拐點的理論基礎(chǔ)沒有做出解釋，需進(jìn)一步研究。