基于小偏置碰撞車輛前端結構的改進設計

崔宏偉，郝琪，劉正午，梅佳煒

（湖北汽車工業(yè)學院 汽車工程學院，湖北 十堰 442002）

2017 年7 月中國保險汽車安全指數(shù)（C-IASI）推出25%小偏置正面碰撞試驗方法和評價規(guī)則［1］，該工況尚未列入國家強制車輛碰撞檢驗標準。在小偏置碰撞中，障礙物避開了多數(shù)車型的保險杠和前縱梁等吸能結構件，直接對駕駛員造成傷害，碰撞條件苛刻，對車輛傳統(tǒng)前端設計帶來新的挑戰(zhàn)。國內外學者對汽車小偏置碰從結構改進、材料和約束系統(tǒng)等方面開展了研究。Nguyen 等在小偏置碰中提出了延長防撞橫梁和改進門檻梁的結構優(yōu)化方案［2］；李燦民等針對小偏置碰縱梁碰撞過程中不吸能，提出Y 形結構的改進方案，增大碰撞過程中接觸面積［3］；劉學莉等基于小偏置正面碰撞對某SUV 車型上指梁進行了截面大小和壓潰槽的結構改進，降低了傳遞到乘員艙的載荷［4］；李林峰等從結構改進與材料加強方面優(yōu)化車輛前端結構［5］；汪俊等在小偏置碰中提出加強車輛結構的完整性進一步降低駕乘人員的受傷風險［6］。目前，針對傳統(tǒng)燃油汽車進行的小偏置碰撞，通過結構改進可提高車輛的碰撞性能，但針對純電動汽車進行小偏置碰撞的研究較少。基于此，在小偏置碰撞工況下，文中對微型電動車前端結構進行改進，通過延長防撞梁的長度并設計>形件，增加前端結構與壁障的接觸面積，合理分配碰撞載荷，使前端結構在碰撞中變形形式更合理，增加整車的吸能量，提高小偏置碰撞結構耐撞性。

1 微型電動車小偏置碰撞模型建立

文中研究在課題組前期完成實驗對標的某微型電動車100%正面碰撞有限元模型基礎上進行［7］。微型電動車是結構緊湊、微型單排兩座的城市代步電動車，整車模型細分為車身、動力總成、轉向系統(tǒng)、制動系統(tǒng)和乘員約束系統(tǒng)。

按照C-IASI 規(guī)定，壁障高為1524 mm，弧形面半徑為150 mm，弧形角度為115°，根據(jù)車身整體尺寸和坐標系的布置，該壁障位于車身左側，與車身重疊率為整車寬度的25%，壁障材料采用剛性材料MAT20，設置壁障為全約束。模型中鈑金結構件采用5 mm的2D網(wǎng)格進行劃分，對于曲率半徑大的部件采用20 mm 的2D 網(wǎng)格進行劃分，其他圓孔細節(jié)處選擇3 mm的網(wǎng)格進行劃分。建立3種接觸類型，包括整車自接觸，結構件間的面面接觸和點焊接觸。碰撞車速為64 km·h-1，計算時長0.12 s。為了在仿真結果中讀取所需數(shù)據(jù)，通過DATABASE_OPTION關鍵字對輸出文件進行設置。整車小偏置碰撞模型如圖1所示。

圖1 整車小偏置碰撞仿真模型

2 小偏置碰撞工況車體運動特性

2.1 碰撞有效性分析

碰撞仿真過程的系統(tǒng)能量變化如圖2所示，仿真模型的總能量為160 kJ，開始發(fā)生碰撞時，速度下降，系統(tǒng)動能轉化為內能，結構件參與吸收能量，總體內能增大；在60 ms 時系統(tǒng)能量趨于穩(wěn)定，能量趨于守恒。沙漏能最大為10.8 kJ，這是由于小偏置高速碰撞工況下前車架和輪胎的大部分單元產(chǎn)生接觸大變形，產(chǎn)生了一定的沙漏能，仿真中沙漏能占比為總能量的6.75%，能量變化滿足要求。整車因質量縮放引起的質量增加量非常小，對仿真結果基本無影響。

圖2 能量變化曲線

2.2 整車變形分析

圖3 展示了整車運動變形過程，在0～5 ms 車體保持X軸方向前行。在5 ms 時車體開始與剛性壁障接觸，20 ms前縱梁開始發(fā)生輕微變形；隨著碰撞的進行，壁障和車輛左側接觸區(qū)域變形加劇，由于壁障與前縱梁的接觸范圍小，發(fā)生大變形區(qū)域較小，雖產(chǎn)生了壓潰阻力，但相對整車載荷較小，同時由于阻力位于質心一側，車輛有繞Z軸逆時針轉動的趨勢。從35 ms 開始，壁障與左側輪胎接觸，且剛度較大的懸架系統(tǒng)和轉向系統(tǒng)也發(fā)生了碰撞接觸，阻力進一步增加。前縱梁只發(fā)生向內側彎曲變形，沒有發(fā)生吸能效果良好的壓潰變形，左側輪胎承受著較大的載荷。伴隨著大變形的產(chǎn)生，車輛產(chǎn)生了較大的側向力矩，繞Z軸轉動角速度增大。由于剛性較大的懸架、轉向機構及其他結構部件的吸能有限，此時整車仍有較大的動能，車輛繞Z軸的轉角增大。

圖3 碰撞過程整車變形圖

由圖4看出，前縱梁與壁障弧形面的接觸面積較小，未發(fā)揮正面碰撞中應有的效果。左側輪胎與壁障接觸面積較大，但由于輪胎剛度較小，輪胎產(chǎn)生了巨大的壓潰變形，帶動轉向節(jié)臂繞其連接銷產(chǎn)生Z軸轉動，轉向器管壁產(chǎn)生彎曲，碰撞力傳遞到乘員艙。乘員艙結構采用大剛度設計，A柱及前門框周圍在碰撞后保持基本外形輪廓。

圖4 不同時刻前縱梁變形狀態(tài)圖

2.3 整車運動特性

高速碰撞下整車B 柱X向、Y向加速度曲線和整車繞Z軸轉角曲線如圖5所示。碰撞初期，前縱梁等前端部件與壁障接觸面積小，緩沖吸能和分散碰撞力的作用不明顯，保險杠和吸能盒變形吸能，X向、Y向加速度變化小。隨著碰撞的進行，當剛性壁障的碰撞力傳遞到乘員艙時，由于乘員艙剛性大，車輛動能不能及時轉化為內能，在33 ms 左右出現(xiàn)了X向加速度峰值，為109.8g。由于剛性壁障偏置放置，在車輛前進方向的單側產(chǎn)生巨大運動阻力，車輛產(chǎn)生Y向加速度，峰值為46.15g，發(fā)生在34 ms左右。同時車身從30 ms開始產(chǎn)生Z軸轉動，繞Z軸轉角在120 ms達到最大，為30°。

圖5 整車運動特性

3 基于車輛前端結構的改進設計

由于微型電動車電池系統(tǒng)在座椅下方，前端吸能空間尺寸大幅降低，吸能部件較傳統(tǒng)燃油汽車少，乘員艙剛性大、變形小、加速度大。由上述仿真結果可得：1）碰撞過程中，整車變形程度劇烈，特別在整車左側區(qū)域，車輪和懸架嚴重向后擠壓；2）隨著剛性壁障的侵入，前縱梁沒有起到較好的吸能作用，在傳導碰撞力上也沒有充分發(fā)揮作用。針對上述問題，為在小偏置碰撞中提高整車的吸能量，降低乘員損傷情況，對前縱梁的結構進行優(yōu)化設計。

3.1 優(yōu)化方案

考慮到車身總布置情況及結構改進的便宜性，前端結構改進采用增加碰撞載荷傳遞路線的設計思路，即增加防撞橫梁與剛性壁障重疊面積。在空間條件允許下，考慮延長防撞橫梁的長度，并通過在前縱梁新增>形結構件的方式，將防撞橫梁與前縱梁連接到一起，增加前端結構與壁障的接觸面積，建立載荷傳遞通道，使得前縱梁的變形吸能作用得以發(fā)揮。新增結構件采用相同的材料和厚度，前端結構優(yōu)化前后對比如圖6所示。

圖6 前端結構優(yōu)化前后對比

1）傾角設計 汽車薄壁梁在斜向沖擊工況下，隨著傾斜角度的增加，薄壁梁在碰撞中出現(xiàn)歐拉變形的概率增大，平均截面力下降，薄壁梁結構吸能量降低［8-9］。>形件與車輛前進方向的夾角對其在碰撞過程中的傳力以及變形情況有極大的影響。為了研究>形件不同角度對碰撞的影響，選取3種不同布置方案：方案1中>形件前端與防撞橫梁最外端連接，如圖7 a 所示；方案2 中>形件與防撞橫梁新增延伸件中部連接，如圖7 b所示；方案3中>形件與車輛前進方向保持較小夾角15°，保證>形件的整個截面能完全正面接觸壁障，如圖7 c所示。

圖7 傾角優(yōu)化方案

2）誘導槽設計 在>形件中引入誘導槽結構。誘導槽的數(shù)量和間距對薄壁梁變形吸能和碰撞力的大小產(chǎn)生影響［10-11］。文中采用半圓形凹槽，結合前縱梁以及>形件的實際結構尺寸，設計誘導槽數(shù)量分別為4、8和12個。

3.2 優(yōu)化結果分析

結構變形如圖8 所示，方案1(4)表示在方案1中>形件上開4個誘導槽，以此類推。碰撞前中期>形件均發(fā)生不同程度的彎折變形，將碰撞力傳遞到前縱梁，使前縱梁發(fā)生較嚴重的橫向彎折變形。方案2中前縱梁橫向彎折最明顯，且誘導槽附近發(fā)生一定的局部軸向潰壓。將仿真結果與原模型進行對比，如表1 所示。改進后前縱梁吸能量顯著提高，大于10 kJ，方案2(8)中前縱梁吸能量最大，但乘員加權綜合損傷值（weighted injury criterion,WIC）為2.83，乘員損傷嚴重。方案3(12)和方案2(4)中整車吸能量較高，但WIC均大于1，乘員損傷較嚴重。>形件吸能量均在1 kJ 左右，其中方案1(12)中>形件吸能量最大，為1.69 kJ，但WIC高達6.06，乘員損傷嚴重。方案2(4)中前縱梁吸能量為10.94 kJ，比原模型提高了128.4%，整車吸能量達到149.54 kJ，是原模型的1.26 倍，>形件吸能量為1.19 kJ，改善了該微型電動車小偏置碰撞的結構耐撞性，使得WIC下降明顯，為0.75。

圖8 誘導槽結構碰撞變形圖

表1 不同方案應用誘導槽對吸能量及WIC的影響

4 結論

微型電動車在小偏置碰撞試驗下存在傳統(tǒng)關鍵吸能部件變形吸能不足、乘員艙變形嚴重和加速度峰值過大的問題，為此進行前端結構的改進，得出以下結論：1）>形件以及誘導槽的應用，在小偏置碰撞中形成有效載荷通道，顯著提高前縱梁及整車的吸能量；2）>形件設置合理，使得小偏置碰撞結構耐撞性顯著提升，乘員損傷下降明顯；3）通過結構改進，前縱梁的吸能量有所提高，占比近10%，但依然存在繼續(xù)優(yōu)化的空間。