基于正面碰撞的客車(chē)備胎支架優(yōu)化

王 煜

(安徽安凱汽車(chē)股份有限公司， 合肥 230051)

備胎支架即固定備胎的裝置，其基本作用是使備胎固定不發(fā)生脫落，同時(shí)有足夠的剛度和強(qiáng)度[1]，要求結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、安全、可靠。本文所述的客車(chē)備胎支架設(shè)計(jì)在底架前端，除了要滿足以上基本作用外，為提高客車(chē)被動(dòng)安全性，還考慮其在客車(chē)發(fā)生正面碰撞時(shí)起到的被動(dòng)安全作用[2-3]。本文利用LS_DYNA對(duì)客車(chē)進(jìn)行正面碰撞仿真模擬，重點(diǎn)評(píng)估備胎支架在客車(chē)正面碰撞過(guò)程中起到的被動(dòng)安全作用，并結(jié)合客車(chē)本身結(jié)構(gòu)特點(diǎn)提出相應(yīng)的優(yōu)化方案。

1 仿真模型建立及邊界條件設(shè)置

1.1 仿真模型建立

根據(jù)CAE模型簡(jiǎn)化原則，對(duì)該客車(chē)的三維數(shù)模進(jìn)行相應(yīng)簡(jiǎn)化，然后進(jìn)行前處理網(wǎng)格劃分[4-5]。

本文主要研究對(duì)象是備胎支架，網(wǎng)格劃分時(shí)需詳細(xì)些，其結(jié)構(gòu)如圖1所示。備胎支架結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單且規(guī)則，有限元建模采用抽取中面后對(duì)其進(jìn)行類型為shell的2D單元的網(wǎng)格劃分，檢查網(wǎng)格質(zhì)量滿足標(biāo)準(zhǔn)后進(jìn)行連接處理。同側(cè)U型管之間、U型管與封板之間均采用共節(jié)點(diǎn)融合方式進(jìn)行連接，矩形管橫梁與U型管之間均采用1D剛性單元RigidBody進(jìn)行連接[6]。網(wǎng)格連接完成后進(jìn)行材料與屬性的賦予，其中U型管和封板的材料為510L鋼，矩形管橫梁為Q345鋼。

圖1 備胎支架結(jié)構(gòu)

除去備胎支架后的整車(chē)骨架中，對(duì)于厚度小于10 mm的矩形管和鋼板采用2D殼單元網(wǎng)格劃分，對(duì)于厚度大于10 mm的則采用類型為solid的3D實(shí)體單元網(wǎng)格劃分。動(dòng)力總成、前橋、后橋、空調(diào)等較復(fù)雜的裝配部件采用表面網(wǎng)格劃分，然后進(jìn)行厚度中心偏置。因本文主要研究備胎支架的設(shè)計(jì)合理性，故內(nèi)外蒙皮、玻璃、座椅等對(duì)其影響較小的部件不作網(wǎng)格劃分處理，在隨后的整車(chē)配重中均以集中質(zhì)量點(diǎn)代替。

整車(chē)骨架中，矩形管拼接為“T”型的主要采用共節(jié)點(diǎn)融合連接方式；不能形成“T”型拼接的如平行并管則采用1D剛性單元RigidBody連接；矩形管與鋼板之間連接采用1D_spot中的beam單元，類型為mat100。各零部件之間的運(yùn)動(dòng)副采用與實(shí)際運(yùn)動(dòng)狀態(tài)一致的鉸鏈進(jìn)行連接；動(dòng)力總成、前后橋、空調(diào)、前中門(mén)等主要裝配部件與整車(chē)骨架利用關(guān)鍵字*CONSTRAINED_RIGID_BODIES進(jìn)行連接[7]。

將劃分好的備胎支架網(wǎng)格和整車(chē)骨架網(wǎng)格按結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)連接為一個(gè)整體后，對(duì)于內(nèi)外飾、電器等零部件采用在骨架上均布質(zhì)量點(diǎn)的方式進(jìn)行配重，對(duì)于動(dòng)力總成、前后橋、空調(diào)等裝配部件采用集中質(zhì)量點(diǎn)的方式進(jìn)行配重，最終使得整車(chē)有限元模型與實(shí)際車(chē)輛的重量相等，且質(zhì)心一致。包含備胎支架的整車(chē)骨架有限元模型如圖2所示。

圖2 包含備胎支架的整車(chē)骨架有限元模型

1.2 邊界條件設(shè)置

在客車(chē)正面碰撞仿真模擬中建立壁障及地面，類型均選擇RWPlanar[8]。為減少計(jì)算時(shí)間，壁障建立在車(chē)輛正前方10 mm處。為避免計(jì)算過(guò)程中出現(xiàn)穿透現(xiàn)象，需對(duì)整車(chē)相鄰結(jié)構(gòu)定義接觸設(shè)置： *CONTACT_AUTOMATIC_SINGLE_SURFACE關(guān)鍵字進(jìn)行整車(chē)自接觸定義，整車(chē)與剛性墻及地面用*CONTACT_AUTOMATIC_SURFACE_TO_SURFACE關(guān)鍵字進(jìn)行面對(duì)面接觸定義[9]。根據(jù)《客車(chē)前部結(jié)構(gòu)強(qiáng)度要求及試驗(yàn)方法》征求意見(jiàn)稿，設(shè)定客車(chē)以30 km/h的速度撞擊剛性墻。為使整車(chē)與剛性墻充分碰撞，同時(shí)需要看到反彈狀態(tài)，設(shè)置碰撞計(jì)算時(shí)間為200 ms。每一步輸出動(dòng)畫(huà)的時(shí)間步長(zhǎng)為2 ms。其余控制卡片按一般碰撞標(biāo)準(zhǔn)設(shè)置[10]。

2 仿真模擬及結(jié)果分析

有限元模型建立及邊界條件設(shè)置完成后，利用LS_DYNA求解器進(jìn)行求解計(jì)算。計(jì)算完成后，首先查看各能量曲線以及質(zhì)量增加曲線，以檢查該仿真結(jié)果是否可信。經(jīng)查看能量曲線圖得知，總能量曲線穩(wěn)定，基本保持不變，滿足能量守恒定律，沙漏能和滑移能均小于總能量的5%，質(zhì)量增加小于總質(zhì)量的5%，由此判斷該仿真結(jié)果可信[11]。

打開(kāi)結(jié)果文件d3plot，查看客車(chē)碰撞過(guò)程中的動(dòng)畫(huà)效果，發(fā)現(xiàn)客車(chē)在發(fā)生碰撞后130 ms時(shí)，開(kāi)始出現(xiàn)反彈現(xiàn)象。圖3為碰撞0 ms和130 ms時(shí)備胎支架的狀態(tài)。由圖3(b)可以看出，碰撞后備胎支架U型管Ⅰ和U型管Ⅱ連接處向下變形嚴(yán)重，甚至觸及地面，未能起到緩沖以及結(jié)構(gòu)加強(qiáng)的作用，結(jié)構(gòu)也被破壞，不符合設(shè)計(jì)要求。

(a) 碰撞0 ms

(b) 碰撞130 ms

企業(yè)標(biāo)準(zhǔn)對(duì)駕駛員傷害值有要求，原始結(jié)構(gòu)傷害值指標(biāo)見(jiàn)表1中“優(yōu)化前”的值，優(yōu)化前駕駛員頭部、頸部、大腿傷害值均符合要求，胸部加速度稍大于規(guī)定的最大值30g。另外，本企業(yè)標(biāo)準(zhǔn)對(duì)前圍擋板與駕駛員膝蓋的X方向距離L1及方向盤(pán)中心與駕駛員腹部的X方向距離L2的最小值也有相應(yīng)規(guī)定。經(jīng)仿真L1、L2最小值分別是259 mm和141 mm，滿足企業(yè)標(biāo)準(zhǔn)對(duì)駕駛員空間的要求。原空間指標(biāo)見(jiàn)圖4中的“優(yōu)化前”曲線。

表1 優(yōu)化前后駕駛員傷害值仿真分析結(jié)果對(duì)比

圖4 優(yōu)化前后L1、L2對(duì)比

3 優(yōu)化措施及效果

根據(jù)設(shè)計(jì)要求，備胎支架除具有放置固定備胎的基本作用外，在客車(chē)發(fā)生正面碰撞后還應(yīng)起到緩沖吸能，實(shí)現(xiàn)對(duì)駕乘人員的保護(hù)作用。

由于該客車(chē)備胎支架橫梁Ⅰ與駕駛員放腳的區(qū)域幾乎在同一垂直面上的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)，所以提出設(shè)計(jì)要求：

1) 備胎支架橫梁Ⅰ前部在客車(chē)發(fā)生正面碰撞后應(yīng)迅速潰縮，一是起到緩沖吸能的作用；二是考慮到備胎具有較大的彈性。當(dāng)備胎支架前部潰縮后，使得備胎能迅速與障礙物接觸，從而進(jìn)一步起到緩沖吸能的作用。

2) 備胎支架橫梁Ⅰ后部在客車(chē)發(fā)生正面碰撞后，應(yīng)盡量保持結(jié)構(gòu)完整，減少結(jié)構(gòu)破壞，降低人員的傷害。

以上仿真結(jié)果中出現(xiàn)的備胎支架U型管Ⅰ和Ⅱ連接處在碰撞過(guò)程中向下變形嚴(yán)重，甚至與地面發(fā)生了干涉。這會(huì)導(dǎo)致碰撞發(fā)生后潰縮不足，緩沖吸能作用較小，且造成了結(jié)構(gòu)的破壞。原因有兩個(gè)：一是備胎支架U型管及封板所用的510L材料剛度強(qiáng)度過(guò)大；二是兩U型管連接處結(jié)構(gòu)薄弱。

根據(jù)備胎支架前后兩部分的不同作用，分別進(jìn)行優(yōu)化：

1) 備胎支架前部?jī)?yōu)化。前部進(jìn)行緩沖吸能優(yōu)化，此優(yōu)化主要從前部U型管和封板入手：一是將材料全部由510L更換為剛度、強(qiáng)度較小的Q235[12]；二是將兩根U型管Ⅰ的側(cè)面均開(kāi)3個(gè)直徑為40 mm的孔；三是將U型管Ⅰ的封板厚度由4 mm改為3 mm。

2) 備胎支架后部?jī)?yōu)化。備胎支架后部進(jìn)行結(jié)構(gòu)加強(qiáng)優(yōu)化，主要通過(guò)在備胎支架橫梁Ⅰ與橫梁Ⅱ之間增加斜撐來(lái)加強(qiáng)其結(jié)構(gòu)；并且在U型管Ⅰ和Ⅱ的連接處內(nèi)側(cè)增加厚度為2 mm的加強(qiáng)板，對(duì)連接處結(jié)構(gòu)加強(qiáng)。優(yōu)化后的備胎支架如圖5(a)所示。備胎支架優(yōu)化后再次進(jìn)行相同工況的客車(chē)正面碰撞仿真，在發(fā)生碰撞后130 ms時(shí)備胎支架的狀態(tài)如圖5(b)所示。

(a) 優(yōu)化后備胎支架

(b) 碰撞130 ms時(shí)備胎支架狀態(tài)

經(jīng)測(cè)量，U型管Ⅰ潰縮距離由優(yōu)化前的209.97 mm增加到優(yōu)化后的394.17 mm，潰縮量接近優(yōu)化前的2倍，潰縮吸能效果明顯增強(qiáng)。同時(shí)由圖5看出碰撞中備胎支架后部結(jié)構(gòu)基本無(wú)變形，滿足設(shè)計(jì)要求。

對(duì)該優(yōu)化方案的客車(chē)駕駛員安全空間也進(jìn)行仿真分析得知，前圍擋板與駕駛員膝蓋的X方向距離L1最小值為282 mm，方向盤(pán)中心與駕駛員腹部的直線距離L2最小值為195 mm。優(yōu)化后L1、L2對(duì)比如圖4中的相關(guān)曲線所示。

該優(yōu)化方案對(duì)應(yīng)駕駛員頭部的HIC值、胸部加速度以及大腿作用力均降低，且胸部加速度達(dá)到標(biāo)準(zhǔn)要求，具體傷害值見(jiàn)表1，故該優(yōu)化方案可行。

4 結(jié)束語(yǔ)

隨著對(duì)客車(chē)設(shè)計(jì)要求的不斷提高，許多設(shè)計(jì)構(gòu)造已經(jīng)不限于本身的基本作用，如本文所研究的客車(chē)備胎支架不單單只為放置固定備胎，而且要考慮到其能發(fā)揮被動(dòng)安全性的作用。本文只針對(duì)備胎支架的被動(dòng)安全性進(jìn)行分析優(yōu)化，未涉及到整車(chē)輕量化等其他領(lǐng)域，存在一定的不足，但這種全局化的客車(chē)設(shè)計(jì)思路正逐步被客車(chē)企業(yè)接受。