饒陽，詹立力　汪育全　徐夢(mèng)飛　葉小青

摘 要：本文通過對(duì)某車型建立低速碰撞CAE仿真模型，結(jié)合仿真結(jié)果和結(jié)構(gòu)特點(diǎn)找出了影響低速碰撞性能的相關(guān)參數(shù)。針對(duì)這些影響參數(shù)，在現(xiàn)有布置結(jié)構(gòu)的約束下，對(duì)方案進(jìn)行優(yōu)化，最終通過CAE仿真和實(shí)車試驗(yàn)共同驗(yàn)證了優(yōu)化方案的可行性。該研究為改進(jìn)低速碰撞性能和車輛后部結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)提供了參考。

關(guān)鍵詞：低速碰撞；CAE分析；結(jié)構(gòu)優(yōu)化；后保險(xiǎn)杠

中圖分類號(hào)：U461.91 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：1005-2550（2017）06-0045-05

Abstract： In this paper， a low-speed collision CAE simulation model is established， and the relevant parameters affecting the low-speed collision performance are found by combining the simulation results and structural characteristics. In view of these influence parameters， under the constraint of the existing arrangement structure， the scheme is optimized， and finally the feasibility of the optimization scheme is verified by CAE simulation and real vehicle test. This study provides a reference for improving low-speed collision performance and designing vehicle rear structure.

Key Words： low-speed crash； CAE analysis； Structural optimization； Rear bumper

前 言

隨著汽車保有量的增大，車輛行駛安全性能越來越受到人們關(guān)注。汽車碰撞事故按照碰撞速度不同可以分為高速碰撞和低速碰撞，在道路擁擠的城市工況下，碰撞事故以低速碰撞為主，此類事故對(duì)人身傷害較小，往往損壞的是車身零部件，有效滿足低速碰撞法規(guī)可以降低事故發(fā)生后的維修費(fèi)用，對(duì)延長車輛使用壽命也有著積極的作用。

1 低速碰撞法規(guī)介紹

GB 17354-1998《汽車前、后端保護(hù)裝置》是目前國內(nèi)低速碰撞采用的強(qiáng)制法規(guī)。法規(guī)中要求對(duì)車輛正前方和正后方分別進(jìn)行兩次碰撞，兩次碰撞分別是在整車整備質(zhì)量和加載質(zhì)量時(shí)進(jìn)行的，加載質(zhì)量需要將整車加載到半載狀態(tài)。前后每個(gè)方向上的兩次碰撞分別在縱向位置和車角位置進(jìn)行，縱向位置兩次碰撞的碰撞器中垂面位置相距不小于300mm?？v向碰撞試驗(yàn)的速度應(yīng)控制在4km/h，車角碰撞試驗(yàn)的速度應(yīng)控制在2.5km/h。并且角碰試驗(yàn)中碰撞器的A平面應(yīng)與車輛的縱向?qū)ΨQ面構(gòu)成60°±5°夾角。其中碰撞器的有效質(zhì)量應(yīng)與整車的整備質(zhì)量相當(dāng)，基準(zhǔn)高度為445mm。

碰撞試驗(yàn)后，對(duì)車輛需要滿足的要求如下：

1）照明燈和信號(hào)裝置應(yīng)能持續(xù)正常工作并清晰可見；

2）車輛的發(fā)動(dòng)機(jī)罩蓋、行李箱蓋和車門能正常開閉，并且汽車的側(cè)門應(yīng)在碰撞的作用下不能開啟；

3）車輛供油和冷卻系統(tǒng)應(yīng)無泄漏，不發(fā)生油路或水路堵塞，其密封裝置與油箱和水箱蓋應(yīng)能正常工作；

4）車輛的排氣系統(tǒng)不應(yīng)損壞和錯(cuò)位；

5）車輛的傳動(dòng)系統(tǒng)、懸架系統(tǒng)（包括輪胎）、轉(zhuǎn)向和制動(dòng)系統(tǒng)應(yīng)保持良好的調(diào)整狀態(tài)并能正常工作。

2 某車型后端低速碰撞分析

2.1 低速碰撞CAE分析結(jié)果

以某車型為例建立CAE仿真分析模型，進(jìn)行車速4km/h的縱向碰撞，圖2為后端低速碰撞示意圖，圖3為后端低速碰撞最大入侵量。從碰撞過程可以看出，后霧燈在整備質(zhì)量和半載下的碰撞中都會(huì)受到后方拖車鉤的擠壓，其中在整備質(zhì)量下，后霧燈受拖車鉤擠壓的情況更為嚴(yán)重，兩種工況下后霧燈均有損壞的風(fēng)險(xiǎn)，不滿足低速碰撞的法規(guī)要求。從碰撞過程的最大侵入量來看，同樣整備質(zhì)量下的侵入量會(huì)比半載工況侵入量更大，侵入時(shí)間更長，后霧燈受損的幾率更高。

2.2 低速碰撞影響參數(shù)分析

低速碰撞的碰撞結(jié)果與相關(guān)布置參數(shù)有很大的關(guān)系。圖4找出了影響該車型碰撞結(jié)果的幾個(gè)重要參數(shù)。其中，c-碰撞器端部與防撞梁Z向重疊量對(duì)碰撞結(jié)果影響很大。由于該車型的防撞梁布置位置偏高，導(dǎo)致碰撞器端部與防撞梁Z向的重疊量過小，在半載工況下，重疊量只有8mm，而在整備質(zhì)量下，重疊量更是減小到0。這就導(dǎo)致在低速碰撞試驗(yàn)中，防撞梁不能有效阻止碰撞器的入侵，會(huì)增大侵入量，延長侵入時(shí)間，這與圖3表現(xiàn)出來的仿真結(jié)果是相吻合的。從圖2的碰撞示意圖中也可以看出，由于整備質(zhì)量工況下的侵入量較大，后霧燈受擠壓的情形也比半載工況下更嚴(yán)重。

a-蒙皮凸出霧燈表面的距離，b-霧燈X向的尺寸，d-霧燈與拖車鉤的距離。對(duì)碰撞結(jié)果有直接影響的參數(shù)為c和d，霧燈與拖車鉤的距離d直接決定了碰撞過程中霧燈會(huì)不會(huì)與拖車鉤接觸，導(dǎo)致霧燈被擠壓損壞。而霧燈的X向尺寸b和蒙皮凸出霧燈表面的距離a可間接影響d的數(shù)值，從而影響碰撞結(jié)果；并且a的大小還會(huì)影響碰撞過程中霧燈面板會(huì)不會(huì)與碰撞器接觸，導(dǎo)致霧燈面板損壞。

3 低速碰撞結(jié)構(gòu)方案優(yōu)化

上文中針對(duì)碰撞結(jié)果，對(duì)影響碰撞的參數(shù)進(jìn)行了相關(guān)分析。由于該車型是改款項(xiàng)目，車身結(jié)構(gòu)的相關(guān)布置都已固化，包括后防撞梁高度，拖車鉤的位置等。所以常規(guī)的布置手段已經(jīng)不能解決低速碰撞不滿足法規(guī)的問題，現(xiàn)需要對(duì)其它結(jié)構(gòu)進(jìn)行優(yōu)化，來解決該問題。endprint

3.1 防撞梁結(jié)構(gòu)優(yōu)化

碰撞器端部與防撞梁的Z向重疊量c是影響碰撞結(jié)果的重要參數(shù)，在防撞梁高度和整車姿態(tài)一定的前提下，碰撞器端部與防撞梁的Z向重疊量也是固定的，無法通過布置來優(yōu)化重疊量c。

現(xiàn)通過優(yōu)化防撞梁結(jié)構(gòu)，增加防撞支架的方案來阻止碰撞器的入侵，間接增加重疊量c。如圖5所示，增加的防撞支架在縱向碰撞和偏置碰撞中都能夠有效支撐碰撞器，阻止碰撞器的入侵。該手段可以在關(guān)鍵碰撞位置有效增加碰撞器端部與防撞梁的Z向重疊量，通過后續(xù)的CAE仿真驗(yàn)證，改善效果較明顯。

在防撞支架的設(shè)計(jì)過程中，有兩種思路：一種是潰縮式支架，另一種是剛性支架。如圖6所示，左側(cè)支架設(shè)計(jì)有潰縮槽，設(shè)計(jì)初衷為支架在碰撞過程中自身變形，吸收能量，減小防撞梁本體的變形量，從而有效阻止碰撞器的侵入。而在實(shí)際碰撞過程中，如圖7所示，由于碰撞點(diǎn)較低，防撞梁受碰撞后發(fā)生的扭轉(zhuǎn)變形的趨勢(shì)不可避免，導(dǎo)致潰縮式支架的碰撞結(jié)果并不理想。從而考慮增強(qiáng)支架自身的剛性，通過支架本身來阻止碰撞器的侵入，后續(xù)的仿真結(jié)果也表明，剛性支架的設(shè)計(jì)確實(shí)對(duì)碰撞結(jié)果有利。

3.2 后霧燈結(jié)構(gòu)優(yōu)化

受造型風(fēng)格和整車布置的影響，后保蒙皮距拖車鉤的距離無太大的優(yōu)化空間，縮小后霧燈X向的尺寸b，可以有效增大后霧燈與拖車鉤的距離d，從而減小碰撞時(shí)后霧燈受拖車鉤擠壓損壞的風(fēng)險(xiǎn)。

目前常見的霧燈燈泡布置方案為縱置式，燈泡布置在霧燈的正后方，這樣使整個(gè)霧燈的X向尺寸較大。競(jìng)品車型中日產(chǎn)已有很多車型采用了橫置燈泡的方案，可以有效減小霧燈X向的尺寸，雖然橫置燈泡對(duì)霧燈的配光和散熱有一定的影響，但仍可以滿足設(shè)計(jì)要求。從表2的分析可以看出，橫置方案比縱置方案可以減小霧燈X向尺寸約20mm，從而增大后霧燈與拖車鉤的距離。

3.3 蒙皮造型優(yōu)化

同后霧燈一樣，在其它條件不變的前提下，減小后霧燈X向的尺寸b，可以有效增大后霧燈與拖車鉤的距離d；同樣，減小蒙皮凸出霧燈表面的距離a也可以增大后霧燈與拖車鉤的距離d。

在后保險(xiǎn)杠設(shè)計(jì)中，為滿足碰撞要求，一般要求蒙皮凸出霧燈表面的距離為25mm，由于本案例受布置空間的限制，已將蒙皮凸出霧燈表面的距離減小到15mm。表3中的車型后霧燈都是布置在后保險(xiǎn)杠的中間位置，霧燈在碰撞后受損的風(fēng)險(xiǎn)較高。從分析數(shù)據(jù)來看，霧燈的高度直接處在碰撞器端部的區(qū)域時(shí)，需要適當(dāng)增大蒙皮凸出霧燈表面的距離來降低霧燈受損的風(fēng)險(xiǎn)。本案例中，霧燈的離地高度為492mm，剛好處在碰撞器端部的區(qū)域，結(jié)合競(jìng)品數(shù)據(jù)，為了進(jìn)一步優(yōu)化低速碰撞的結(jié)果，將蒙皮凸出霧燈表面的距離由15mm優(yōu)化到10mm，從而增大后霧燈與拖車鉤的距離。

4 優(yōu)化方案驗(yàn)證

表4是低速碰撞影響參數(shù)的優(yōu)化值，針對(duì)優(yōu)化后的CAE仿真模型，碰撞仿真結(jié)果如圖9和圖10所示。從碰撞結(jié)果來看，優(yōu)化后的碰撞器侵入量有不同程度的減小，說明防撞梁方案起到了阻止碰撞器入侵的作用，后霧燈在整個(gè)碰撞過程中也沒有和拖車鉤接觸，極大的降低了后霧燈損壞的風(fēng)險(xiǎn)，從CAE仿真結(jié)果可以看出，優(yōu)化方案有效可行。

5 總結(jié)

本文通過對(duì)某車型建立低速碰撞CAE仿真模型，結(jié)合仿真結(jié)果找出影響碰撞結(jié)果的相關(guān)參數(shù)。針對(duì)這些影響參數(shù)，對(duì)結(jié)構(gòu)進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)，最終通過CAE仿真和實(shí)車試驗(yàn)共同驗(yàn)證了優(yōu)化方案的可行性。以上方法為改進(jìn)低速碰撞性能和車輛后部結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)提供了參考，具有一定的工程意義。

參考文獻(xiàn)：

[1]李政， 王大志， 李璧浩， 杜漢斌. 低速碰撞過程中前保結(jié)構(gòu)的改進(jìn)設(shè)計(jì)研究[J].上海汽車. 2011（5）： 33-36.

[2]崔淑娟， 陳可明， 史愛民， 符志， 李氣輝.某車型后端低速碰撞的安全性能分析及優(yōu)化[J]. 汽車工程學(xué)報(bào). 2016， 6（6）：442-448.

[3]柳蕭， 楊新明， 呂鑫， 張雅強(qiáng)， 王秀錦. 汽車后保險(xiǎn)杠低速碰撞的法規(guī)及布置要求[J]. 汽車工程師. 2016（11）：11-14.

[4]GB17354-1998. 汽車前后端保護(hù)裝置[S]. 北京：中國標(biāo)準(zhǔn)出版社， 1998.

[5]石錦， 邱榮英， 汪霞， 徐凱， 盧宇峰. 汽車低速碰撞模擬中的關(guān)鍵因素識(shí)別[J]. 汽車安全. 2014（11）：57-60.endprint