吳長風，那景新，秦國鋒，盧琳兆，袁 正，楊佳宙

（1.吉林大學，汽車仿真與控制國家重點實驗室，長春 130022； 2.廈門金龍聯(lián)合汽車工業(yè)有限公司，廈門 361023；3.廣西師范大學職業(yè)技術師范學院，桂林 541004； 4.煙臺大學機電汽車工程學院，煙臺 264005）

前言

目前，國內外大客車碰撞安全性的法規(guī)主要是考核側翻碰撞，而針對正面碰撞的法規(guī)尚未有成文的標準［1-2］。歐洲ECBOS項目、英國考文垂大學和美國NHTSA等都開展了大客車正面碰撞測試與評價方法研究，主要借鑒商用車擺錘或乘用車正面碰撞測試方法，重點研究了現(xiàn)階段大客車的碰撞安全性與乘員傷害情況［3-6］。國內長安大學、湖南大學等也在大客車耐撞性評價方法、仿真和結構改進等方面開展了相關研究［7-10］，客車行業(yè)自2010年開始，在主管部門和行業(yè)協(xié)會推動下，展開大客車正面碰撞測試與評價方法的研究，以30 km／h速度100%剛性墻碰撞為測試方法［9，11］，以考核駕駛員生存空間和前排乘客損傷為主要評價指標，進行了十幾個不同車型的實車測試，初步形成了統(tǒng)一的大客車正面碰撞測試與考核評價標準體系。因此，基于上述測試與評價方法，進行大客車耐撞性改進研究具有較大現(xiàn)實意義。

汽車耐撞性的研究主要采用CAE分析與實驗結合的方式，可有效提升效率。然而整車碰撞涉及單元規(guī)模較大，計算時間較長，且整車碰撞的關鍵問題點往往集中于一些局部結構，因此從整車中提取關鍵局部子結構、進行子結構單獨分析優(yōu)化與驗證、再將最優(yōu)方案導入整車的方法被廣泛采用，尤其是在乘用車的前防撞梁、吸能盒、前縱梁和側面碰撞等子結構中的應用［12-15］。此外，碰撞分析屬于非線性問題，其拓撲優(yōu)化在工程上不易實施，采用基于碰撞力的等效載荷進行靜力的拓撲優(yōu)化，可快速為車身結構耐撞性改進提供有效的參考依據［16-19］。

承載式大客車整車車身骨架主要由小截面桿件搭接而成，車身前部為平頭結構，緩沖空間非常有限，前部桁架結構強度直接關系到駕駛員的生存空間保護。本文中以一款12 m承載式大客車為研究對象，結合實驗測試與CAE仿真方法，提出一種基于子結構拓撲優(yōu)化的大客車車身骨架耐撞性的改進方法。通過對車身骨架正面碰撞過程中主要變形分析，提取前端桁架子結構，進行單獨耐撞性分析與拓撲優(yōu)化，尋找結構的合理傳力路徑，進行多種工程改進方案分析對比，選取符合結構變形控制目標、質量增加最小的改進方案，并進行子結構臺車測試驗證，最后將改進方案應用到整車骨架中，以達到有效改進整車耐撞性的目的。

1 原始車身結構整車正面碰撞分析

根據全寬剛性墻正面碰撞測試、CAE建模和對標分析的結果，整車總體變形與駕駛員生存空間侵入情況對比如圖1所示。由圖可見，CAE分析總體變形與實車碰撞較為接近。從碰撞后的車體變形上看，車身結構前部變形較大，尤其在前軸之前的結構，前風窗玻璃和側窗第一塊玻璃均破損，底架前端變形較大，導致前圍橫梁后移，推動轉向支架和轉向盤侵入駕駛員生存空間。整車碰撞的總動能為485.73 kJ，骨架總的吸能為350.1 kJ，其中底架吸收237.23 kJ，占總吸能量的67.76%，可見底架是變形與吸能的主要結構。

圖1 整車最大變形與生存空間考核

由于大客車正面碰撞變形主要集中于前部，測試駕駛員側的加速度信號可有效評估整車前部碰撞的激烈程度。駕駛員側加速度曲線實驗與仿真的對比情況如圖2所示，曲線呈現(xiàn)出2個明顯的突出波峰，第1個峰值40g左右，第2個峰值將近35g，且仿真與實驗波形趨勢總體吻合。

圖2 駕駛員側加速度曲線對比

2 前端桁架子結構耐撞性的改進

2.1 前端桁架子結構的提取與分析

大客車駕駛區(qū)與乘客區(qū)結構一般存在錯層，主要變形區(qū)域集中于前駕駛區(qū)骨架，該區(qū)域結構直接與駕駛員生存空間緊密相關，故選取該子結構作為重點研究對象，進行單獨分析改進。提取底架前端駕駛區(qū)桁架結構為子結構，如圖3所示。該區(qū)域共吸能150 kJ，占底架總吸能的63.23%，其中吸能盒吸收32 kJ，而桁架結構變形較大，吸能達到118 kJ。

圖3 前端桁架子結構提取

從變形上看，該子結構縱向傳力路徑設計不合理，發(fā)生較大局部失穩(wěn)彎曲變形，導致駕駛區(qū)縱向變形大，駕駛員生存空間被侵入，同時無法提供吸能盒后部橫梁足夠的支持，橫梁發(fā)生較大局部彎曲，導致吸能盒潰縮變形不完全，緩沖效果不佳。因此，有必要優(yōu)化該區(qū)域的傳力路徑，減小桿件局部失穩(wěn)變形，控制桁架結構變形，提高吸能盒后部支撐剛度，以提升其吸能效果。

對子結構單獨進行30 km／h耐撞性分析，以子結構在整車碰撞中的吸能量作為其等效條件，通過調整配重來調整碰撞動能和子結構吸能量，最終配重為4 750 kg，子結構吸收的內能為151.63 kJ，保持與整車中吸能量相當。子結構碰撞變形如圖4所示，與圖3所示其在整車碰撞中變形模式較一致。

圖4 子結構碰撞最大變形情況

2.2 基于拓撲優(yōu)化子結構改進

碰撞傳力路徑規(guī)劃就是把來自前方的碰撞載荷沿著設計的承載結構傳送到車輛后部［20］，乘用車的耐撞性設計經過幾十年的發(fā)展，形成了目前上中下的3層傳力路徑，其中以中層“防撞梁-吸能盒-縱梁”傳力路徑吸能最大［19］。而承載式客車由小截面桿件搭接，沒有明顯的縱梁傳力，故采用拓撲優(yōu)化技術，分析改進吸能盒后部桁架的傳力路徑。

工程上可采用基于碰撞力的等效載荷進行靜力的拓撲優(yōu)化，其載荷條件有碰撞力峰值、局部峰值平均值和碰撞過程平均力3種［17，19］。本文中針對的是大客車前端桁架結構，該區(qū)域為駕駛員生存空間所在區(qū)域，要求盡可能減小塑性變形，故采用整車碰撞過程中吸能盒截面力峰值作為載荷條件，以子結構中部橫截面間的空間面為優(yōu)化空間，如圖5所示，通過拓撲優(yōu)化，找出峰值載荷下的傳力路徑，為工程改進設計提供參考。

圖5 拓撲優(yōu)化設計空間

優(yōu)化參數設定如下：

設計變量：優(yōu)化空間內殼單元密度；

目標函數：子結構整體柔度最小；

約束條件：優(yōu)化后質量分數上限為0.1。

采用變密度法進行拓撲優(yōu)化，得到拓撲優(yōu)化單元密度云圖和傳力路徑工程解讀，如圖6所示。

圖6 拓撲優(yōu)化結果與工程解讀

根據拓撲優(yōu)化結果，對比原結構設計方案，可知原設計中縱向傳力路徑上桿件偏少，尤其吸能盒后部、桁架下層縱向支撐結構偏少。根據客車駕駛區(qū)選材的一般規(guī)范，新增傳力路徑方鋼規(guī)格為40 mm×30 mm，厚度可選2.0或3.0 mm。從拓撲云圖設計側面為跨角度的斜撐設計厚度為2.0 mm；而上下平面的設計空間中，吸能盒后部第一個空間小短梁密度較大，則該區(qū)域設計了5條傳力路徑，厚度有A-2.0 mm與a-3.0 mm兩種；其后部橫向空間傳力路徑規(guī)劃方案為B-5條，b-3條，厚度有C-2.0 mm，c-3.0 mm兩種。此排列組合成8組方案，分析對比吸能盒吸能量、吸能比、桁架靠駕駛員側上縱梁最大變形量L，駕駛員側加速度峰值和子結構的質量，進行綜合對比，如表1所示。

根據上述分析，改進后吸能盒吸能量提高至100～110 kJ，縱梁變形控制在20 mm左右，加速度為50g～60g，設計目標是控制變形，提高吸能量，同時考慮控制材料質量增加量最小，因此選擇AbC方案作為工程實施方案，如圖7所示。圖中深色桿件表示新增結構。

表1 桁架子結構工程解讀方案對比

圖7 工程改進結構方案

2.3 改進設計方案實驗驗證

根據子結構改進方案進行實物臺車測試，碰撞車速同為30 km／h，測試與仿真碰撞過程變形對比如圖8和圖9所示。

圖8 前端桁架臺車碰撞實驗與仿真對比

圖9 子結構改進方案分析與測試對比

通過高速攝像的圖片處理獲得子結構主要變形量數據：最大變形量為133.8 mm，駕駛員側縱梁變形為20.3 mm，吸能盒平均壓潰量為111.5 mm，可見變形得到有效控制?？傮w壓潰和縱梁變形量仿真與實驗對比如表2所示，誤差在10%左右。

表2 子結構變形對比

實驗子結構碰撞駕駛員側加速度最大值為48.04g，仿真為49.58g，仿真與實驗加速度曲線對比如圖10所示，兩者總體趨勢較一致。故該改進子結構方案可用于整車改進設計。

圖10 子結構駕駛員側加速度對比

3 整車改進驗證

將子結構優(yōu)化方案導入整車骨架模型進行分析，結果表明，碰撞過程中駕駛員生存空間未被侵入，轉向盤管柱距離生存空間X方向的最小距離從原先的侵入86 mm變?yōu)樯杏?3 mm的距離，駕駛區(qū)桁架結構變形得到控制，對于子結構后部骨架，尤其是駕駛區(qū)地板與乘客區(qū)地板的過渡區(qū)域骨架變形更大了，但未從后部侵入生存空間；其中吸能盒吸能量由原先的32.2提高至98.72 kJ，有效緩沖了碰撞。改進前后前部變形與生存空間情況對比如圖11所示。

圖11 改進前后最大變形時刻對比

整車改進前后駕駛員側加速度曲線對比如圖12所示。對比評價車身碰撞安全性3大關鍵指標［21］，即最大加速度 amax、平均加速度 a-和加速度均方根σa，結果如表3所示。改進后，前部碰撞沖擊峰值從原先的43.21g降低至29.4g，下降了31.96%，加速度均方根值由10.90減到9.16，減小了15.96%，波形效率更高，耐撞性得到有效提升。

圖12 駕駛員側加速度對比

表3 加速度關鍵指標對比

4 結論

通過CAE分析與測試結合的方法，提出一種基于子結構拓撲優(yōu)化的大客車耐撞性改進方法，主要結論如下：

（1）承載式大客車前部碰撞過程中，由于車身前部空間有限，駕駛區(qū)桁架傳力路徑設計不合理，容易導致局部結構失穩(wěn)變形過大，導致駕駛員生存空間受到侵入和車體緩沖不佳；

（2）提取駕駛員生存空間所在區(qū)域的前端桁架部分作為子結構，對其進行等效分析與改進，采用吸能盒碰撞力峰值進行子結構桁架區(qū)域的拓撲優(yōu)化，以改善結構傳力路徑；

（3）對8個方案的子結構改進進行工程解讀，優(yōu)選AbC方案為臺車測試方案，并進行子結構臺車實物耐撞性測試，驗證子結構改進方案的工程有效性；

（4）將改進方案代入整車進行耐撞性分析，發(fā)現(xiàn)生存空間從原先的侵入86 mm變?yōu)樯杏?3 mm余量，加速度峰值降低31.96%，加速度均方根值減小了15.96%，結構耐撞性有較大的提升，驗證了該方法的有效性。