汽車(chē)前保各因素對(duì)碰撞吸能的影響及優(yōu)化

徐 寬，王秋雨，呂 浩，趙 光,程加遠(yuǎn)

(1.河鋼集團(tuán)唐鋼公司技術(shù)中心, 河北 唐山 063016；2.燕山大學(xué)國(guó)家冷軋板帶裝備及工藝工程技術(shù)研究中心,河北 秦皇島 066004)

0 前言

隨著社會(huì)的發(fā)展，汽車(chē)作為主要的出行工具，汽車(chē)保有量的不斷提升。根據(jù)中國(guó)汽車(chē)工業(yè)協(xié)會(huì)的數(shù)據(jù)，2000年時(shí)，中國(guó)汽車(chē)的銷(xiāo)售量?jī)H為210萬(wàn)輛，而當(dāng)2017年時(shí)，中國(guó)汽車(chē)銷(xiāo)售量達(dá)到2 915萬(wàn)輛。汽車(chē)保有量的提升在帶來(lái)社會(huì)經(jīng)濟(jì)效益以及便利的同時(shí)，伴隨而來(lái)的是環(huán)境與能源問(wèn)題也隨之日益嚴(yán)峻。研究表明，整車(chē)質(zhì)量的降低可有效降低碳排放及能源消耗[1]，因此國(guó)內(nèi)外研究機(jī)構(gòu)都將汽車(chē)輕量化技術(shù)研究作為重點(diǎn)研究項(xiàng)目。根據(jù)數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)，我國(guó)汽車(chē)碰撞事故占總事故數(shù)的32%，是導(dǎo)致事故死亡人數(shù)最多的原因。前保系統(tǒng)是正面碰撞發(fā)生時(shí)汽車(chē)首先受到?jīng)_擊的部分，其主要由保險(xiǎn)杠和吸能盒組成[2]。汽車(chē)前保系統(tǒng)在正面碰撞具有極其重要的作用，其性能優(yōu)劣直接影響對(duì)車(chē)身和成員的保護(hù)效果[3]。因此，在保證汽車(chē)碰撞安全性的前提下，對(duì)汽車(chē)輕量化進(jìn)行研究十分重要。

目前，對(duì)汽車(chē)前保的輕量化研究主要集中在新材料替換、基于仿真結(jié)果改進(jìn)以及拓?fù)鋬?yōu)化等方面[4-6]，并取得許多十分重要的成果。徐中明等人使用鋁合金材料代替鋼材制造前保，其鋁合金前保方案較鋼制前保方案減重31%，且正面100%重疊碰撞工況下總吸能增加7.2%[4]。李鳳宸等人對(duì)汽車(chē)前保險(xiǎn)杠及吸能盒進(jìn)行碰撞仿真，并通過(guò)hyperstudy對(duì)其進(jìn)行優(yōu)化，其優(yōu)化后的保險(xiǎn)杠系統(tǒng)質(zhì)量降低了9.6%，縱梁前端截面力峰值略有降低，保險(xiǎn)杠系統(tǒng)吸能略有增加，整車(chē)碰撞的安全性沒(méi)有下降[5]。何濤等人基于拓?fù)鋬?yōu)化方法對(duì)重型卡車(chē)前保險(xiǎn)杠進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)，其優(yōu)化設(shè)計(jì)后的前保險(xiǎn)杠重量明顯下降，結(jié)構(gòu)剛度、吸能效果等均達(dá)到安全要求[6]。這些研究成果為指導(dǎo)前保的優(yōu)化設(shè)計(jì)及進(jìn)一步研究十分重要的基礎(chǔ)。然而，由于研究側(cè)重不同，很少有學(xué)者研究汽車(chē)前保各部件的材料及厚度對(duì)前保吸能的影響并依此為依據(jù)進(jìn)行前保輕量化工作。

本文基于有限元計(jì)算前保碰撞吸能，采用正交實(shí)驗(yàn)法，以前保正面低速碰撞吸能作為性能指標(biāo)，利用極差分析和方差分析，研究汽車(chē)前保各部件材料及厚度對(duì)其性能指標(biāo)的影響。最后，基于各因素對(duì)吸能的影響，綜合分析得到汽車(chē)前保優(yōu)化方案。

1 碰撞模型

碰撞過(guò)程屬于動(dòng)態(tài)大位移和大變形問(wèn)題，對(duì)于大變形問(wèn)題，目前主要采用更新拉格朗日算法模型[7]。更新拉格朗日算法模型為

(1)任一質(zhì)點(diǎn)的運(yùn)動(dòng)軌跡方程

xi=xi(Xj,t) (i,j=1,2,3)

(1)

式中，Xj為質(zhì)點(diǎn)的初始位置。

(2)任意時(shí)刻質(zhì)點(diǎn)X的空間坐標(biāo)為

xi(Xj,t)=NiXIi(t)

(2)

式中，NI為節(jié)點(diǎn)I的形函數(shù)。

ui(X,t)=xi(X,t)-Xi=NI(X)uiI(t)

(3)

式中，uiI為節(jié)點(diǎn)I的位移。

同理，單元內(nèi)任一點(diǎn)的速度、加速度、變形率和虛速度為

(4)

式中，BI為拉普拉斯變換式；Dij為變形率；δvi為質(zhì)點(diǎn)X的虛速度；δviI為節(jié)點(diǎn)I的虛速度。

t0時(shí)刻的初始條件為

(5)

動(dòng)量守恒方程為

(6)

滿足以下邊界條件:

(1)應(yīng)力邊界條件。

(7)

(2)位移邊界條件。

(8)

式中，σij為歐拉應(yīng)力；ρ為現(xiàn)時(shí)構(gòu)形中的介質(zhì)密度；bi為作用于單位質(zhì)量上的應(yīng)力。

取虛速度為加權(quán)系數(shù)，通過(guò)加權(quán)余量法及分步積分，式(6)可寫(xiě)為

(9)

式中，v為瞬時(shí)速度；ti為面力；dA為物質(zhì)面元。

將式(4)寫(xiě)為矩陣形式，并帶入式(9)中，可得動(dòng)力學(xué)微分方程

(10)

2 汽車(chē)前保模型

圖1為汽車(chē)前保模型，其由保險(xiǎn)杠和吸能盒組成。為便于區(qū)分組成汽車(chē)前保的各個(gè)零件，在圖1中分別對(duì)各個(gè)零件進(jìn)行命名。計(jì)算中所需參數(shù)見(jiàn)表1。

圖1 汽車(chē)前保模型

表1 計(jì)算參數(shù)

碰撞過(guò)程中，前保吸能盒底部約束全部自由度，剛性墻以恒定速度10 m/s與前保發(fā)生碰撞。圖2為汽車(chē)前保碰撞過(guò)程中各時(shí)刻的變形情況。圖3為剛性墻力-時(shí)間曲線。

圖2 汽車(chē)前保碰撞過(guò)程變化情況

圖3 剛性墻力-時(shí)間曲線

由圖2和圖3可知，碰撞開(kāi)始后5 ms時(shí)，前保外橫梁中部首先與剛性墻接觸，后發(fā)生變形，變形過(guò)程中力由下橫梁傳遞給吸能盒，但由于此時(shí)碰撞侵入量較小，侵入能主要由前保外橫梁吸收，前保整體受力較小。碰撞開(kāi)始后10 ms時(shí)，剛性墻侵入量增加，前保外橫梁變形量基本達(dá)到最大，吸能盒上部和下橫梁發(fā)生變形，以吸收侵入能。碰撞開(kāi)始后15 ms時(shí)，前保下橫梁變形量基本達(dá)到最大，吸能盒上部變形量增大，此時(shí)侵入能主要由吸能盒吸收。碰撞開(kāi)始后20 ms時(shí)碰撞結(jié)束，吸能盒變形基本達(dá)到最大，前?；颈粔簼?，此時(shí)應(yīng)為前保變形吸能最大位置。由此可發(fā)現(xiàn)，碰撞過(guò)程中汽車(chē)前保各部件所承擔(dān)的功能不一，且碰撞過(guò)程中變形情況也各有差異。因此，各部件對(duì)汽車(chē)前保的影響也存在差異。

為進(jìn)一步研究汽車(chē)前保中各因素對(duì)碰撞吸能的影響，設(shè)計(jì)正交實(shí)驗(yàn)分析各因素對(duì)碰撞吸能的影響。正交實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)為8因素2水平1中心點(diǎn)如表2所示。

表2 正交實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)表

3 結(jié)果與分析

完成正交實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)的仿真方案，對(duì)仿真數(shù)據(jù)進(jìn)行計(jì)算處理，計(jì)算其標(biāo)準(zhǔn)化效應(yīng)，所得結(jié)果如圖4所示。

圖4 標(biāo)準(zhǔn)化效應(yīng)

由圖4可知，內(nèi)吸能盒的材料及厚度和外吸能盒的材料及厚度對(duì)前保系統(tǒng)吸能存在顯著影響，而其他因素對(duì)前保系統(tǒng)吸能的影響不顯著。因此，汽車(chē)前保的輕量化，應(yīng)重點(diǎn)關(guān)注內(nèi)吸能盒和外吸能盒的材料及厚度。為進(jìn)一步研究各因素對(duì)汽車(chē)前保系統(tǒng)吸能的影響規(guī)律，計(jì)算各因素對(duì)吸能的主效應(yīng)，如圖5所示。

圖5 各因素對(duì)吸能的主效應(yīng)

由圖5可知，內(nèi)吸能盒的材料及厚度和外吸能盒的材料及厚度取上值時(shí)，汽車(chē)前保系統(tǒng)吸能較大，上橫梁材料、下橫梁材料、上橫梁厚度、下橫梁厚度取中值其吸能較大。

4 優(yōu)化

基于本文研究結(jié)果，綜合考慮各因素對(duì)汽車(chē)前保系統(tǒng)吸能的影響，權(quán)衡吸能與重量之間的關(guān)系，得到優(yōu)化方案如表3所示。該方案前?？傊?.538 kg,原方案前保總重5.387 kg，減重15.7%。為對(duì)比兩方案吸能不同，計(jì)算優(yōu)化前后兩方案汽車(chē)前保吸能，結(jié)果如圖6所示。

表3 優(yōu)化方案

圖6 優(yōu)化前后吸能-時(shí)間曲線

由如圖6可知，當(dāng)碰撞0～8 ms時(shí)，兩方案的吸能-時(shí)間曲線基本一致，即該時(shí)間段內(nèi)兩方案吸能基本一致，其原因?yàn)榇藭r(shí)主要是橫梁發(fā)生變形，吸能盒基本未發(fā)生大變形。這也說(shuō)明了上下橫梁的材料和厚度的變化對(duì)汽車(chē)前保吸能的影響很小。當(dāng)碰撞開(kāi)始10 ms后，隨著吸能盒出現(xiàn)大變形，兩方案的吸能差異逐漸顯現(xiàn)，最終可得優(yōu)化后汽車(chē)前保方案較原方案吸能提升114%。

5 結(jié)論

通過(guò)對(duì)汽車(chē)前保的正交實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)，以前保正面低速碰撞吸能作為性能指標(biāo)，利用極差分析和方差分析，研究汽車(chē)前保各部件材料及厚度對(duì)前保吸能的影響。內(nèi)吸能盒的材料及厚度和外吸能盒的材料及厚度對(duì)前保系統(tǒng)吸能存在顯著影響，其中內(nèi)吸能盒材料對(duì)前保吸能的影響最為顯著，其次為內(nèi)吸能盒厚度，當(dāng)內(nèi)吸能盒的材料及厚度和外吸能盒的材料及厚度取上值時(shí)，汽車(chē)前保吸能最大。上橫梁和下橫梁的材料和厚度對(duì)前保吸能影響很小。最后，基于正交實(shí)驗(yàn)仿真結(jié)果，綜合考慮各因素對(duì)汽車(chē)前保系統(tǒng)吸能的影響，權(quán)衡吸能與重量之間的關(guān)系，得到前保優(yōu)化方案。與原方案相比，減重15.7%，吸能提升114%。