李鳳宸 朱西產(chǎn) 董學(xué)勤 沈劍平 繆文泉

（1.同濟(jì)大學(xué)汽車安全技術(shù)研究所;2.上海機(jī)動(dòng)車檢測(cè)中心）

基于零部件試驗(yàn)的保險(xiǎn)杠系統(tǒng)輕量化研究＊

李鳳宸1朱西產(chǎn)1董學(xué)勤1沈劍平2繆文泉2

（1.同濟(jì)大學(xué)汽車安全技術(shù)研究所;2.上海機(jī)動(dòng)車檢測(cè)中心）

從變形模式、能量吸收和截面力傳遞等方面將零部件碰撞結(jié)果同整車碰撞結(jié)果建立關(guān)聯(lián)，從而建立了保險(xiǎn)杠-吸能盒零部件碰撞仿真模型并進(jìn)行了試驗(yàn)，由此提出了一種通過零部件試驗(yàn)評(píng)價(jià)保險(xiǎn)杠-吸能盒在整車碰撞中的性能特性的方法。運(yùn)用該零部件碰撞模型進(jìn)行了保險(xiǎn)杠-吸能盒輕量化設(shè)計(jì)。優(yōu)化結(jié)果表明，在減輕質(zhì)量的同時(shí)保證了優(yōu)化前、后整車碰撞特性基本一致，節(jié)省了大量計(jì)算時(shí)間。

1 前言

車身結(jié)構(gòu)件的輕量化對(duì)于節(jié)約能源、減少?gòu)U氣排放十分重要。實(shí)現(xiàn)汽車保險(xiǎn)杠系統(tǒng)（包括保險(xiǎn)杠橫梁、吸能盒等部件）輕量化的途徑主要有優(yōu)化部件結(jié)構(gòu)使其薄壁化及采用低密度高強(qiáng)度的輕型材料[1]等，但需要注意的是，更改保險(xiǎn)杠橫梁、吸能盒的結(jié)構(gòu)和材料勢(shì)必會(huì)對(duì)車輛整體的耐撞性產(chǎn)生較大影響，因此，為保證車輛的安全性，在對(duì)保險(xiǎn)杠系統(tǒng)進(jìn)行輕量化時(shí)需要檢驗(yàn)整車的碰撞性能。目前，在低速碰撞和行人保護(hù)方面，GB17354—1998《汽車前、后端保護(hù)裝置》和GB/T24550—2009《汽車對(duì)行人的碰撞保護(hù)》等法規(guī)規(guī)定了針對(duì)保險(xiǎn)杠系統(tǒng)的試驗(yàn)評(píng)估方案，根據(jù)這些法規(guī)建立的零部件碰撞模型已被應(yīng)用于保險(xiǎn)杠輕量化中，可保證優(yōu)化后整車低速碰撞安全性[2]。但在高速碰撞方面還沒有針對(duì)保險(xiǎn)杠系統(tǒng)通用的零部件試驗(yàn)方案，對(duì)車輛整體碰撞性能的評(píng)價(jià)都是通過整車碰撞獲得，由于目前計(jì)算機(jī)仿真中每次整車碰撞所需計(jì)算時(shí)間較長(zhǎng)，直接應(yīng)用整車碰撞模型進(jìn)行保險(xiǎn)杠系統(tǒng)仿真優(yōu)化在現(xiàn)階段還難以實(shí)現(xiàn)，因此，有必要設(shè)計(jì)零部件碰撞方案，以便在輕量化仿真中代替整車碰撞[3]。為此，根據(jù)某車輛50 km/h全正面碰撞仿真結(jié)果，設(shè)計(jì)了可用于對(duì)保險(xiǎn)杠系統(tǒng)在整車碰撞中的吸能、傳力情況進(jìn)行評(píng)價(jià)的零部件試驗(yàn)方案，并應(yīng)用所設(shè)計(jì)零部件碰撞模型，在保證整車高速碰撞安全性的前提下，對(duì)保險(xiǎn)杠系統(tǒng)進(jìn)行了輕量化設(shè)計(jì)。

2 整車正面碰撞中保險(xiǎn)杠系統(tǒng)性能分析

根據(jù)2012年版C-NCAP管理規(guī)則，利用HyperMesh軟件建立了某車型50 km/h正面100%重疊剛性壁障碰撞有限元模型，并根據(jù)此車型的試驗(yàn)數(shù)據(jù)對(duì)該模型進(jìn)行校正。通過驗(yàn)證，整車模型的仿真分析結(jié)果與試驗(yàn)結(jié)果的誤差在允許范圍內(nèi)，該有限元模型具有較高的可信度。

在整車全正面碰撞工況下，保險(xiǎn)杠橫梁、吸能盒發(fā)生塑性變形以吸收碰撞能量，同時(shí)將碰撞力傳遞給前縱梁等部件。保險(xiǎn)杠系統(tǒng)變形過程如圖1所示。

根據(jù)仿真結(jié)果，碰撞過程結(jié)束后，保險(xiǎn)杠系統(tǒng)吸收的總變形能為29.46 kJ，系統(tǒng)中各零部件吸收的能量如表1所列。

表1 整車碰撞工況下保險(xiǎn)杠系統(tǒng)吸收能量

在整車碰撞有限元模型中，通過定義Database_Cross_Section截面可得到保險(xiǎn)杠橫梁最先彎折處（截面1）、吸能盒（截面2）及前縱梁前端（截面3）的截面力，截面位置及截面力曲線如圖2所示。圖2中，通過截面3的截面力曲線出現(xiàn)3個(gè)主要波峰，其中，第3峰值為該處截面力最大值，而第1峰值與截面1的截面力峰值相吻合，第2峰值與截面2的截面力峰值相吻合。分析碰撞過程可知，碰撞發(fā)生后碰撞體的截面力會(huì)逐漸上升，至某處截面發(fā)生塑性變形后通過該截面的截面力開始減小，截面力曲線出現(xiàn)波峰并向后傳遞。截面1和截面2的截面力波峰向后傳遞使截面3的截面力曲線出現(xiàn)了第1峰值和第2峰值，而前縱梁前端開始變形導(dǎo)致出現(xiàn)第3峰值，因此，通過截面3的3個(gè)峰值可分別對(duì)保險(xiǎn)杠橫梁、吸能盒以及前縱梁前端發(fā)生壓潰時(shí)的截面力峰值進(jìn)行評(píng)價(jià)。而在零部件碰撞試驗(yàn)中，當(dāng)提取出類似位置的截面力曲線，且當(dāng)該曲線與截面3的截面力曲線具有一致性時(shí)，便可通過該零部件試驗(yàn)獲得整車碰撞中通過保險(xiǎn)杠橫梁、吸能盒及吸能盒后方部件的截面力信息。

3 保險(xiǎn)杠系統(tǒng)零部件試驗(yàn)研究

3.1 建立仿真模型

進(jìn)行保險(xiǎn)杠系統(tǒng)零部件碰撞試驗(yàn)時(shí)，采用剛性移動(dòng)壁障撞擊保險(xiǎn)杠橫梁，保險(xiǎn)杠系統(tǒng)通過吸能盒后方墊片上的螺栓孔與固定塊連接，如圖3所示。

根據(jù)保險(xiǎn)杠系統(tǒng)在整車碰撞中吸收的能量，初步確定剛性移動(dòng)壁障的初始動(dòng)能為29.46 kJ，剛性移動(dòng)壁障的速度與整車碰撞中車速相同，為50 km/h。

由于所用試驗(yàn)設(shè)備速度達(dá)不到50 km/h，在保證初始能量一致的情況下，考慮適當(dāng)增加移動(dòng)壁障質(zhì)量，以降低移動(dòng)壁障速度。通過仿真發(fā)現(xiàn)，若將移動(dòng)壁障初始速度從50 km/h（13.89 m/s）降為12 m/s，并調(diào)整壁障配重保證初始動(dòng)能與速度降低前一致，則保險(xiǎn)杠碰撞結(jié)果與速度和配重調(diào)整前的碰撞結(jié)果基本一致，因此將移動(dòng)壁障初始速度設(shè)為12 m/s。碰撞結(jié)束后移動(dòng)壁障初始動(dòng)能沒有全部轉(zhuǎn)變成保險(xiǎn)杠系統(tǒng)的變形能，部分能量轉(zhuǎn)變?yōu)橄到y(tǒng)摩擦能及移動(dòng)壁障回彈動(dòng)能。通過多次仿真對(duì)初始動(dòng)能進(jìn)行校正，確定初始能量為30.77 kJ，移動(dòng)壁障質(zhì)量為427 kg。

需要注意的是，在零部件碰撞仿真中，吸能盒前方U型墊片會(huì)與吸能盒后方的固定塊發(fā)生干涉，而在整車碰撞中由于吸能盒后方是前縱梁，U型墊片沒有發(fā)生壓潰，U型墊片與固定塊的干涉將導(dǎo)致零部件試驗(yàn)截面力曲線產(chǎn)生偏差?？紤]到U型墊片在整車碰撞過程中變形較小，對(duì)碰撞結(jié)果影響不大，因此在進(jìn)行零部件試驗(yàn)時(shí)將干涉部分去除，如圖3中虛線部分。

3.2 仿真結(jié)果分析

建立零部件碰撞試驗(yàn)的目的是將整車的碰撞性能要求分配到各子部件中，因此零部件試驗(yàn)結(jié)果應(yīng)能夠與整車碰撞中該部件的性能特性建立關(guān)聯(lián)性。對(duì)于保險(xiǎn)杠系統(tǒng)零部件碰撞試驗(yàn)，主要要求零部件試驗(yàn)結(jié)果能夠在變形模式、能量吸收和截面力傳遞3個(gè)方面與整車碰撞建立聯(lián)系。

3.2.1 變形模式對(duì)比

圖4為在零部件碰撞工況和整車碰撞工況下保險(xiǎn)杠系統(tǒng)的變形過程比較。由圖4可看出，保險(xiǎn)杠橫梁先發(fā)生彎折，然后吸能盒發(fā)生軸向壓潰，2種工況下的變形模式基本相同。

3.2.2 吸收能量對(duì)比

在零部件碰撞試驗(yàn)中，剛性移動(dòng)壁障的初始動(dòng)能最終轉(zhuǎn)化為保險(xiǎn)杠系統(tǒng)的變形能、固定塊的殘余變形能、移動(dòng)壁障的回彈動(dòng)能以及系統(tǒng)摩擦能等。經(jīng)過分析可知，移動(dòng)壁障的回彈動(dòng)能和系統(tǒng)摩擦能分別為0.46 kJ和0.65 kJ，相對(duì)移動(dòng)壁障初始能量來說很小，而且在初始速度一定時(shí)，移動(dòng)壁障回彈動(dòng)能及系統(tǒng)摩擦能變化不大，因此對(duì)保險(xiǎn)杠系統(tǒng)的變形能影響較大的主要是固定塊的殘余變形能。為此，在仿真中改變系統(tǒng)的初始能量，測(cè)量不同碰撞能量下固定塊截面力峰值和殘余變形能大小，圖5為固定塊截面力峰值與殘余變形能關(guān)系曲線。從圖5可看出，當(dāng)固定塊截面力峰值小于6×106N時(shí)，固定塊殘余變形能很小，固定塊以彈性變形為主；隨初始能量增加，當(dāng)固定塊截面力峰值超過6×106N后，固定塊殘余變形能上升較快。通過仿真發(fā)現(xiàn)，初始動(dòng)能在30 kJ范圍內(nèi)時(shí)，左右兩側(cè)固定塊截面力峰值不超過2.5×105N，遠(yuǎn)小于6×106N，因此可認(rèn)為零部件碰撞中初始能量為30.77 kJ時(shí)，固定塊不發(fā)生塑性變形。

在零部件工況和整車工況下，保險(xiǎn)杠系統(tǒng)各部件吸收能量對(duì)比結(jié)果如表2所列。由表2可知，各關(guān)鍵零部件誤差不超過10%，保險(xiǎn)杠系統(tǒng)在零部件碰撞工況下吸能效果與整車碰撞一致。

表2 保險(xiǎn)杠系統(tǒng)不同工況下吸收能量對(duì)比

3.2.3 截面力傳遞對(duì)比

在零部件碰撞仿真中，提取保險(xiǎn)杠橫梁、吸能盒及固定塊的截面力曲線，與整車碰撞仿真中前縱梁前端的截面力曲線進(jìn)行對(duì)比，如圖6所示。由圖6可看出，固定塊截面力曲線與前縱梁前端曲線形狀一致且3個(gè)峰值較吻合，因此，通過固定塊截面力曲線可獲得整車碰撞中通過保險(xiǎn)杠橫梁、吸能盒及吸能盒后方部件的截面力信息。

在實(shí)際試驗(yàn)中，保險(xiǎn)杠橫梁最先彎折處及吸能盒的截面力峰值難以測(cè)得，但在固定塊后方布置力傳感器可測(cè)得通過固定塊的截面力曲線，因此，通過該零部件試驗(yàn)對(duì)整車碰撞中截面力傳遞進(jìn)行評(píng)價(jià)是可行的。

對(duì)于確定的整車系統(tǒng)，當(dāng)改變保險(xiǎn)杠系統(tǒng)參數(shù)時(shí)，整車碰撞性能的變化會(huì)通過零部件碰撞試驗(yàn)反映在固定塊截面力曲線的3個(gè)峰值上，通過與原模型截面力峰值進(jìn)行比較，可以對(duì)改進(jìn)方案進(jìn)行評(píng)價(jià)。

3.3 試驗(yàn)數(shù)據(jù)對(duì)比

利用跌落塔裝置進(jìn)行保險(xiǎn)杠系統(tǒng)零部件碰撞試驗(yàn)，試驗(yàn)裝置如圖7所示。實(shí)際試驗(yàn)中，落錘質(zhì)量為422 kg，落錘速度為11.95 m/s，初始動(dòng)能為30.13 kJ，與仿真模型的偏差在可接受范圍內(nèi)。

試驗(yàn)中，通過固定塊上布置的力傳感器獲得通過固定塊的截面力曲線，與仿真中的截面力曲線對(duì)比如圖8所示。由圖8可看出，固定塊截面力波形整體上與仿真結(jié)果相似。試驗(yàn)中并沒有測(cè)得第1峰值，這可能是由于所用傳感器精度不足造成的。

4 應(yīng)用零部件碰撞模型的保險(xiǎn)杠系統(tǒng)輕量化研究

4.1 建立輕量化模型

優(yōu)化前，保險(xiǎn)杠系統(tǒng)總質(zhì)量為8.1 kg，保險(xiǎn)杠橫梁和吸能盒所用材料的屈服極限分別為420 MPa和400 MPa。在進(jìn)行輕量化設(shè)計(jì)時(shí)，采用超高強(qiáng)度鋼（屈服極限為800 MPa）替換原材料。選取保險(xiǎn)杠橫梁厚度tb和吸能盒厚度tc作為設(shè)計(jì)變量，通過改變tb和tc的大小，在保證整車碰撞安全性的前提下，使保險(xiǎn)杠系統(tǒng)總質(zhì)量M盡可能減輕。

根據(jù)所建立的零部件試驗(yàn)?zāi)Ｐ?，為保證優(yōu)化前、后整車碰撞安全性一致，需滿足以下約束條件：在相同零部件試驗(yàn)加載條件下，優(yōu)化前、后固定塊截面力峰值相同。由于固定塊截面力曲線第1峰值相對(duì)于第2峰值和第3峰值較小，因此在設(shè)定約束條件時(shí)，主要考慮截面力曲線的第2峰值和第3峰值與優(yōu)化前的偏差盡可能小。

將左、右兩側(cè)固定塊截面力第2峰值、第3峰值分別記為T2左、T2右、T3左、T3右，優(yōu)化前、后截面力曲線的第2峰值、第3峰值的總偏差記為Δ，則Δ=比例因子根據(jù)經(jīng)驗(yàn)，δ一般不應(yīng)超過8%。優(yōu)化前零部件碰撞模型固定塊截面力峰值如表3所列。

表3 優(yōu)化前零部件碰撞模型固定塊截面力峰值N

車輛碰撞是復(fù)雜的非線性問題，在此采用自適應(yīng)響應(yīng)面法（Adaptive Response Surface Methodology）進(jìn)行求解[4]。

該保險(xiǎn)杠輕量化問題的數(shù)學(xué)模型為：

輸出響應(yīng)：M，Δ

約束條件：Δ＜（T2左+T2右+T3左+T3右）·δ

優(yōu)化目標(biāo)：Min（M）

根據(jù)仿真經(jīng)驗(yàn)，將約束條件中的比例因子δ設(shè)定為6%。根據(jù)優(yōu)化前保險(xiǎn)杠模型數(shù)據(jù)，設(shè)定初始值分別為tb=2 mm、tc=1.8 mm。

4.2 優(yōu)化結(jié)果及驗(yàn)證

利用HyperStudy軟件建立優(yōu)化模型，經(jīng)過25次迭代后結(jié)果收斂，優(yōu)化結(jié)果如表4所列。

表4 優(yōu)化結(jié)果

根據(jù)優(yōu)化結(jié)果，考慮到制造工藝水平，取tb= 1.9 mm、tc=1.4 mm作為該保險(xiǎn)杠系統(tǒng)輕量化設(shè)計(jì)的最終結(jié)果，此時(shí)M=7.3 kg。零部件碰撞工況下，優(yōu)化前、后固定塊截面力曲線如圖9所示。

將優(yōu)化后的保險(xiǎn)杠系統(tǒng)模型安裝到優(yōu)化前整車模型中進(jìn)行整車碰撞驗(yàn)證，優(yōu)化前、后前縱梁前端截面力曲線如圖10所示，優(yōu)化前、后整車碰撞工況下保險(xiǎn)杠系統(tǒng)吸收能量對(duì)比如表5所列，優(yōu)化前、后整車碰撞下B柱下端加速度曲線如圖11所示。

表5 優(yōu)化前、后整車碰撞工況下保險(xiǎn)杠系統(tǒng)吸收能量對(duì)比

由優(yōu)化結(jié)果可知，采用了高強(qiáng)度鋼的保險(xiǎn)杠系統(tǒng)質(zhì)量從8.1 kg降為7.3 kg，減輕了9.6%。根據(jù)圖10、圖11和表5可知，與優(yōu)化前模型相比，優(yōu)化后前縱梁前端截面力峰值略有降低，保險(xiǎn)杠系統(tǒng)吸收的能量略有增加，而B柱下端加速度曲線基本一致，整車的碰撞安全性沒有降低，而且計(jì)算時(shí)間大大減少。因此，利用零部件碰撞試驗(yàn)進(jìn)行保險(xiǎn)杠系統(tǒng)輕量化設(shè)計(jì)的方法是可行的。

5 結(jié)束語

建立了保險(xiǎn)杠系統(tǒng)零部件碰撞模型，在變形模式、能量吸收和截面力傳遞等方面將零部件試驗(yàn)結(jié)果同整車碰撞結(jié)果之間建立了關(guān)聯(lián)性，提出了一種通過零部件試驗(yàn)評(píng)價(jià)保險(xiǎn)杠系統(tǒng)在整車碰撞中的性能特性的方法。應(yīng)用該零部件碰撞模型進(jìn)行了保險(xiǎn)杠系統(tǒng)輕量化設(shè)計(jì)，并對(duì)優(yōu)化后的系統(tǒng)進(jìn)行了整車碰撞仿真，證明了該方法可在保證整車高速碰撞安全性能的前提下，實(shí)現(xiàn)保險(xiǎn)杠系統(tǒng)的輕量化，并能節(jié)省大量的計(jì)算時(shí)間。

1劉海江,張夏,肖麗芳.基于LS-DYNA的7075鋁合金汽車保險(xiǎn)杠碰撞仿真分析.機(jī)械設(shè)計(jì),2011,28（2）:18～22.

2曹立波,陳杰.基于碰撞安全性的保險(xiǎn)杠橫梁輕量化設(shè)計(jì)與優(yōu)化.中國(guó)機(jī)械工程,2012,23（23）:2888～2893.

3劉維海,程秀生,朱學(xué)武,等.基于平均壓潰力的轎車前端結(jié)構(gòu)優(yōu)化方法.汽車技術(shù),2011（7）:19～23.

（責(zé)任編輯文楫）

修改稿收到日期為2013年8月16日。

Lightweight Research of Bumper and Crash Box Based on Components Test

Li Fengchen1,Zhu Xichan1,Dong Xueqin1,Shen Jianping2,Miu Wenquan2
（1.AutomotiveSafetyTechnologyInstituteofAutomotiveCollege,TongjiUniversity;2.ShanghaiMotorVehicleInspection Center）

The correlation between vehicle crash test and component crash test is established in aspects of deformation mode,energy absorption and force transmission.Then a bumper-cash box crash simulation model is built and tested,hence a method to evaluate the performance characteristic of bumper-crash box during vehicle crash with components test is proposed.This component crash model is adopted in lightweight design of bumper-crash box.The optimization shows that the weight of bumper and crash box is reduced without risk of compromising crashworthiness performance,and a lot of time is saved for calculation.

Bumper-crash box,Components test,Lightweight

保險(xiǎn)杠-吸能盒零部件試驗(yàn)輕量化

U463.83

：A

：1000-3703（2014）03-0005-05

國(guó)家863計(jì)劃項(xiàng)目（2012AA111302）。