車用防撞桿碰撞性能快速評(píng)估系統(tǒng)及其應(yīng)用*

任鵬飛，李金柱，張 賽

（1.中國汽車技術(shù)研究中心有限公司，天津 300300；2.中汽研（天津）汽車工程研究院有限公司，天津 300300）

0 引言

新能源車側(cè)面安全面臨較大的挑戰(zhàn)。C-NCAP 管理規(guī)則2021 年版[1]中，規(guī)定新能源汽車（含純電動(dòng)汽車和插電式混合動(dòng)力汽車）需要進(jìn)行側(cè)面柱碰撞實(shí)驗(yàn)，碰撞角度為75°，碰撞中心對(duì)準(zhǔn)假人頭部中心，碰撞速度為32 km∕h，對(duì)假人傷害值進(jìn)行評(píng)價(jià)，如圖1所示。側(cè)面柱碰對(duì)車門防撞桿的抗撞性能提出了更高的要求。

圖1 側(cè)面柱碰撞實(shí)驗(yàn)Fig.1 Side pole impact test

防撞桿的碰撞性能為主要性能約束。新型防撞桿設(shè)計(jì)出來以后，往往需要進(jìn)行防撞桿試制，并進(jìn)行裝車來驗(yàn)證其碰撞性能。在側(cè)面柱碰工況中，防撞桿作為關(guān)鍵傳力路徑，抵抗變形吸能，將碰撞力傳至A、B 柱。提升防撞桿的抗撞性能，能有效地提升側(cè)面柱碰結(jié)構(gòu)耐撞性能。如何快速對(duì)新型防撞桿進(jìn)行碰撞性能評(píng)估，是各新材料研發(fā)部門、新工藝研究機(jī)構(gòu)以及新結(jié)構(gòu)研究中關(guān)注的重要問題。

在新工藝研究領(lǐng)域，蘇鵬[2]通過高頻強(qiáng)化的方法對(duì)防撞桿進(jìn)行加工，提高了其力學(xué)性能；夏曉宇[3]針對(duì)轎車車門高強(qiáng)度鋼制防撞桿的熱處理工藝進(jìn)行了研究改進(jìn)，通過金相組織、硬度和三點(diǎn)彎曲下壓試驗(yàn)評(píng)估了熱處理工藝對(duì)材料性能的影響。在防撞桿新材料研究領(lǐng)域，高大威[4]采用22MnB5 替代原車防撞桿材料進(jìn)行了基于車門的剛度、結(jié)構(gòu)安全的多學(xué)科優(yōu)化，搭建了側(cè)面柱碰靜態(tài)擠壓模型，防撞桿質(zhì)量得到了降低，性能指標(biāo)均有提高。在防撞桿結(jié)構(gòu)優(yōu)化領(lǐng)域，胡浩[5]以防撞桿的靜態(tài)擠壓強(qiáng)度作為優(yōu)化目標(biāo)，針對(duì)防撞桿結(jié)構(gòu)進(jìn)行了優(yōu)化，提升了防撞桿的平均反力。

由于整車側(cè)柱碰工況模型計(jì)算時(shí)間過長(zhǎng)，為了提升防撞桿的優(yōu)化迭代效率，防撞桿研究主要集中在靜態(tài)剛度和將碰撞過程等效為靜態(tài)工況兩方面。王彬花[6]針對(duì)某車型搭建了E-NCAP 側(cè)面柱碰工況仿真分析模型，由于整車計(jì)算時(shí)間過長(zhǎng)，采用靜態(tài)加載力模擬碰撞工況的防撞桿受力，對(duì)防撞桿進(jìn)行拓?fù)鋬?yōu)化。代立宏[7]搭建了整車側(cè)碰仿真模型，研究了防撞桿的截面形狀對(duì)碰撞性能的影響。

整車碰撞仿真模型對(duì)技術(shù)工程師要求過高，且搭建模型、調(diào)試模型需要較長(zhǎng)時(shí)間。進(jìn)行整車碰撞實(shí)驗(yàn)成本過高，且其驗(yàn)證周期偏厚，不符合正向開發(fā)理念?；诖吮疚奶岢龌谧酉到y(tǒng)對(duì)防撞桿進(jìn)行碰撞性能評(píng)估，采用虛擬模型、臺(tái)車沖擊實(shí)驗(yàn)等方式對(duì)防撞桿碰撞性能快速評(píng)估。

1 整車級(jí)別防撞桿吸能特性統(tǒng)計(jì)分析研究

管狀防撞梁在汽車中應(yīng)用廣泛，無論防撞桿結(jié)構(gòu)形式如何，主要作用是在側(cè)面碰撞中抵抗變形、吸收能量。以管狀防撞桿為例進(jìn)行研究，旨在統(tǒng)計(jì)出防撞桿的抗撞性能，與防撞桿的結(jié)構(gòu)形式低相關(guān)。

針對(duì)新能源車輛，C-NCAP 管理規(guī)則中規(guī)定需進(jìn)行側(cè)面柱碰撞實(shí)驗(yàn)[1]，防撞桿在側(cè)柱碰工況中起著關(guān)鍵吸能作用，防撞桿與剛性柱基本為硬接觸，防撞桿的抗撞性能對(duì)整車的側(cè)柱碰性能起著關(guān)鍵作用。市場(chǎng)上，不同車型的整備質(zhì)量不同，防撞桿的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)也不同，新能源SUV 車型由于電池包重量的增加，在家用車領(lǐng)域整備質(zhì)量處于中上，其對(duì)防撞桿的碰撞性能要求更高，針對(duì)SUV車型防撞桿進(jìn)行抗撞性能統(tǒng)計(jì)，具有普適性。

本文中以5款在研新能源SUV車型為統(tǒng)計(jì)對(duì)象，5款車型均進(jìn)行了側(cè)柱碰結(jié)構(gòu)標(biāo)定，對(duì)防撞桿的吸能特性進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析，意在得到防撞桿的吸能指標(biāo)。

1.1 防撞桿變形研究

圖2～3 所示為某款車型防撞桿變形局部圖，由圖可知，防撞桿在側(cè)柱碰中變形較大，與上邊梁、門檻一同吸收碰撞能量。

圖2 防撞桿變形Fig.2 Deformation of side impact bar

圖3 防撞桿相對(duì)位移Fig.3 Relative displacement diagram

5款車型防撞桿的吸能量及平均值如表1所示。由表可知，5 款SUV 車型前車門防撞桿在側(cè)柱碰工況中的平均吸能量為2 022 J。

表1 防撞桿吸能量統(tǒng)計(jì)表Tab.1 Energy absorption statistics of side impact bar

防撞桿在受到?jīng)_擊后，主要表現(xiàn)的為折彎變形，且折彎位置兩側(cè)的防撞桿基本變形不大，為統(tǒng)一評(píng)估防撞桿的抗彎吸能能力，確定5 款車型均使用距離相同約為900 mm 的兩個(gè)支點(diǎn)，測(cè)量每個(gè)車型的防撞桿相對(duì)于參考點(diǎn)的相對(duì)最大位移量，統(tǒng)計(jì)如表2所示。由表可知，5款車型防撞桿在側(cè)柱碰工況中相對(duì)位移平均值為92.6 mm。

表2 防撞桿侵入量統(tǒng)計(jì)表Tab.2 Statistics of intrusion amount of side impact bar

1.2 防撞桿關(guān)鍵位置斷裂情況

在5款車型實(shí)車碰撞中，5款車型防撞桿均未發(fā)生斷裂，且均滿足側(cè)柱碰結(jié)構(gòu)指標(biāo)要求，考慮到乘員保護(hù)性能優(yōu)先，將防撞桿不斷裂作為防撞桿的碰撞性能指標(biāo)。

1.3 防撞桿性能綜合評(píng)估指標(biāo)

綜上分析，以統(tǒng)計(jì)的5 款車型平均值作為參考，防撞桿碰撞性能簡(jiǎn)化指標(biāo)為：支點(diǎn)間距900 mm，相對(duì)位移在90 mm以內(nèi)吸能量不低于2 022 J，且不發(fā)生斷裂。

2 子系統(tǒng)工況等效

側(cè)柱碰工況中，整車以一定的速度沖擊固定的柱狀避障，采用臺(tái)車安裝沖擊柱避障，以一定初速度沖擊施加約束的防撞桿，在系統(tǒng)簡(jiǎn)化時(shí)需要確認(rèn)以下邊界條件。

2.1 防撞桿約束定義

如圖4 所示，整車中防撞桿受力變形，在接觸位置折彎，兩端安裝板受到防撞桿的拉力呈現(xiàn)平動(dòng)和轉(zhuǎn)動(dòng)現(xiàn)象。

圖4 防撞桿受力變形Fig.4 Stress and deformation of side impact bar

設(shè)沖擊方向?yàn)閄向，防撞桿軸向?yàn)閅向，則防撞桿子系統(tǒng)模型中的約束可等效為一端約束平動(dòng)，釋放繞X、Z軸轉(zhuǎn)動(dòng)自由度，即：1 235；另一端釋放軸向運(yùn)動(dòng)自由度，即約束X、Z向運(yùn)動(dòng)，釋放Y向自由度，釋放所有方向轉(zhuǎn)動(dòng)自由度，即：13。如圖5所示。

圖5 防撞桿約束Fig.5 Schematic diagram of side impact bar restraint

2.2 沖擊能量確定

臺(tái)車配重1 290 kg，速度為7 km∕h，碰撞能量約為2 433 J，大于2 022 J.

2.3 沖擊柱尺寸確定

NCAP 管理規(guī)則2021 年版中所用圓柱避障直徑尺寸為250 mm，考慮到防撞桿約束點(diǎn)之間的間距縮短，為保護(hù)實(shí)驗(yàn)中夾具重復(fù)利用，將沖擊圓柱尺寸直徑設(shè)定為140 mm。子系統(tǒng)示意圖如圖6所示。

圖6 臺(tái)車沖擊防撞桿Fig.6 Trolley impact side impact bar

3 試驗(yàn)結(jié)果與討論

3.1 基于虛擬模型防撞桿碰撞性能快速評(píng)估

在進(jìn)行防撞桿碰撞仿真分析過程中，需對(duì)新材料進(jìn)行力學(xué)性能仿真卡片開發(fā)，主要包括屈服強(qiáng)度、抗拉強(qiáng)度和斷裂參數(shù)的表征，然后再進(jìn)行子系統(tǒng)仿真驗(yàn)證。

鋁合金、高強(qiáng)鋼、錳合金等輕量化材料在防撞桿結(jié)構(gòu)研究及應(yīng)用較多，高強(qiáng)鋼、合金等均可采用DYNA 求解器中GISSMO 卡片來表征其失效行為，本文將以某高強(qiáng)鋼為例進(jìn)行研究。

3.1.1 金屬材料力學(xué)性能卡片開發(fā)

在整車側(cè)面柱碰工況中，防撞桿受到高速?zèng)_擊，需要考慮應(yīng)變率強(qiáng)化效應(yīng)，以及應(yīng)變率對(duì)失效參數(shù)的影響[8]?；谔摂M模型防撞桿碰撞性能快速評(píng)估的關(guān)鍵就在于新材料的力學(xué)性能卡片開發(fā)。

將材料的力學(xué)性能分為彈塑性和斷裂失效兩部分[9]，材料的彈塑性主要是通過彈性模量、泊松比以及應(yīng)力應(yīng)變進(jìn)行表征；斷裂失效與單元的應(yīng)力狀態(tài)有關(guān)[10]，LSDYNA 材料模型中GISSMO 失效模型應(yīng)用比較廣泛。GISSMO 失效模型綜合考慮單元在不同應(yīng)力三軸度和羅德角狀態(tài)下的損傷積累，當(dāng)累計(jì)損傷參數(shù)D達(dá)到上限1后，則認(rèn)定單元失效。

（1）彈塑性表征

通過設(shè)計(jì)靜態(tài)拉伸、高速拉伸試驗(yàn)，獲得材料的不同應(yīng)變率下的工程應(yīng)力應(yīng)變曲線。并基于swift+HS 硬化準(zhǔn)則公式對(duì)曲線進(jìn)行外延，基于逆向標(biāo)定確定最終的材料真應(yīng)力真應(yīng)變曲線。處理完并外延以后的靜態(tài)工況真應(yīng)力應(yīng)變曲線形式如圖7所示。

圖7 材料外延示意圖Fig.7 Schematic diagram of material epitaxy

（2）斷裂參數(shù)表征

MMC斷裂模型依賴于應(yīng)力三軸度和Lode角系數(shù)，為三維的應(yīng)變失效空間[11]。其中應(yīng)力三軸度是靜水壓力與Mises等效應(yīng)力的比值，簡(jiǎn)化后的失效表達(dá)式如下：

式中：為等效斷裂應(yīng)變；η為應(yīng)力三軸度；為羅德角系數(shù)；A、c1、c2、n為需要擬合的參數(shù)。

通過仿真計(jì)算獲得單元的應(yīng)力狀態(tài)，如應(yīng)力三軸度、羅德角參數(shù)，依據(jù)損傷準(zhǔn)則對(duì)GISSMO 失效參數(shù)進(jìn)行逆向標(biāo)定[12]，使得仿真樣件級(jí)斷裂位移精度在90%以上，如圖8所示。

圖8 仿真標(biāo)定曲線Fig.8 Simulation calibration curve

3.1.2 防撞桿碰撞模型搭建

防撞桿模型采用殼網(wǎng)格，網(wǎng)格尺寸為5 mm，采用SECTION-SHELL 屬性，材料采用MAT24 號(hào)卡片，輸入材料密度、彈性模量、泊松比、以及應(yīng)變率效應(yīng)曲線。

約束等效：為了與子系統(tǒng)沖擊實(shí)車實(shí)驗(yàn)工況邊界保持一致，防撞桿兩側(cè)約束參考夾具設(shè)計(jì)輸入邊界，即一邊約束全部自由度，另一邊釋放軸向自由度，約束如圖9所示。

圖9 防撞桿虛擬模型約束Fig.9 Constraint diagram of virtual model of side impact bar

臺(tái)車模型：依據(jù)實(shí)際臺(tái)車尺寸對(duì)臺(tái)車進(jìn)行建模，車架采用剛體材料，并依據(jù)實(shí)車進(jìn)行配重，在質(zhì)心位置添加加速度傳感器。初速度定義為7 km∕h，沖頭與臺(tái)車剛性連接，沖頭為MAT-20 剛性材料；搭建完側(cè)臺(tái)車模型如圖10所示。

圖10 臺(tái)車沖擊示意圖Fig.10 Schematic diagram of trolley impact

防撞桿與沖擊避障建立面面接觸，添加控制卡片，主要包括時(shí)間步長(zhǎng)、沙漏控制和接觸控制參數(shù)，提交DYNA求解器進(jìn)行求解。

3.1.3 防撞桿碰撞性能評(píng)估

（1）模型可信性分析

臺(tái)車配重1 290 kg，以初速度7 km∕h 對(duì)準(zhǔn)防撞桿中心，臺(tái)車初始能量為2 433 J；與防撞桿接觸后，動(dòng)能降低內(nèi)能升高，如圖11 所示為臺(tái)車的能量曲線等，從圖中可以看出，碰撞過程中能量曲線平滑無突變，總能量與沙漏能波動(dòng)較小，且沙漏能較小，在總能量5%以內(nèi)，滿足碰撞性能分析要求。

圖11 能量曲線Fig.11 Energy curve

（2）防撞桿變形分析

圖12所示為不同時(shí)刻的防撞桿變形。

圖12 防撞桿變形歷程Fig.12 Deformation history of side impact bar

（3）防撞桿碰撞性能評(píng)價(jià)

如圖13～14 所示，臺(tái)車以2 433 J 能量沖擊防撞桿，沖擊過程仿真結(jié)果可信，沖擊仿真過程中，防撞桿未發(fā)生斷裂，防撞桿最大位移約為70 mm，未超過90 mm；依據(jù)防撞桿碰撞性能指標(biāo)判定該材料防撞桿滿足碰撞性能要求。

圖13 防撞桿最大位移Fig.13 Maximum displacement

圖14 防撞桿變形量Fig.14 Displacement of side impact bar

3.2 子系統(tǒng)防撞桿子系統(tǒng)實(shí)驗(yàn)及碰撞性能評(píng)估

3.2.1 沖擊實(shí)驗(yàn)邊界

臺(tái)車配重1 290 kg；沖擊柱尺寸與仿真模型一致；防撞桿約束與仿真模型一致，臺(tái)車對(duì)準(zhǔn)防撞桿中心位置，沖擊速度7 km∕h；在沖擊臺(tái)車質(zhì)心位置布置加速度傳感器，測(cè)量沖擊臺(tái)車加速度變化；另布置相應(yīng)攝像記錄碰撞過程。

3.2.2 實(shí)驗(yàn)結(jié)果及評(píng)價(jià)

對(duì)該材料防撞桿沖擊實(shí)驗(yàn)后防撞桿變形如圖15～16所示。由圖可知，防撞桿在沖擊過程中發(fā)生折彎變形，在沖擊過程中未發(fā)生斷裂失效，經(jīng)測(cè)量，防撞桿相對(duì)位移約為68 mm，小于90 mm，滿足防撞桿碰撞性能要求。

圖15 防撞桿內(nèi)側(cè)未發(fā)生失效Fig.15 Deformation of side of side impact bar

圖16 防撞桿大變形未斷裂Fig.16 Bending deformation of side impact bar

3.3 虛擬模型與實(shí)驗(yàn)?zāi)Ｐ蛯?duì)比

3.3.1 變形對(duì)比

如圖17 所示，防撞桿收到臺(tái)車沖擊，中部折彎變形，與實(shí)驗(yàn)變形一致，且均為發(fā)生明顯斷裂。

圖17 仿真與實(shí)驗(yàn)對(duì)比Fig.17 Comparison between simulation and experiment

3.3.2 加速度對(duì)比

如圖18所示，在仿真模型中輸出臺(tái)車質(zhì)量點(diǎn)的加速度與實(shí)際臺(tái)車加速度曲線趨勢(shì)基本一致。

圖18 加速度對(duì)比Fig.18 Comparison of acceleration curves

綜上，基于虛擬模型進(jìn)行防撞桿碰撞性能評(píng)估，關(guān)鍵在于材料力學(xué)性能的表征，在DYNA 求解器中，針對(duì)金屬、非金屬等均有相應(yīng)的材料卡片；依據(jù)材料卡片的參數(shù)進(jìn)行相應(yīng)材料實(shí)驗(yàn)并進(jìn)行卡片的開發(fā)與標(biāo)定，將防撞桿材料、結(jié)構(gòu)代入虛擬模型，即可對(duì)防撞桿進(jìn)行碰撞性能評(píng)價(jià)。

4 結(jié)束語

基于對(duì)多款車型車門防撞桿的碰撞性能統(tǒng)計(jì)分析，提出了車用防撞桿碰撞性能快速評(píng)估方法，包含基于虛擬模型防撞桿碰撞性能評(píng)估及臺(tái)車沖擊防撞桿碰撞性能評(píng)估方法，具體結(jié)論如下。

（1）統(tǒng)計(jì)5款SUV 車型側(cè)柱碰工況中防撞桿的吸能、變形、是否開裂等情況，總結(jié)出防撞桿碰撞性能評(píng)價(jià)指標(biāo)，針對(duì)子系統(tǒng)進(jìn)行相應(yīng)等效研究，提出防撞桿沖擊子系統(tǒng)模型邊界條件以及子系統(tǒng)防撞桿碰撞性能評(píng)價(jià)指標(biāo)。

（2）針對(duì)某高強(qiáng)鋼進(jìn)行DYNA 材料卡片開發(fā)，主要包括屈服強(qiáng)度、抗拉強(qiáng)度和斷裂參數(shù)以及應(yīng)變率效應(yīng)參數(shù)，獲得較精準(zhǔn)的力學(xué)性能卡片；建立防撞桿沖擊虛擬模型，經(jīng)分析，模型能量變化穩(wěn)定，沙漏能較小，沖擊壁障以高于2 022 J 能量沖擊防撞桿，防撞桿未開裂，相對(duì)位移70 mm，滿足防撞桿抗撞性能指標(biāo)要求。

（3）依據(jù)虛擬模型，進(jìn)行了防撞桿沖擊子系統(tǒng)試驗(yàn)，試驗(yàn)加速度曲線與仿真模型加速度曲線趨勢(shì)基本一直，試驗(yàn)中防撞桿未發(fā)生斷裂，相對(duì)位移68 mm，滿足防撞桿碰撞性能指標(biāo)要求。