車(chē)身前艙正面碰撞路徑的精益化設(shè)計(jì)

李明陽(yáng)，張海華， 李旭

(泛亞汽車(chē)技術(shù)中心有限公司，上海 201208)

0 引言

最近國(guó)家統(tǒng)計(jì)局公布了2019年汽車(chē)制造業(yè)的營(yíng)收信息，相比2018年的汽車(chē)市場(chǎng)， 2019年?duì)I業(yè)收入同比下降了1.8%，利潤(rùn)總額同比下降高達(dá)15.9%，雖然中國(guó)經(jīng)濟(jì)受全球貿(mào)易摩擦以及2020年新冠疫情的影響，經(jīng)濟(jì)增長(zhǎng)放緩，但是受到二胎政策以及三四線城市對(duì)汽車(chē)的需求，中國(guó)仍將是全球最大的汽車(chē)市場(chǎng)[1]。中國(guó)新車(chē)型評(píng)估體系(China New Car Assistant Program,CNCAP) 結(jié)合了中國(guó)自身的汽車(chē)技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)和經(jīng)濟(jì)發(fā)展?fàn)顩r為消費(fèi)者提供了直觀的汽車(chē)安全信息。

在各種交通道路事故中，汽車(chē)的碰撞類(lèi)型主要可分為：正面碰撞、追尾碰撞、側(cè)面碰撞、翻滾，通過(guò)美國(guó)公路交通安全管理局對(duì)這些碰撞的分析，正面碰撞事故率為49%，在所有碰撞事故中位居第一位[2]。車(chē)身作為汽車(chē)上最重要的結(jié)構(gòu)件，給乘客提供了必要的乘坐駕駛空間，在發(fā)生碰撞時(shí)也可以給予乘客一定的保護(hù)。前艙位于車(chē)身的前端，不但為整車(chē)的動(dòng)力系統(tǒng)及其子系統(tǒng)提供了安裝空間，同時(shí)也具有吸收和傳遞碰撞能力的功能，因此針對(duì)正面碰撞，車(chē)身前艙碰撞路徑的設(shè)計(jì)具有非常重要的意義。C-NCAP中正面碰撞對(duì)應(yīng)的車(chē)身模擬分析指標(biāo)為防火墻腳踏板處結(jié)構(gòu)入侵值以及B柱下方的等效加速度，文中研究了精益化設(shè)計(jì)路徑的入侵值和等效加速度[3]。

1 碰撞路徑的設(shè)計(jì)

前艙是整車(chē)架構(gòu)中最為重要的部分之一，起到吸收和傳遞碰撞能量等作用，因此車(chē)身前艙碰撞路徑的設(shè)計(jì)對(duì)于車(chē)輛正面碰撞，有著舉足輕重的意義。

圖1 前艙車(chē)身正碰傳遞路徑

圖2 白車(chē)身載荷分布

在正碰路徑設(shè)計(jì)過(guò)程中，理想的前縱梁變形模式分為3個(gè)部分:潰縮變形區(qū)、折彎區(qū)、控制向上扭轉(zhuǎn)區(qū)。圖3中A為吸收碰撞能量的潰縮變形區(qū)，B為保護(hù)發(fā)動(dòng)機(jī)的折彎區(qū)，C為保護(hù)乘客的控制向上扭矩區(qū)。其中碰撞過(guò)程中的主要能量，通過(guò)前縱梁前端潰縮變形區(qū)的塑性變形來(lái)吸收，同時(shí)潰縮區(qū)的塑性變形也可以減少等效加速度對(duì)乘客艙的沖擊，基于以上需求潰縮區(qū)需要設(shè)計(jì)成為具有一定剛度的結(jié)構(gòu)路徑；由于在分析模型中發(fā)動(dòng)機(jī)被視為剛體，而防火墻的剛度較低，為了防止發(fā)動(dòng)機(jī)侵入乘員艙，折彎區(qū)需要設(shè)計(jì)成具有較高剛度的結(jié)構(gòu)路徑；控制向上扭轉(zhuǎn)區(qū)可以保護(hù)乘客在艙內(nèi)的安全，防止碰撞過(guò)程中發(fā)動(dòng)機(jī)侵入乘客艙侵害到乘客，在設(shè)計(jì)此區(qū)域時(shí)應(yīng)使碰撞中產(chǎn)生的力在前縱梁平直段尾端向下傳遞。

圖3 前縱梁傳遞力示意

2 傳力路徑的精益化設(shè)計(jì)

前艙是正碰過(guò)程中主要的吸能區(qū)，強(qiáng)度很高的前縱梁結(jié)構(gòu)會(huì)使等效加速度變大，而強(qiáng)度較低的前縱梁結(jié)構(gòu)無(wú)法起到力的傳遞和吸收，因此傳遞路徑的主體零件材料采用高強(qiáng)鋼代替軟鋼以及超高強(qiáng)鋼。高強(qiáng)鋼不但可以提高車(chē)身的耐撞性，而且可以有效地減小碰撞過(guò)程中的變形，根據(jù)實(shí)際數(shù)據(jù)分析高強(qiáng)鋼吸收能量是普通鋼的1.6～2.0倍[4]。一般提高強(qiáng)度的方法有3種：增加材料的厚度會(huì)導(dǎo)致成本費(fèi)用以及質(zhì)量的增加，又由于鈑金件之間的不同料厚搭配會(huì)影響焊接質(zhì)量，因此增加整體料厚往往也會(huì)影響與之焊接的零件；而提高材料等級(jí)僅對(duì)成本有影響，對(duì)質(zhì)量影響較小；而在局部進(jìn)行結(jié)構(gòu)加強(qiáng)時(shí)，可以減少對(duì)其他零件的焊接影響，對(duì)費(fèi)用以及質(zhì)量的影響也會(huì)降到最低。因此通過(guò)局部增加加強(qiáng)件以及更改材料屬性的精益化方法，優(yōu)化出滿足C-NCAP五星正面碰撞精益化路徑。

如圖4根據(jù)C-NCAP五星正碰需求，此前縱梁內(nèi)部采用高強(qiáng)鋼鈑金以及超高鋼鈑金進(jìn)行局部結(jié)構(gòu)加強(qiáng)，同時(shí)提高部分材料等級(jí)。圖4為白車(chē)身碰撞路徑上主體零件的分布，可以看出前縱梁材料大部分采用高強(qiáng)鋼，部分加強(qiáng)件為超高強(qiáng)鋼。前縱梁中前端主體件采用了高強(qiáng)板以便吸收能量，同時(shí)防止前縱梁大面積潰縮。前縱梁前端增加了精益化高強(qiáng)鋼加強(qiáng)板，主要是在保證前縱梁前端發(fā)生潰縮變形的同時(shí)，吸收足夠的能量，減少碰撞力對(duì)乘員艙的沖擊。而在前縱梁的中部，設(shè)計(jì)增加了一段超高鋼的加強(qiáng)板，這塊區(qū)域?yàn)榘l(fā)動(dòng)機(jī)的懸置區(qū)，而高強(qiáng)度結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)可以保證發(fā)動(dòng)機(jī)的穩(wěn)定性，防止發(fā)動(dòng)機(jī)的破損以及對(duì)乘員艙的侵入。在前縱梁與Kick down的連接區(qū)域，為了使此區(qū)域也具有高強(qiáng)度結(jié)構(gòu)，設(shè)計(jì)增加了一段超高強(qiáng)鋼的加強(qiáng)板，同時(shí)Kick down也采用了超高強(qiáng)鋼保證此處的高強(qiáng)度結(jié)構(gòu)，以防止碰撞力對(duì)乘員艙的沖擊，確保此處不會(huì)發(fā)生潰縮并把碰撞力分散到后部車(chē)身。相比于整體料厚的增加，設(shè)計(jì)大量采取了加強(qiáng)板并對(duì)局部零件進(jìn)行材料屬性優(yōu)化，以達(dá)到精益化設(shè)計(jì)目的。圖4(a) 前縱梁尾端采用分片形式，Kick down以及延伸件分別采用了1.6 mm以及0.8 mm厚度設(shè)計(jì)，是在滿足碰撞需求的同時(shí)，達(dá)到成本最優(yōu)。

圖4 主體零件分布

圖4(b)為高強(qiáng)鋼以及超高強(qiáng)鋼在前艙鈑金件的應(yīng)用，為了保護(hù)乘員艙及分散力碰撞力，在防火墻處分別設(shè)計(jì)增加了超高強(qiáng)鋼加強(qiáng)板及橫梁。由于正碰過(guò)程中，前艙內(nèi)的發(fā)動(dòng)機(jī)等剛性零件會(huì)在碰撞后產(chǎn)生向后的位移，這些向后移動(dòng)的零件會(huì)推動(dòng)乘客艙內(nèi)的Dog house、Brake系統(tǒng)等發(fā)生移動(dòng)，可能會(huì)危及到乘客艙的安全，因此這些超高強(qiáng)鋼加強(qiáng)件的存在，會(huì)有效地抵抗二次碰撞對(duì)乘客的傷害。

前縱梁作為正碰傳力路徑中最重要的零件，為了達(dá)到碰撞路徑精益化設(shè)計(jì)的目的，在前縱梁內(nèi)外板上設(shè)計(jì)了不同方向的加強(qiáng)筋(圖5)。其中X向加強(qiáng)筋可以提高零件的強(qiáng)度，而Z向加強(qiáng)筋能夠改變路徑力的傳遞方向，起到誘導(dǎo)槽的作用。在前縱梁內(nèi)側(cè)和外側(cè)的Z向加強(qiáng)筋，可以使零件在此處發(fā)生向下的彎曲，在改變力對(duì)乘客艙作用的同時(shí)，也能充分吸收更多的能量，以便保護(hù)乘客艙，使前縱梁按照理想狀態(tài)進(jìn)行彎曲。而且當(dāng)前縱梁承受的力達(dá)到一定程度時(shí)，如果不進(jìn)行正確的引導(dǎo)，局部會(huì)產(chǎn)生失穩(wěn)現(xiàn)象。

圖5 前縱梁加強(qiáng)筋分布

3 結(jié)果分析

在交通事故中存在著各種各樣的碰撞形式，正面碰撞一般通過(guò)正面100%重疊剛性壁障和正面40%重疊可變形壁障碰撞兩種方法考察車(chē)輛的安全性[5]，這兩種模擬實(shí)驗(yàn)相互補(bǔ)充，無(wú)法互相取代，只有這兩種實(shí)驗(yàn)同時(shí)驗(yàn)證，才能更全面地驗(yàn)證車(chē)輛的安全性。

文中將設(shè)計(jì)的精益化碰撞路徑導(dǎo)入整車(chē)模型中，進(jìn)行正面100%重疊剛性壁障和正面40%重疊可變形壁障碰撞工況實(shí)驗(yàn)仿真分析，如圖6所示，從兩種工況的模擬結(jié)果可以看出，前縱梁前端發(fā)生潰縮，中段發(fā)生彎曲，這是理想的漸進(jìn)性變形模式，可以使得前縱梁在有限的變形內(nèi)，吸收更多的能量，以便更好地保護(hù)發(fā)動(dòng)機(jī)艙。相比于其他車(chē)身采用，前縱梁初始厚度為1.8 mm[6],而此前艙傳遞路徑，主體零件的平均厚度僅為1.4 mm，且通過(guò)在關(guān)鍵部位設(shè)計(jì)加強(qiáng)板的方式，設(shè)計(jì)出了精益化前艙碰撞路徑并得到理想的正碰模擬結(jié)果。

圖6 不同工況下的模擬仿真

在正面碰過(guò)程中，C-NCAP 五星碰撞對(duì)假人傷害值有嚴(yán)格的控制要求，轉(zhuǎn)化為車(chē)身仿真模擬指標(biāo)為防火墻腳踏板區(qū)域變形量小于100 mm(C-NCAP管理規(guī)則)以及B柱位置下方的等效加速度小于一定值，而碰撞后車(chē)門(mén)能否正常開(kāi)啟是判斷車(chē)輛安全性能的重要指標(biāo)之一。經(jīng)過(guò)模擬分析此車(chē)B柱位置下方的等效加速度滿足對(duì)五星碰撞對(duì)車(chē)身的要求。從圖(a)和(c)120 s的100%重疊剛性壁障仿真結(jié)果可知A柱和門(mén)檻無(wú)變化，從圖(b)和(d)120 s的40%重疊可變形壁障碰撞仿真結(jié)果，可知A柱有18 mm變形量，但門(mén)檻未發(fā)生變形，因此無(wú)論進(jìn)行正面100%重疊剛性壁障和正面40%重疊可變形壁障碰撞，在碰撞過(guò)程中以及碰撞結(jié)束后，車(chē)身都能保障汽車(chē)車(chē)門(mén)可以打開(kāi)。且從圖(c)和(d)中，可以得出腳踏板區(qū)域，100%重疊剛性壁障的侵入量最大為28 mm，正面40%重疊可變形壁障碰撞最大侵入量為74 mm，都滿足五星碰撞對(duì)車(chē)身的要求。前艙正面碰撞路徑的精益化設(shè)計(jì)，能夠滿足C-NCAP五星碰撞需求，且精益化設(shè)計(jì)對(duì)乘客艙起到了很好地保護(hù)。

圖7 仿真分析結(jié)果

4 結(jié)論

文中通過(guò)介紹正面碰撞前艙理想變形模式-漸變式變形，采用碰撞路徑的主體件使用高強(qiáng)鋼，前縱梁前端增加高強(qiáng)鋼加強(qiáng)件，前縱梁中部、尾部以及防火墻上增加超高強(qiáng)鋼加強(qiáng)件的方法，再配合誘導(dǎo)筋的設(shè)計(jì)，設(shè)計(jì)出一條精益化前艙碰撞路徑。針對(duì)此碰撞路徑進(jìn)行正面100%重疊剛性壁障和正面40%重疊可變形壁障碰撞模擬，結(jié)果表明此碰撞路徑滿足C-NCAP五星碰撞需求。