汽車平臺化開發(fā)前艙空間的正向設(shè)計方法研究

侯延軍 楊帥 程豹 崔東

（中國汽車技術(shù)研究中心，天津 300300）

主題詞：前艙空間 G-S曲線 吸能率 平臺化 碰撞

1 引言

汽車安全性是汽車各項性能中最為重要的一項內(nèi)容。各主機廠為了進一步控制開發(fā)成本，為了實現(xiàn)車型的家族化設(shè)計、并維持性能的高統(tǒng)一性，逐步推進了平臺化車型的設(shè)計。眾所周知，車型平臺化開發(fā)好處很多。例如可以實現(xiàn)平臺內(nèi)各車型性能的高度一致性、傳承性；可以縮短開發(fā)周期，提升開發(fā)效率；可以提升零部件的應(yīng)用率，進一步降低生產(chǎn)成本。平臺化概念最早的提出和踐行者應(yīng)該是德國大眾集團，它在十幾年前就提出平臺概念并在產(chǎn)品開發(fā)上實施了平臺戰(zhàn)略，當(dāng)年的PQ34/PQ35平臺也曾經(jīng)是高品質(zhì)的象征。如今的MQB平臺產(chǎn)品，已經(jīng)占了大眾集團旗下銷量的一大半，是非常成功的平臺化典型案例。除了大眾集團以外，其它國外車企也紛紛實施了各自的平臺化戰(zhàn)略，比如寶馬的ULK平臺、通用的E2XX平臺、雷諾-日產(chǎn)CMF平臺，豐田甚至還拿出了超越傳統(tǒng)平臺概念的TNGA架構(gòu)。國內(nèi)外汽車研發(fā)的發(fā)展表明，平臺化將是當(dāng)前乃至未來汽車界的主流技術(shù)方向。國內(nèi)目前很多車企也加快了車型平臺化開發(fā)的步伐，如奇瑞的T1X、M1X平臺，吉利生產(chǎn)領(lǐng)克品牌的CMA平臺、長安提出的P1-P4平臺開發(fā)戰(zhàn)略等。

由于同平臺下車身架構(gòu)基本一致，其生產(chǎn)的各車型，安全性能往往是處于強相關(guān)狀態(tài)：一旦此平臺架構(gòu)出現(xiàn)安全性結(jié)構(gòu)設(shè)計缺陷，就會導(dǎo)致同平臺各車型均出現(xiàn)安全性問題。因此在車型平臺化設(shè)計過程中，被動安全性能也將完成平臺化的開發(fā)，如何快速實現(xiàn)與車身強相關(guān)的安全性能的高質(zhì)量開發(fā)，是擺在工程師面前的首要問題。而整車耐撞性安全性能的設(shè)計，關(guān)鍵是做好相關(guān)吸能空間的合理設(shè)計，以實現(xiàn)碰撞能量的合理吸收及碰撞力的合理傳遞[1]。前碰工況是道路交通安全事故的高發(fā)勢態(tài)，在前碰工況下，整車前艙結(jié)構(gòu)是參與整車碰撞吸能的主要結(jié)構(gòu)，在被動安全開發(fā)中需要充分考慮前艙結(jié)構(gòu)及布置的設(shè)計。

在汽車前期設(shè)計開發(fā)中，找到合理的前艙空間需求至關(guān)重要，尤其在車身正向設(shè)計開發(fā)前期，車身架構(gòu)是一個從無到有的過程，這使得建立前艙吸能空間模型非常困難。當(dāng)前，機艙布置的研究集中在具體的部件布置間隙關(guān)系或整車尺寸的分析研究方面[2-3]，對前艙整體空間布置研究及空間布置和整車性能的關(guān)聯(lián)性影響分析比較少[4-5]。本文提出了一種基于能量統(tǒng)計的前艙空間設(shè)計及校核方法，基于此方法，可以在車型設(shè)計初期，幫助整車集成部門高效完成機艙的布置，輔助判斷當(dāng)前車型規(guī)劃（如動總類型、質(zhì)量分布、前艙布置設(shè)計）可滿足的安全性能覆蓋裕度。并為平臺化車型中各具體類型的車型安全目標(biāo)設(shè)計提供指導(dǎo)。

2 前艙安全空間分析

2.1 前艙安全空間通用校核方法

當(dāng)前，車型安全空間性能評估可通過幾個不同模式的典型碰撞工況進行：100%剛性墻碰撞、40%偏置碰撞、50%可變形壁障重疊碰撞、25%剛性小偏置碰撞。其中100%剛性墻碰撞工況，完全由評估車型的變形完成吸能，其能夠最大程度的體現(xiàn)前艙空間安全性能，且車身左右縱梁碰撞受力較為均衡[6]，適合對前艙空間評估進行研究，本文將基于100%正碰進行研究分析。

正面碰撞工況結(jié)構(gòu)開發(fā)關(guān)鍵指標(biāo)是整車加速度波形、乘員艙入侵[7]；理想的平臺化車身結(jié)構(gòu)應(yīng)實現(xiàn)以下2個功能：

（1）前機艙可充分吸收碰撞產(chǎn)生的能量；

（2）乘員艙不發(fā)生或者產(chǎn)生較小的變形；根據(jù)車型開發(fā)的不同階段，可通過以下3個技術(shù)方案進行整車結(jié)構(gòu)安全性開發(fā)：

（1）預(yù)研與總布置階段，前艙安全空間評估與校核；

（2）詳細數(shù)據(jù)設(shè)計階段，仿真分析與優(yōu)化；（3）整車集成驗證階段，實車摸底與優(yōu)化。

機艙安全空間設(shè)計及布置設(shè)計，集中分布在第一個階段，此階段工作可以最大限度規(guī)避吸能空間不足導(dǎo)致的開發(fā)困難及開發(fā)失敗的風(fēng)險；

常用的機艙變形空間評估方法如圖1所示。機艙安全空間計算方法是對S1/S2/S3進行累加，但是S1/S2/S3空間內(nèi)，存在可變形體及接近于剛體的不可變形體，且各結(jié)構(gòu)的變形模式不同，如圖2所示。其吸能效果也不盡相同，累加尺寸不能代表實際的有效安全空間。因此此方法雖然對碰撞安全性開發(fā)有一定的指導(dǎo)性，但是開發(fā)設(shè)計誤差較大。為了提高設(shè)計開發(fā)精度，需要找到一種更為合理的、精確的前機艙壓潰空間尺寸評估方法。

圖1 前艙空間統(tǒng)計示意

圖2 前艙中幾種典型的結(jié)構(gòu)變形模式

2.2 一種全新的機艙空間統(tǒng)計方法

為了研究前機艙內(nèi)各個空間段內(nèi)結(jié)構(gòu)變形吸能性能，我們將前艙結(jié)構(gòu)劃分為以下6段，如圖3所示。

圖3 前艙空間區(qū)域劃分方案

圖3中，D1為防撞梁前端至吸能盒后端，主要的結(jié)構(gòu)包括：防撞梁、吸能盒、前端模塊。D2為吸能盒后端至懸置前安裝點，主要結(jié)構(gòu)包括縱梁前段、動總前段和發(fā)罩一部分。D3為懸置前安裝點至懸置后安裝點，主要為動總結(jié)構(gòu)、輪胎和懸置。D4為懸置后安裝點至縱梁根部，主要結(jié)構(gòu)為輪胎、輪轂、縱梁后段、發(fā)罩后段和副車架。D5為懸置后安裝點至縱梁根部，主要結(jié)構(gòu)為A柱、前圍、指前梁結(jié)構(gòu)。D6是地板前端至B柱，主要結(jié)構(gòu)分布在乘員艙范圍內(nèi)。

不同區(qū)域段的結(jié)構(gòu)性能不同，在碰撞過程中變形模式不盡相同，其壓縮空間存在差異。同時，其變形吸能貢獻量也不盡相同?；趨^(qū)段特性進行統(tǒng)計數(shù)據(jù)分析，可以用于評估開發(fā)車型的前機艙吸能效果及指導(dǎo)各區(qū)段加速度波形的設(shè)計。

3 數(shù)據(jù)分析與擬合

3.1 前艙吸能空間數(shù)理分析

汽車碰撞中變形吸能過程是將汽車的動能轉(zhuǎn)化為變形能及其它形式能量的過程。為方便數(shù)據(jù)分析及統(tǒng)計，除去汽車碰撞后期的殘余動能，其剩余動能等同于碰撞過程中碰撞力所做的功。整車碰撞過程中，碰撞力、作用距離及結(jié)構(gòu)變形吸能滿足如公式（1）。

式中，Ei為變形時刻的內(nèi)能增量，Di為變形時刻的前艙壓潰量，F(xiàn)i為變形時刻的碰撞力。

而整車加速度與碰撞力的關(guān)系滿足式（2）。

式中，mi為變形時刻的整車參與碰撞質(zhì)量，ai是變形時刻的車身加速度。

通過公式1、2可以得出式（3）。

因此可以看出，當(dāng)結(jié)構(gòu)吸能一定時，增加壓潰空間Di可以有效的降低車體加速度，繼而緩解乘員受力，達到優(yōu)化整車安全性的目的。

為了研究各截面段變形吸能效果及整車加速度關(guān)系，采用了多個成熟的整車結(jié)構(gòu)耐撞性模型樣本，通過LS-DYNA有限元分析軟件進行數(shù)據(jù)分析[8]。樣本信息如表1所示。

表1 分析車型樣本信息

經(jīng)過計算分析，對各個區(qū)域段內(nèi)的所有參與變形結(jié)構(gòu)的能量信息進行統(tǒng)計。在不同區(qū)段，其壓縮空間存在差異，如圖4所示。壓縮比例最大截面集中在D1D2段；D5/D6壓縮比例較小，符合乘員艙較小變形的規(guī)律。同時，其變形吸能貢獻量也不盡相同，如圖5所示?；趨^(qū)段特性進行統(tǒng)計數(shù)據(jù)分析，可以用于評估開發(fā)車型的前機艙吸能效果及指導(dǎo)各區(qū)段加速度波形的設(shè)計。

圖4 不同區(qū)域段壓縮量統(tǒng)計

圖5 不同區(qū)域段吸能量統(tǒng)計

為了有效評估不同空間、布置對車型加速度的影響，結(jié)合式（3），提出了一種加速度波形的簡化處理方法，既采用加速度當(dāng)量來代表各段車身加速度情況。如式（4）所示。

式中，WDi為相應(yīng)截面的內(nèi)能變化量，MDi為相應(yīng)截面變形過程中的參與計算質(zhì)量，SDi為相應(yīng)截面的位移量。

為方便統(tǒng)計與評估，假設(shè)每一截面段壓潰過程壓潰力為一恒定值，每一截面段參與計算的質(zhì)量為一恒定值，每一段參與計算的質(zhì)量分解如圖6所示。

圖6 各截面段參與動能變化的質(zhì)量分解

以D1段為例，加速度當(dāng)量的計算過程如下：通過統(tǒng)計仿真結(jié)果中D1段所有參與結(jié)構(gòu)的內(nèi)能變化來確定WD1，通過模型測量D1段參與計算的質(zhì)量來確定MD1，通過對仿真結(jié)果的測量來獲取D1截面段的壓潰量SD1。最后應(yīng)用式4可計算出D1截面段的加速度當(dāng)量aD1。

根據(jù)各樣本車型的計算結(jié)果，計算各車身各截面段加速度當(dāng)量分布如圖7所示。D4/D5段加速度過高的車型，說明整車壓潰后期，碰撞能量仍然過大；此類車型，前艙空間較為有限；

圖7 各截面加速度當(dāng)量

3.2 G-S曲線擬合方案

根據(jù)式（4），只要確定各截面段的內(nèi)能吸收量、參與計算的質(zhì)量、以及實際的壓潰量，就可以計算出其加速度當(dāng)量，繼而獲取G-S曲線。

各截面段的壓縮量等效處理方法：統(tǒng)計所有車輛的每個區(qū)段的壓縮量均值、上限和下限。分析每個區(qū)段的壓縮占比及布置參數(shù)，擬合出不同區(qū)段的壓縮公式：預(yù)估壓縮量=a·區(qū)段長度·f(m，p，c）（函數(shù)與整備質(zhì)量（m）、動總類型（p）和零部件特性（c）相關(guān)），a為修正系數(shù)。圖8例舉了7個車輛模型，有限元分析每個區(qū)段的壓縮量和擬合壓縮量的參數(shù)進行對比情況。圖8中100%處標(biāo)線為理想情況下擬合結(jié)果，表示擬合結(jié)果和仿真結(jié)果完全一致。

圖8 各車型壓縮量擬合情況統(tǒng)計

各截面段吸能等效處理方法：統(tǒng)計所有車輛的每個區(qū)段的吸能比率均值、上限和下限。分析每個區(qū)段的主吸能和零部件類型，擬合出不同區(qū)段的吸能公式：預(yù)估吸能量=b·總動能·f(f，d，s）（函數(shù)與主吸能結(jié)構(gòu)（f）、壓潰量（d）+零部件吸能特性參數(shù)（s）相關(guān)），b為修正系數(shù)。圖9是例舉7個車輛模型，有限元分析D1區(qū)段的吸能量和擬合的吸能量參數(shù)進行對比。

圖9 各車型D1截面段吸能擬合情況統(tǒng)計

各截面段參與碰撞質(zhì)量的等效處理方法：統(tǒng)計所有車輛的每個區(qū)段的質(zhì)量占比，以及對應(yīng)的車體入侵量。根據(jù)車體總質(zhì)量、每個區(qū)段的質(zhì)量及區(qū)段特性，提出每個區(qū)段的質(zhì)量密度，建立擬合公式：等效質(zhì)量=總車重·（區(qū)段密度·區(qū)段長度）；計算質(zhì)量=整車整備質(zhì)量-（等效質(zhì)量和）。圖10是例舉7個車輛模型，實測每個區(qū)段的質(zhì)量和數(shù)學(xué)擬合質(zhì)量的參數(shù)進行對比。

圖10 各車型等效質(zhì)量擬合情況統(tǒng)計

根據(jù)以上等效數(shù)據(jù)的擬合情況，基于數(shù)學(xué)方法，并根據(jù)車型的信息，對G-S曲線進行了計算并修正，計算的G-S曲線和實車碰撞分析的G-S曲線對比如圖11所示。

圖11 數(shù)值分析G-S曲線和碰撞模型G-S曲線對比

4 總結(jié)及應(yīng)用

在總布置及概念設(shè)計階段，通過主機廠提供的有限的物理參數(shù)信息，采用本文所述的擬合方案，可以基于經(jīng)驗方案獲取其G-S曲線，如圖12所示。這樣就彌補了本階段由于數(shù)據(jù)狀態(tài)不足以完成仿真分析而無法獲取G-S曲線的缺陷，使得被動安全性能開發(fā)，更早一步的介入到整車開發(fā)中來。

圖12 G-S曲線評估方案

前文所述，不同截面段由于結(jié)構(gòu)特性差異及變形差異，其吸能效果不盡相同。因此，提出了吸能率的概念用以表征各區(qū)域段的吸能效果，既單位長度的結(jié)構(gòu)變形吸收能量的能力，吸能率可以用式（5）表示。

結(jié)合仿真統(tǒng)計結(jié)果，可以進一步定義本區(qū)域段的高吸能率及低吸能率，如圖13所示。以D1段為例，其吸能率平均值約為320 J/mm，最高吸能率為480 J/mm，最低吸能率為260 J/mm。

圖13 不同截面段吸能率統(tǒng)計

根據(jù)各截面段不同吸能率的情況，判斷出此截面段的加速度當(dāng)量值，繼而判斷出此截面段的實際吸能性能：如處于高吸能率階段，則此截面段的吸能空間已經(jīng)利用的較為完全，存在極小可進一步優(yōu)化吸能的空間。如處于低吸能率階段，則說明此截面段的空間吸能還沒有很好的利用，存在進一步優(yōu)化吸能空間。根據(jù)不同吸能率情況，圖14列舉了某款車的G-S曲線評估情況?？梢钥闯?，在D2D3階段，G-S曲線處于下限區(qū)間，說明在D2/D3階段，還存在加速度進一步優(yōu)化的空間：為了提升此截面段的吸能性能，可以適當(dāng)提升此截面段的加速度值。

圖14 不同吸能率情況下評估的G-S曲線

本方法應(yīng)用總結(jié)如下。

（1）可以在車型規(guī)劃階段，評估車型結(jié)構(gòu)耐撞性安全的優(yōu)劣程度。

根據(jù)整備質(zhì)量得到所需吸收總能量，只要主吸能結(jié)構(gòu)吸能能力強，區(qū)塊長度尺寸充分，評估G-S曲線，減速度載荷適中，即可滿足要求。

（2）根據(jù)車身平臺結(jié)構(gòu)初步規(guī)劃方案，應(yīng)用此方法可以評估平臺車型的安全級別范圍。車身數(shù)據(jù)定義完成，調(diào)整整備質(zhì)量范圍、動力總成特性、零部件布置等，評估G-S曲線，使曲線達到吸能極限上限，既為此平臺車型的結(jié)構(gòu)耐撞性安全性能極限。

（3）如果車身碰撞性能不佳，可以判斷其前期規(guī)劃的吸能空間利用不足。整備質(zhì)量確定，車型參數(shù)確定，評估G-S曲線，曲線在均值和最大值之間即達到吸能空間的充分利用，曲線在最小值附近，說明該空間沒有充分利用。