基于碰撞波形與約束系統(tǒng)耦合的汽車安全性改進(jìn)

唐洪斌，劉樂(lè)丹，張君媛

（1.中國(guó)第一汽車股份有限公司研發(fā)總院，長(zhǎng)春130013；2.吉林大學(xué)汽車工程學(xué)院，長(zhǎng)春130022；3.汽車振動(dòng)噪聲與安全控制綜合技術(shù)國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，長(zhǎng)春130013）

前言

汽車安全性由車體結(jié)構(gòu)和乘員約束系統(tǒng)兩方面共同決定。目前整車安全性開(kāi)發(fā)流程主要是在整車結(jié)構(gòu)的抗撞性設(shè)計(jì)后再進(jìn)行約束系統(tǒng)匹配。約束系統(tǒng)設(shè)計(jì)處于一個(gè)較為被動(dòng)的地位，很難達(dá)到彌補(bǔ)車體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)缺陷的效果。如果在安全性設(shè)計(jì)初期從耦合關(guān)系角度出發(fā)，提出車體結(jié)構(gòu)的抗撞性和乘員約束系統(tǒng)設(shè)計(jì)要求，就可以對(duì)匹配效果進(jìn)行整體把控。

在乘員碰撞力學(xué)研究中，Huang［1］提出經(jīng)典的單自由度模型，合理地闡述碰撞過(guò)程中車輛、乘員、約束系統(tǒng)三者間的相互關(guān)系，利用單自由度模型可對(duì)乘員加速度響應(yīng)快速求解，為耦合關(guān)系研究提供了基礎(chǔ)。Cheng等［2］提出了車體與約束系統(tǒng)最佳匹配設(shè)計(jì)是使乘員響應(yīng)為一個(gè)恒定值，即通過(guò)耦合作用使碰撞加速度與乘員相對(duì)加速度可互相抵消。Qiu等［3］在碰撞波形簡(jiǎn)化為矩形波的前提下，提出設(shè)計(jì)初期平均分配ridedown能量與約束能量，從而提高約束系統(tǒng)與車體結(jié)構(gòu)的耦合效果。上述研究初步提出了碰撞波形與約束系統(tǒng)耦合關(guān)系的設(shè)計(jì)思想，但還沒(méi)有形成可用于汽車被動(dòng)安全開(kāi)發(fā)過(guò)程的具體設(shè)計(jì)方法和量化的評(píng)價(jià)準(zhǔn)則。

在上述研究的基礎(chǔ)上，吉林大學(xué)張君媛［4］提出碰撞波形與約束系統(tǒng)耦合關(guān)系評(píng)價(jià)方法，建立量化的評(píng)價(jià)準(zhǔn)則，并將評(píng)價(jià)準(zhǔn)則與碰撞星級(jí)聯(lián)系起來(lái)，從而指導(dǎo)碰撞波形和約束系統(tǒng)的設(shè)計(jì)。該方法選擇工程上廣泛應(yīng)用的等效雙梯形波和三線性約束剛度分別作為碰撞加速度波形和約束系統(tǒng)剛度簡(jiǎn)化方式，并結(jié)合60款車US?NCAP正面全寬剛性壁障碰撞試驗(yàn)數(shù)據(jù)，確定等效雙梯形波和三線性約束剛度參數(shù)范圍。利用單自由度模型迭代算法實(shí)現(xiàn)乘員加速度響應(yīng)的求解，確定了乘員響應(yīng)與碰撞波形參數(shù)及約束系統(tǒng)剛度參數(shù)變化規(guī)律與靈敏度。并在此基礎(chǔ)上，采用回歸分析方法提出兩個(gè)剛度值及其耦合關(guān)系的評(píng)價(jià)指標(biāo)，最終與碰撞星級(jí)聯(lián)系起來(lái)。該評(píng)價(jià)方法一方面有助于現(xiàn)有車型的星級(jí)評(píng)估，另一方面也可以作為新車的目標(biāo)設(shè)計(jì)依據(jù)或?qū)σ延熊囆吞峁└倪M(jìn)方向。

本文中利用耦合關(guān)系評(píng)價(jià)方法，對(duì)某乘用車型的碰撞波形、約束系統(tǒng)特性和兩者之間耦合關(guān)系進(jìn)行評(píng)價(jià)，提出該車型碰撞波形和約束系統(tǒng)參數(shù)優(yōu)化方案，指導(dǎo)該車型車體結(jié)構(gòu)和乘員約束系統(tǒng)改進(jìn)設(shè)計(jì)，最終有效提高了整車安全性。

1 汽車碰撞波形與約束系統(tǒng)特性耦合關(guān)系評(píng)價(jià)方法

1.1 基于單自由度模型的乘員響應(yīng)面建立

單自由度模型如圖1所示。將車輛與乘員分別簡(jiǎn)化為集中質(zhì)量塊M和m，車體結(jié)構(gòu)在碰撞中的壓潰過(guò)程簡(jiǎn)化為彈簧剛度K的壓縮過(guò)程，約束系統(tǒng)在碰撞中的變形過(guò)程簡(jiǎn)化為彈簧剛度k的壓縮過(guò)程，因此乘員的響應(yīng)由兩個(gè)彈簧振動(dòng)系統(tǒng)的耦合關(guān)系決定。乘員在汽車碰撞波形P的減速環(huán)境下與約束系統(tǒng)作用，因此單自由度模型通常等效為如圖2所示的形式［5］。

圖1 單自由度模型

圖2 等效單自由度模型

在確定較為準(zhǔn)確的K和k簡(jiǎn)化方式基礎(chǔ)上，利用單自由度模型迭代算法可實(shí)現(xiàn)乘員加速度響應(yīng)快速準(zhǔn)確的求解。如圖3所示，選擇應(yīng)用較為廣泛的等效雙臺(tái)階波作為碰撞波形簡(jiǎn)化方式，即單自由度模型中K近似為等效雙梯形波；選擇三線性約束剛度作為約束系統(tǒng)剛度簡(jiǎn)化方式，即單自由度模型當(dāng)中k近似為三線性約束剛度。

圖3 單自由度模型求解

隨后，為在一個(gè)較大范圍內(nèi)考察波形參數(shù)和約束系統(tǒng)參數(shù)對(duì)乘員響應(yīng)的影響，從NHTSA統(tǒng)計(jì)了包括不同星級(jí)的60輛車US?NCAP正面全寬剛性壁障碰撞試驗(yàn)數(shù)據(jù)，提取每輛車的原始碰撞加速度波形和約束系統(tǒng)剛度曲線，用單自由度模型迭代算法快速進(jìn)行乘員響應(yīng)求解，最終得到乘員加速度峰值響應(yīng)面。如圖4（a）所示，x軸代表碰撞波形，y軸代表約束剛度，z軸為乘員加速度峰值。將數(shù)據(jù)庫(kù)中每個(gè)碰撞波形所對(duì)應(yīng)的所有乘員加速度峰值求平均值，記為“波形平均響應(yīng)Av”；將數(shù)據(jù)庫(kù)中每個(gè)約束系統(tǒng)對(duì)應(yīng)的所有乘員加速度峰值求平均值，記為“約束平均響應(yīng)Ar”。為更清楚地表達(dá)響應(yīng)面的規(guī)律，將x、y軸從小到大排序，得到排序后的響應(yīng)面如圖4（b）所示。沿著x坐標(biāo)方向代表隨著Av的增大整個(gè)響應(yīng)面都呈現(xiàn)出遞增趨勢(shì)，顯示了碰撞波形輸入時(shí)乘員加速度響應(yīng)峰值平均水平的變化；同樣沿著y坐標(biāo)方向隨著Ar的增大整個(gè)響應(yīng)面呈現(xiàn)出遞增趨勢(shì)，顯示了約束系統(tǒng)剛度作用下乘員加速度響應(yīng)峰值平均水平的變化。由此Av可以近似作為碰撞波形的評(píng)價(jià)依據(jù)，Ar可以作為評(píng)價(jià)約束系統(tǒng)剛度的依據(jù)。

圖4 乘員加速度峰值響應(yīng)面

1.2 碰撞波形、約束系統(tǒng)特性及其耦合關(guān)系評(píng)價(jià)

通過(guò)靈敏度分析并結(jié)合雙臺(tái)階波形特點(diǎn)，如圖5所示，選擇等效雙梯形波的G0（形心加速度）、G1（第1臺(tái)階高度）、G2（第2臺(tái)階高度）、tE（車輛回彈時(shí)刻，即雙梯形波第2臺(tái)階的結(jié)束時(shí)刻）、tc（發(fā)動(dòng)機(jī)碰撞時(shí)刻，即雙梯形波第1臺(tái)階的結(jié)束時(shí)刻）、KAE（車體前端結(jié)構(gòu)的平均剛度，即雙梯形波第2臺(tái)階高度與最大壓潰量之比）為耦合評(píng)價(jià)參數(shù)。同理，如圖6所示，選擇三線性剛度曲線的k1（第1段的斜率）、K2（第3段的斜率）、GL（中間段平臺(tái)的高度）為耦合評(píng)價(jià)參數(shù)。

圖5 等效雙臺(tái)階波

圖6 三線性剛度曲線

根據(jù)1.1節(jié)中的分析，分別將Av和Ar寫(xiě)成下列函數(shù)形式：

任意一組P和Q的參數(shù)組合在乘員響應(yīng)面上都對(duì)應(yīng)唯一的乘員加速度響應(yīng)a0。

假設(shè)乘員響應(yīng)a0與Av和Ar之間存在一種函數(shù)關(guān)系：

若能確定以上函數(shù)關(guān)系便可建立波形參數(shù)與約束系統(tǒng)特性耦合關(guān)系的評(píng)價(jià)方法。

該評(píng)價(jià)方法的建立過(guò)程如下：

（1）確定函數(shù)P，根據(jù)碰撞波形參數(shù)實(shí)現(xiàn)碰撞波形的單獨(dú)評(píng)價(jià)；

（2）確定函數(shù)Q，根據(jù)約束系統(tǒng)剛度參數(shù)實(shí)現(xiàn)約束系統(tǒng)特性的單獨(dú)評(píng)價(jià)；

（3）確定函數(shù)R，根據(jù)碰撞波形和約束系統(tǒng)特性的單獨(dú)評(píng)價(jià)結(jié)果進(jìn)行整體耦合關(guān)系評(píng)價(jià)。

通過(guò)構(gòu)建多元二次回歸模型，得到函數(shù)P，并采用min?max標(biāo)準(zhǔn)化方法，對(duì)Av作標(biāo)準(zhǔn)化處理，得到無(wú)量綱的碰撞波形評(píng)價(jià)指標(biāo)，定義為“碰撞波形綜合評(píng)價(jià)指標(biāo)”，用符號(hào)γ表示，γ分布在0~1之間，僅從乘員加速度角度考慮，該值越小對(duì)應(yīng)的碰撞波形越好。γ計(jì)算公式為

同理，得到無(wú)量綱的約束系統(tǒng)特性的評(píng)價(jià)指標(biāo)，定義為“約束系統(tǒng)綜合評(píng)價(jià)指標(biāo)”，用符號(hào)β表示，分布在0~1之間，僅從乘員加速度角度考慮，該值越小對(duì)應(yīng)的約束系統(tǒng)剛度越好。計(jì)算公式為

通過(guò)碰撞波形綜合評(píng)價(jià)指標(biāo)γ和約束系統(tǒng)綜合評(píng)價(jià)指標(biāo)β，可以分別對(duì)碰撞波形和約束系統(tǒng)特性作出初步的單獨(dú)評(píng)價(jià)。然而乘員最終的保護(hù)效果是由碰撞波形和約束系統(tǒng)特性兩者共同決定的。因此采用曲面擬合的方法近似構(gòu)造a0與γ和β之間的遞增函數(shù)關(guān)系R，曲面擬合公式為

在碰撞波形和約束系統(tǒng)特性的初步單獨(dú)評(píng)價(jià)的基礎(chǔ)上，通過(guò)對(duì)γ-β-a0乘員響應(yīng)面的擬合，建立了γ和β與乘員加速度響應(yīng)之間的量化關(guān)系，實(shí)現(xiàn)碰撞波形與約束系統(tǒng)特性的耦合關(guān)系評(píng)價(jià)。

將上述耦合關(guān)系評(píng)價(jià)與NHTSA的星級(jí)結(jié)果作關(guān)聯(lián)性對(duì)比，以考察耦合關(guān)系的有效性。通過(guò)統(tǒng)計(jì)1.1節(jié)中的60款車數(shù)據(jù)，發(fā)現(xiàn)乘員胸部加速度與星級(jí)之間有很強(qiáng)的相關(guān)性，可認(rèn)為392 m/s2為四星級(jí)評(píng)價(jià)和五星級(jí)評(píng)價(jià)的分界線，490 m/s2為三星級(jí)評(píng)價(jià)和四星級(jí)評(píng)價(jià)的分界線。將γ-β-a0響應(yīng)面按照392和490 m/s2分界制作等高線圖，如圖7所示，并將該圖稱為“星級(jí)預(yù)估圖”。圖7將各種耦合情況劃分成三星級(jí)及以下區(qū)域、四星級(jí)區(qū)域和五星級(jí)區(qū)域。根據(jù)碰撞波形綜合評(píng)價(jià)指標(biāo)γ與約束系統(tǒng)綜合評(píng)價(jià)指標(biāo)β的取值可以實(shí)現(xiàn)星級(jí)預(yù)估。將（γ，β）平面坐標(biāo)位置定義為耦合點(diǎn)，當(dāng)耦合點(diǎn)處于某區(qū)域時(shí)，說(shuō)明取得對(duì)應(yīng)星級(jí)的可能性較大。

圖7 星級(jí)預(yù)估圖

為方便描述，將γ、β的區(qū)間0～0.2、0.2～0.4、0.4～0.6、0.6～0.8、0.8～1定義為優(yōu)、良、中、差、極差的情況。當(dāng)W5車型碰撞波形對(duì)應(yīng)γ處于優(yōu)區(qū)間時(shí)，約束系統(tǒng)對(duì)應(yīng)β處于中區(qū)間之前都有可能得到五星級(jí)評(píng)價(jià)，甚至β處于極差區(qū)間也很有可能獲得四星級(jí)評(píng)價(jià)。當(dāng)γ處于差區(qū)間或極差區(qū)間時(shí)，無(wú)論β如何取值獲得三星級(jí)及以下評(píng)價(jià)的可能性都很大。

2 W5車型初始性能分析與耦合關(guān)系評(píng)價(jià)

2.1 W5車型原始性能分析

選用W5車型為研究對(duì)象，整車總長(zhǎng)為4 535 mm，總寬為1 775 mm，總高為1 427 mm，軸距為2 671 mm，整車整備質(zhì)量為1 365 kg。W5車型有限元模型如圖8所示，包括節(jié)點(diǎn)452 882個(gè)，單元447 660個(gè)，其中三角形單元24 311個(gè)，占總數(shù)的5.4%，四邊形單元409 597個(gè)，六面體單元16個(gè)，彈簧阻尼單元12個(gè)，質(zhì)量單元889個(gè)，鉸鏈單元89個(gè)，焊點(diǎn)單元7 808個(gè)，梁?jiǎn)卧?69個(gè)，六角八面體退化的六面體單元4 769個(gè)。應(yīng)用LS?DYNA軟件進(jìn)行正面100%剛性壁障碰撞仿真，其碰撞波形如圖9所示。

圖8 W5車型有限元模型

圖9 W5車型的碰撞波形

同時(shí)，建立W5車型的US?NCAP正面100%剛性壁障碰撞試驗(yàn)駕駛員側(cè)約束系統(tǒng)的MADYMO模型，如圖10所示。該模型包括安全帶、安全氣囊、座椅、轉(zhuǎn)向管柱等約束系統(tǒng)裝置，放置了Hybrid III第50百分位多剛體假人，以汽車碰撞波形作為該模型加速度場(chǎng)，模擬整車的減速環(huán)境。該模型的主要約束系統(tǒng)特性參數(shù)見(jiàn)表1，仿真計(jì)算的駕駛員胸部加速度-相對(duì)位移曲線作為約束系統(tǒng)特性曲線，如圖11所示。

圖11 W5車型的約束系統(tǒng)特性曲線

表1 W5模型的約束系統(tǒng)主要特性參數(shù)

圖10 W5駕駛員約束系統(tǒng)仿真模型

根據(jù)US?NCAP星級(jí)計(jì)算方法［6］，將仿真得到的假人各部位傷害指標(biāo)轉(zhuǎn)換成相應(yīng)的傷害風(fēng)險(xiǎn)概率，得到乘員傷害相對(duì)風(fēng)險(xiǎn)得分（RRS），具體結(jié)果如表2所示，W5車型獲得了三星級(jí)評(píng)價(jià)。

表2 正面碰撞駕駛員假人評(píng)定結(jié)果

2.2 W5車型碰撞波形與約束系統(tǒng)特性耦合關(guān)系評(píng)價(jià)

根據(jù)2.1節(jié)的仿真結(jié)果，可知W5車型初始雙臺(tái)階和約束系統(tǒng)剛度參數(shù)，如表3所示。

表3 W5車型雙臺(tái)階波與約束系統(tǒng)剛度參數(shù)

根據(jù)表中參數(shù)可以實(shí)現(xiàn)W5車型耦合關(guān)系評(píng)價(jià)：

計(jì)算得到W5車型的碰撞波形綜合評(píng)價(jià)指標(biāo)γ為0.48，約束系統(tǒng)綜合評(píng)價(jià)指標(biāo)β為0.40，相對(duì)而言碰撞波形更差一些。將W5車型的耦合點(diǎn)繪制在星級(jí)預(yù)估圖上，如圖12所示。耦合點(diǎn)處于三星級(jí)區(qū)域。由于γ和β都處于中區(qū)間，因此W5車型的碰撞波形和約束系統(tǒng)都存在一定的提升空間。

圖12 W5模型耦合點(diǎn)在星級(jí)預(yù)估圖位置

3 基于耦合評(píng)價(jià)的W5車型改進(jìn)設(shè)計(jì)

3.1 碰撞波形與約束系統(tǒng)參數(shù)匹配優(yōu)化

首先討論在不修改W5車型的車體結(jié)構(gòu)基礎(chǔ)上進(jìn)行約束系統(tǒng)參數(shù)的匹配優(yōu)化。

γ=0.48，根據(jù)式（6）確定β范圍如下：

可認(rèn)為只有當(dāng)β處于優(yōu)區(qū)間時(shí)才有可能達(dá)到四星級(jí)。僅從乘員加速度層面考慮，理論上取β為0對(duì)應(yīng)的約束系統(tǒng)參數(shù)應(yīng)該是約束系統(tǒng)最佳匹配情況，a0的值為

在不改變W5車型碰撞波形的情況下，對(duì)約束系統(tǒng)匹配優(yōu)化方案為：采用β為0時(shí)對(duì)應(yīng)的約束系統(tǒng)參數(shù)（k1、k2、GL分別取460g/m、160g/m、30g）。最終乘員加速度峰值可達(dá)到441.3 m/s2，星級(jí)評(píng)價(jià)預(yù)估為四星。也就是說(shuō)，僅僅通過(guò)調(diào)整約束系統(tǒng)參數(shù)基本只能提高到四星級(jí)，在保持現(xiàn)有車體結(jié)構(gòu)對(duì)應(yīng)γ不變的情況下，無(wú)論β如何取值，W5車型達(dá)到五星級(jí)的可能性都很小，只有通過(guò)進(jìn)一步改進(jìn)碰撞波形才有較大可能達(dá)到五星級(jí)。

如果保持現(xiàn)有約束系統(tǒng)不變，β=0.4，根據(jù)式（6）確定γ范圍如下：

得到對(duì)應(yīng)的γ區(qū)間為0～0.16。當(dāng)γ為0時(shí)，a0的值為

同時(shí)對(duì)W5車型的車體結(jié)構(gòu)和約束系統(tǒng)參數(shù)匹配進(jìn)行優(yōu)化。在星級(jí)預(yù)估圖將W5車型的耦合點(diǎn)與坐標(biāo)原點(diǎn)相連（見(jiàn)圖13），為確保優(yōu)化后的車輛100%正面全寬碰撞品質(zhì)有更高的概率得到五星級(jí)，取該連線在五星級(jí)區(qū)域內(nèi)中心點(diǎn)附近一點(diǎn)作為目標(biāo)耦合點(diǎn)。將目標(biāo)耦合點(diǎn)分解為目標(biāo)碰撞波形和目標(biāo)約束系統(tǒng)，讀取其橫縱坐標(biāo)可以分別得到目標(biāo)碰撞波形綜合評(píng)價(jià)指標(biāo)γ為0.16，目標(biāo)約束系統(tǒng)綜合評(píng)價(jià)指標(biāo)β為0.13，代入式（6）中可得a0的值為

圖13 W5模型目標(biāo)耦合點(diǎn)在星級(jí)預(yù)估圖位置

3.2 車體結(jié)構(gòu)與約束系統(tǒng)參數(shù)匹配工程方案

在3.1節(jié)中應(yīng)用耦合評(píng)價(jià)方法從單獨(dú)優(yōu)化約束系統(tǒng)參數(shù)、單獨(dú)優(yōu)化碰撞波形參數(shù)、碰撞波形與約束系統(tǒng)參數(shù)匹配優(yōu)化3個(gè)角度出發(fā)，得到3種優(yōu)化方案。但在工程中還要將理論參數(shù)落實(shí)到相關(guān)的車體結(jié)構(gòu)和約束系統(tǒng)上，這就要考慮工藝和成本等因素進(jìn)行相關(guān)結(jié)構(gòu)或配置的優(yōu)化。

3.2.1 碰撞波形與約束系統(tǒng)參數(shù)工程方案設(shè)計(jì)

在實(shí)際工程應(yīng)用中，要實(shí)現(xiàn)車輛的星級(jí)評(píng)價(jià)預(yù)估為五星，通過(guò)單獨(dú)優(yōu)化約束系統(tǒng)參數(shù)和單獨(dú)優(yōu)化碰撞波形參數(shù)難度較大，并面臨更高的成本代價(jià)。從車輛設(shè)計(jì)生產(chǎn)的經(jīng)濟(jì)性出發(fā)，在工程應(yīng)用一般采取同時(shí)對(duì)車體結(jié)構(gòu)和約束系統(tǒng)參數(shù)匹配進(jìn)行優(yōu)化的設(shè)計(jì)方案，實(shí)現(xiàn)星級(jí)評(píng)價(jià)預(yù)估為五星的設(shè)計(jì)目標(biāo)。

根據(jù)3.1節(jié)中碰撞波形與約束系統(tǒng)參數(shù)匹配優(yōu)化方案分別得到了目標(biāo)碰撞波形綜合評(píng)價(jià)指標(biāo)γ為0.16，目標(biāo)約束系統(tǒng)綜合評(píng)價(jià)指標(biāo)β為0.13。從NHTSA統(tǒng)計(jì)的不同星級(jí)的60輛車型US?NCAP正面全寬剛性壁障碰撞試驗(yàn)數(shù)據(jù)中分別選取對(duì)應(yīng)碰撞波形綜合評(píng)價(jià)指標(biāo)γ為0.16和約束系統(tǒng)綜合評(píng)價(jià)指標(biāo)β為0.13的兩組數(shù)據(jù)作為目標(biāo)雙臺(tái)階波和目標(biāo)約束系統(tǒng)剛度。分別對(duì)車輛原始雙臺(tái)階波和原始約束系統(tǒng)剛度進(jìn)行優(yōu)化。

從數(shù)據(jù)中找到的碰撞波形綜合評(píng)價(jià)指標(biāo)γ為0.16的目標(biāo)波形［7］，表4為目標(biāo)波形的耦合評(píng)價(jià)參數(shù)。將原始雙臺(tái)階波與目標(biāo)雙臺(tái)階波進(jìn)行比較，如圖14所示?？梢缘玫叫枰獙⒃茧p臺(tái)階波第1臺(tái)階提高，將第2臺(tái)階降低，且延后原始波形的結(jié)束時(shí)間。

圖14 原始簡(jiǎn)化雙臺(tái)階波與目標(biāo)雙臺(tái)階波對(duì)比

表4 碰撞波形評(píng)價(jià)參數(shù)

3.2.2 車體結(jié)構(gòu)改進(jìn)設(shè)計(jì)

車輛正面碰撞過(guò)程中，主要由防撞梁、吸能盒、前縱梁、shotgun和副車架等車輛前端結(jié)構(gòu)（圖15）壓潰變形吸收車輛的動(dòng)能，其中由防撞梁、吸能盒和前縱梁吸收的能量約占車輛前端結(jié)構(gòu)吸能的50%［8］。因此，將通過(guò)改變?cè)嚿线@3處前端結(jié)構(gòu)以實(shí)現(xiàn)將原始的碰撞雙臺(tái)階波改進(jìn)為目標(biāo)雙臺(tái)階波的目的。

圖15 車輛前端主要部分吸能結(jié)構(gòu)

通過(guò)將碰撞仿真結(jié)果和碰撞波形進(jìn)行對(duì)照，如圖16所示，可以確定碰撞波形每一段區(qū)域?qū)φ盏能圀w前端吸能結(jié)構(gòu)。例如當(dāng)車輛碰撞壓縮達(dá)到接觸發(fā)動(dòng)機(jī)的時(shí)刻時(shí)，車體前端吸能結(jié)構(gòu)的形變主要發(fā)生在發(fā)動(dòng)機(jī)前端的防撞梁、吸能盒和前縱梁前段。對(duì)照簡(jiǎn)化雙臺(tái)階波可知，第1臺(tái)階的峰值和寬度與防撞梁、吸能盒和前縱梁前段3個(gè)結(jié)構(gòu)的吸能性能相關(guān)。由此可通過(guò)改進(jìn)對(duì)應(yīng)部分的車體結(jié)構(gòu)，實(shí)現(xiàn)對(duì)于碰撞波形的優(yōu)化。而在發(fā)動(dòng)機(jī)碰撞時(shí)刻之后，及簡(jiǎn)化雙臺(tái)階波的第2臺(tái)階，則主要受前縱梁中段和后段兩個(gè)結(jié)構(gòu)吸能性能的影響，可以通過(guò)改進(jìn)這兩個(gè)車體結(jié)構(gòu)以實(shí)現(xiàn)對(duì)雙臺(tái)階波第2臺(tái)階的調(diào)整。

圖16 碰撞波形與車體結(jié)構(gòu)壓潰位置對(duì)應(yīng)

要將原始碰撞波形的簡(jiǎn)化雙臺(tái)階波的第1臺(tái)階改進(jìn)為目標(biāo)雙臺(tái)階波的第1臺(tái)階，須提升原始波形第1臺(tái)階的高度，即須提升第1臺(tái)階波所對(duì)應(yīng)的防撞梁、吸能盒和前縱梁前段3個(gè)主要車體吸能結(jié)構(gòu)的吸能效果。在不改變車體結(jié)構(gòu)形狀的前提下，可以通過(guò)增加3個(gè)車體結(jié)構(gòu)的厚度使結(jié)構(gòu)具有更好的吸能效果［9-10］。同時(shí)從車體結(jié)構(gòu)輕量化的角度考慮，通過(guò)改變這3個(gè)車體結(jié)構(gòu)中吸能量較多的前縱梁前段的截面形狀，將前縱梁前段的矩形截面改進(jìn)為吸能效果更好的直八角形截面（圖17和表5），可以保證前縱梁前段在不過(guò)多增加壁厚的同時(shí)具有較好的吸能效果。

圖17 改進(jìn)前后的前縱梁前段結(jié)構(gòu)對(duì)比

表5 改進(jìn)前后的車體結(jié)構(gòu)壁厚對(duì)比

要將原始碰撞波形的簡(jiǎn)化雙臺(tái)階波的第2臺(tái)階改進(jìn)為目標(biāo)雙臺(tái)階波的第2臺(tái)階，須降低原始波形第2臺(tái)階的高度，即須適當(dāng)降低第2臺(tái)階波所對(duì)應(yīng)的前縱梁中段和后段的兩個(gè)主要車體吸能結(jié)構(gòu)的剛度，以降低這部分車體結(jié)構(gòu)在碰撞過(guò)程中產(chǎn)生的壓潰反力。在不改變車體結(jié)構(gòu)形狀的前提下，適當(dāng)減小結(jié)構(gòu)壁厚能夠使結(jié)構(gòu)的剛度和碰撞過(guò)程中產(chǎn)生的壓潰力降低。結(jié)構(gòu)不同的變形模式也對(duì)壓潰反力有很大影響，與壓潰變形相比，薄壁梁發(fā)生彎曲變形時(shí)的壓潰反力較小。對(duì)于前縱梁中段和后段處，縱梁的內(nèi)側(cè)與外側(cè)采用不同壁厚，能誘導(dǎo)該部分結(jié)構(gòu)在壓潰過(guò)程中按照預(yù)想的變形模式產(chǎn)生變形吸能［11］。本文中對(duì)于前縱梁中段和后段結(jié)構(gòu)進(jìn)行改進(jìn)時(shí)，將縱梁外側(cè)的壁厚設(shè)計(jì)為小于內(nèi)側(cè)壁厚（表6），以誘導(dǎo)前縱梁中段和后段在壓潰過(guò)程中發(fā)生向外側(cè)彎折的彎曲形變。

表6 改進(jìn)前后的車體結(jié)構(gòu)壁厚對(duì)比

經(jīng)過(guò)上述對(duì)于車體前端主要吸能結(jié)構(gòu)的改進(jìn)，利用LS-DYNA對(duì)改進(jìn)后整車有限元模型進(jìn)行正面100%剛性壁障碰撞仿真，可以得到改進(jìn)后車體結(jié)構(gòu)的碰撞波形和簡(jiǎn)化的雙臺(tái)階波，如圖18所示。對(duì)應(yīng)的碰撞波形參數(shù)如表7所示。利用式（4）可算得車體結(jié)構(gòu)改進(jìn)后碰撞波形的評(píng)價(jià)指標(biāo)，經(jīng)計(jì)算改進(jìn)車體結(jié)構(gòu)后的碰撞波形評(píng)價(jià)指標(biāo)γ=0.16，與目標(biāo)波形的評(píng)級(jí)指標(biāo)相等，滿足改進(jìn)要求。

圖18 改進(jìn)車體結(jié)構(gòu)后的碰撞波形

表7 改進(jìn)車體結(jié)構(gòu)后的碰撞波形耦合評(píng)價(jià)參數(shù)

3.2.3 約束系統(tǒng)改進(jìn)設(shè)計(jì)

本次約束系統(tǒng)匹配改進(jìn)設(shè)計(jì)依托于已有耦合數(shù)據(jù)庫(kù)進(jìn)行［7］。本次選取評(píng)價(jià)指標(biāo)為0.13的三線性約束剛度曲線，目標(biāo)參數(shù)為k1=340g/m、k2=180g/m、GL=26g，所對(duì)應(yīng)的約束系統(tǒng)參數(shù)為安全帶伸長(zhǎng)率14%，限力3 800 N，安全氣囊充氣質(zhì)量0.027 g，泄氣孔直徑34 mm。以圖18中的改進(jìn)碰撞波形為輸入，將改進(jìn)后的約束系統(tǒng)參數(shù)代入圖10所示的MADYMO模型中進(jìn)行仿真，最終獲得的乘員加速度-相對(duì)位移曲線和其簡(jiǎn)化的約束剛度曲線如圖19所示。改進(jìn)前后的乘員傷害指標(biāo)和碰撞星級(jí)的對(duì)比如表8所示。

圖19 改進(jìn)后三線性約束系統(tǒng)剛度曲線

表8 改進(jìn)前后正面碰撞駕駛員假人評(píng)定結(jié)果對(duì)比

4 結(jié)論

應(yīng)用碰撞波形與約束系統(tǒng)特性耦合關(guān)系評(píng)價(jià)方法，對(duì)W5車型的碰撞波形、約束系統(tǒng)特性和兩者之間耦合關(guān)系進(jìn)行評(píng)價(jià)，找到了W5車型設(shè)計(jì)薄弱環(huán)節(jié)，考慮工藝、成本等因素對(duì)相關(guān)車體結(jié)構(gòu)和約束系統(tǒng)進(jìn)行改進(jìn)設(shè)計(jì)。結(jié)果表明，利用耦合評(píng)價(jià)方法一方面可以幫助對(duì)現(xiàn)有車型進(jìn)行星級(jí)預(yù)估，同時(shí)也可作為新車或已有車型改型設(shè)計(jì)的目標(biāo)設(shè)計(jì)依據(jù)。

以改進(jìn)后的碰撞波形為輸入，通過(guò)調(diào)整安全帶織帶剛度、限力等級(jí)、安全氣囊充氣質(zhì)量和泄氣孔尺寸等參數(shù)進(jìn)行了約束系統(tǒng)改進(jìn)。最終改進(jìn)方案使頭部HIC、頸部壓縮力、腿部軸向力等乘員傷害指標(biāo)降低了約50%，胸部壓縮量、頸部Nij和頸部張緊力降低了約15%，碰撞星級(jí)從三星提高到五星，有效提高了整車安全性。