基于薄壁梁力學(xué)分析的車身吸能結(jié)構(gòu)快速預(yù)測模型

游 潔，陳 東，耿富榮

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

前言

在車身前期概念設(shè)計(jì)階段，汽車設(shè)計(jì)的重要任務(wù)就是完成各個(gè)零部件、系統(tǒng)的選型，并滿足他們的布置和造型要求的工程結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)轉(zhuǎn)化，此階段的設(shè)計(jì)如同一張白紙，其輸入會(huì)頻繁發(fā)生變化，并且需要結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)能快速響應(yīng)，確定方案可行性[1]，因此如何提升布置造型的碰撞吸能空間可行性校核并快速獲取車身碰撞結(jié)構(gòu)參數(shù)是提升前期碰撞結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)效率的關(guān)鍵。

目前國內(nèi)外已有大量車身正面碰撞的基礎(chǔ)設(shè)計(jì)要素相關(guān)的研究，文獻(xiàn)列舉了某款車的前端碰撞各時(shí)刻下的車速和車體變形及碰撞壁障載荷的變化趨勢，能直觀體現(xiàn)各時(shí)刻下車體的變化和布置的變化，導(dǎo)致速度的變化等[2]。文獻(xiàn)詳細(xì)闡述了車體正碰下的基礎(chǔ)動(dòng)力學(xué)模型，將車體視作一個(gè)質(zhì)點(diǎn)，構(gòu)建出速度、加速度和變形的相關(guān)數(shù)學(xué)公式[3]。文獻(xiàn)對薄壁梁結(jié)構(gòu)進(jìn)行正碰壓潰力的研究，描述了薄壁梁在軸向壓潰下的載荷變化[4]。文獻(xiàn)對薄壁梁的翻邊設(shè)計(jì)、截面的寬高比、動(dòng)靜態(tài)壓潰速率對于薄壁梁的軸向壓潰力的影響進(jìn)行研究分析和經(jīng)驗(yàn)匯總[5]。

本文結(jié)合薄壁梁設(shè)計(jì)理論和車身正碰設(shè)計(jì)流程，制定車身前端吸能結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)技術(shù)路線，通過梳理歸納車身吸能正碰結(jié)構(gòu)的影響因素和設(shè)計(jì)要素，提煉出薄壁吸能結(jié)構(gòu)預(yù)測模型的輸入輸出變量及其相關(guān)關(guān)系，最終構(gòu)建預(yù)測模型，并通過實(shí)例驗(yàn)證完成車身吸能結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)。

1 技術(shù)路線

車身正面碰撞結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)優(yōu)先基于全正碰工況進(jìn)行分析，在滿足全正碰工況要求下，設(shè)定碰撞吸能空間和最大加速度要求，其他工況則基于全正碰工況下的碰撞吸能空間要求，通過加速度和結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的匹配達(dá)成相關(guān)要求。

車身正面碰撞結(jié)構(gòu)主要包括前端吸能結(jié)構(gòu)、中、后部抵 抗變形結(jié)構(gòu)組成，前端吸能結(jié)構(gòu)通過結(jié)構(gòu)變形分散能量，中、后部抵抗變形結(jié)構(gòu)則需盡量避免變形保證乘員艙中人體的安全。

車身碰撞吸能結(jié)構(gòu)主要包括機(jī)艙縱梁前端、上邊梁前端、防撞梁本體及其吸能盒等結(jié)構(gòu)，在碰撞過程中承擔(dān)主要吸能作用，減少后部能量傳遞到乘員艙影響人體安全。步驟如下：

（1）基于全正碰工況下乘員傷害要求設(shè)定碰撞過程中的最大加速度要求；

（2）基于碰撞結(jié)構(gòu)傳力路徑選定碰撞吸能效率；

（3）基于布置和造型約束計(jì)算分析碰撞吸能空間；

（4）基于最大加速度要求和碰撞性能效率系數(shù)獲得平均碰撞力；

（5）基于整車分配碰撞力占比后的機(jī)艙前端結(jié)構(gòu)碰撞力；

（6）基于車身前端結(jié)構(gòu)碰撞力需求獲得結(jié)構(gòu)尺寸參數(shù)設(shè)計(jì)。

基于上述步驟，確定技術(shù)路線圖如下：

圖1 預(yù)測模型技術(shù)路線圖

2 構(gòu)建預(yù)測模型

2.1 輸入和輸出分析

基于預(yù)測模型構(gòu)建的技術(shù)路線圖，車身吸能結(jié)構(gòu)參數(shù)預(yù)測模型的輸入包括車身碰撞設(shè)計(jì)參數(shù)和吸能結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)變量，具體如表1所示。

表1 預(yù)測模型各參數(shù)及變量說明

基于預(yù)測模型構(gòu)建的技術(shù)路線圖，車身吸能結(jié)構(gòu)參數(shù)預(yù)測模型的輸出包括薄壁梁吸能結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)參數(shù)和截面重量，具體如表2所示。

表2 預(yù)測模型各輸出及相關(guān)說明

2.2 搭建數(shù)學(xué)模型

基于上述模型的輸入和輸出分析，預(yù)測模型如下：

目標(biāo)函數(shù)：

其中m基于設(shè)計(jì)變量截面寬度w，截面高度h和截面厚度t及材料密度ρ計(jì)算獲得，相關(guān)計(jì)算分析具體如下：

基于吸能空間校核分析，若amax1≤amax2則吸能空間滿足要求，若不滿足則需通過優(yōu)化布置，提升吸能空間，或通過調(diào)整約束系統(tǒng)要求，提高amax2以達(dá)到相關(guān)要求，在amax1=amax2下，布置空間與性能需求達(dá)到平衡。

結(jié)合上述計(jì)算分析和相關(guān)要求可知車身前端碰撞力Favg2為：

基于薄壁梁壓潰理論分析，薄壁梁壓潰力曲線中Pm是薄壁梁的靜態(tài)壓潰平均力，Pmax是薄壁梁的靜態(tài)壓潰最大力，P1和P2是薄壁梁壓潰過程中的高峰值和低谷值，t是薄壁梁材料料厚，b是薄壁梁的邊長，σy是薄壁梁材料的屈服強(qiáng)度，相關(guān)計(jì)算公式如下：

基于薄壁梁壓潰效能的提升，一般薄壁梁壓潰過程中的碰撞吸能效率如下：

其中w，h和σy其需在一定設(shè)計(jì)輸入范圍內(nèi)選取，假定如下：

2.3 實(shí)現(xiàn)快速預(yù)測模型

基于EXCEL和ACCESS辦公軟件實(shí)現(xiàn)預(yù)測模型的自動(dòng)優(yōu)化迭代和快速分析，輸入界面如下圖所示：

圖2 快速預(yù)測模型輸入界面示意圖

圖中藍(lán)色區(qū)域?yàn)樵O(shè)計(jì)定義區(qū)域，其中結(jié)構(gòu)參數(shù)和材料參數(shù)中的厚度、強(qiáng)度均為一定范圍的變量，需迭代優(yōu)化出最佳結(jié)果。

結(jié)果輸出界面如下圖所示：

圖3 快速預(yù)測模型輸出界面示意圖

圖中綠色區(qū)域?yàn)檩敵鲱A(yù)測值，其中碰撞吸能空間和車身吸能結(jié)構(gòu)平均碰撞力為計(jì)算值，截面重量、寬度、高度、厚度和強(qiáng)度均為迭代優(yōu)化值，實(shí)現(xiàn)性能達(dá)標(biāo)下結(jié)構(gòu)最輕化。

3 案例應(yīng)用分析

利用上述預(yù)測模型在概念設(shè)計(jì)前期即可對車身關(guān)鍵吸能結(jié)構(gòu)進(jìn)行參數(shù)化結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，基于吸能空間的預(yù)測要求，分解到機(jī)艙內(nèi)的變形量為270 mm，前圍入侵量為50 mm，共320 mm（大于312 mm碰撞吸能空間要求），通過CAE驗(yàn)證分析結(jié)果如下：

表3 碰撞吸能結(jié)構(gòu)參數(shù)預(yù)測與驗(yàn)證結(jié)果匯總表

基于上述各項(xiàng)指標(biāo)對比，通過預(yù)測后的結(jié)構(gòu)參數(shù)設(shè)計(jì)的車身前端吸能結(jié)構(gòu)在后期設(shè)計(jì)中驗(yàn)證效果較好，滿足各項(xiàng)要求。

4 結(jié)論

本文結(jié)合薄壁梁壓潰基礎(chǔ)理論分析知識(shí)和項(xiàng)目應(yīng)用，證 明車身碰撞吸能結(jié)構(gòu)快速預(yù)測模型確實(shí)能在設(shè)計(jì)前期高效地平衡布置和性能，獲得最佳的設(shè)計(jì)參數(shù)，提高設(shè)計(jì)效率，規(guī)避后期的設(shè)計(jì)風(fēng)險(xiǎn)。模型的搭建、工具化和驗(yàn)證效果總結(jié)如下：

（1）結(jié)合基礎(chǔ)理論知識(shí)，提煉歸納設(shè)計(jì)輸入?yún)?shù)、變量和輸出變量。

（2）通過物理、力學(xué)公式構(gòu)建計(jì)算邏輯關(guān)系，搭建基礎(chǔ)數(shù)學(xué)預(yù)測模型。

（3）搭載Access數(shù)據(jù)庫工具，實(shí)現(xiàn)自動(dòng)迭代優(yōu)化功能，快速預(yù)測參數(shù)。

（4）模型設(shè)置輸入和輸出兩個(gè)界面，其中輸入界面可基于數(shù)據(jù)樣本的積累和變化，實(shí)現(xiàn)預(yù)測模型的更新完善。

（5）在案例應(yīng)用上，模型簡單，輸入輸出明確，分析高效，前期概念預(yù)測與后期詳細(xì)設(shè)計(jì)分析驗(yàn)證結(jié)果符合度高，一致性好。