都雪靜，陳占麗

(東北林業(yè)大學 交通學院，黑龍江 哈爾濱 150040)

新能源汽車是當前汽車行業(yè)的研究熱點，純電動車型相對傳統(tǒng)燃油車型在碰撞安全方面要求更加嚴格，因此，研究純電動汽車碰撞結構耐撞性十分必要[1-3]。低速碰撞是擁擠的城市道路中常見的碰撞類型，保險杠作為汽車低速碰撞中關鍵部件，通過自身的變形吸收碰撞的大部分能量，從而減少碰撞事故中汽車的損壞情況，故對保險杠進行低速碰撞下的研究，對降低汽車的維修費用，提高車輛保險等級具有重要的作用[4-5]。近年來，國內(nèi)外有很多學者對保險杠的進行碰撞研究，國外Tanlak.N等人[6]對保險杠橫梁的形狀優(yōu)化方法進行研究，在保證其碰撞性能的情況下減輕其質(zhì)量；S.Aswini Kumar等[7]分析低速碰撞過程中形狀、厚度和材料等結構參數(shù)對保險杠抵抗變形能力的影響，并對其進行優(yōu)化，增加保險杠的耐撞性，減輕重量；Kim[8]，Zarei 等[9-10]通過模擬保險杠橫梁在低速碰撞下的響應，討論其結構參數(shù)對其響應的影響；國內(nèi)李巖、李旻、陸幸[11-13]等基于加拿大CFVSS215、歐洲ECE-R42、美國Part 581、FMVSS581等法規(guī)，對保險杠進行低速碰撞有限元分析，為低速碰撞下保險杠系統(tǒng)的設計提供了借鑒；王鎮(zhèn)江[14]等采用拓撲優(yōu)化方法對汽車塑料保險杠進行輕量化優(yōu)化設計，實現(xiàn)保險杠減重11%；吉林大學劉百川[15]對某乘用車保險杠進行低速碰撞有限元分析以及臺架試驗，為保險杠優(yōu)化與設計提供數(shù)據(jù)支持和研究思路。本文依據(jù)RCAR 保險杠低速碰撞試驗及評價方法，建立某純電動SUV正面全寬低速保險杠碰撞有限元模型，通過碰撞仿真試驗，分析防撞梁、吸能盒的吸能和變形情況，以及車體損壞情況，從提高車輛耐撞性和維修經(jīng)濟性角度出發(fā)提出改進措施。

1 RCAR 保險杠低速碰撞法規(guī)

測試項目包括防撞橫梁幾何尺寸的靜態(tài)測試和低速碰撞的動態(tài)測試：靜態(tài)測試主要測量防撞橫梁與保險杠壁障的有效結合尺寸、防撞橫梁的有效高度和防撞橫梁的有效寬度；動態(tài)測試主要包括正面全寬碰撞工況和尾部全寬碰撞工況。本文主要針對動態(tài)測試中正面全寬碰撞工況進行研究。

1.1 低速正面全寬保險杠碰撞測試規(guī)程

根據(jù)RCAR法規(guī)的要求，車輛以(10.0±0.5) km/h 的速度撞擊離地高度為455 mm±3 mm固定的剛性保險杠壁障，撞擊過程中車輛中心線應與壁障中心線重合，最大允許橫向偏差±50 mm，當車輛接觸到碰撞壁障時刻，車輛的車身高度應與撞擊前車輛靜態(tài)下測量的車身高度保持接近，兩高度差應≤10 mm，測試示意圖如圖1所示。

圖1 低速正面全寬保險杠碰撞測試示意圖

1.2 低速正面全寬保險杠碰撞測試要求

車輛保險杠系統(tǒng)測試作為車輛耐撞性與維修經(jīng)濟性指數(shù)的關注項目，主要從除保險杠系統(tǒng)外的結構件變形、車輛安全約束系統(tǒng)誤觸發(fā)、車輛與保險杠壁障發(fā)生“騎乘”現(xiàn)象等角度進行評價。本研究不考察約束系統(tǒng)，因此主要從電動車的結構件變形進行分析。結構件變形具體要求為主要底盤件、車身以及焊接在車身上的零部件無損壞，主要底盤件位置變化不得大于3 mm，風扇無損壞。

2 低速正面全寬保險杠碰撞有限元模型的建立

2.1 整車有限元模型的建立

對純電動SUV進行RCAR低速保險杠碰撞的研究過程中，整車模型的建立是進行汽車碰撞分析的第一步，本文采用某企業(yè)汽車研究院提供的整車CAD模型建立整車有限元模型。對整車進行有限元建模主要有以下幾個步驟：

1)有限元模型的簡化。對整車三維CAD模型進行一系列的處理，主要對其幾何模型進行精簡，去掉一些在分析中并不需要的部件，并對一些鈑金件的修復；

2)網(wǎng)格的劃分。零部件基本尺寸設為8 mm，最小尺寸5 mm，最大尺寸20 mm，網(wǎng)格的劃分嚴格遵守網(wǎng)格質(zhì)量標準；

3)材料屬性設置。用于碰撞中的材料主要有MAT3、MAT20、MAT24等型號鋼材，鋁制材料由于密度小、強度高、材料特性成熟，因此被作為鋼制防撞梁的替換材料，本文前防撞梁、吸能盒、前縱梁為低速碰撞的主要部件，其材料均采用6005A號鋁合金材料，該材料屈服強度為215 MPa,抗拉強度為255 MPa，斷后伸長率為8%；

4)連接設置。材料屬性定義完成后，需要對部件進行連接、裝配，該純電動SUV內(nèi)部各個部件之間有螺栓連接，鉚釘連接和焊接連接3種，部分特殊部件如前擋風玻璃等的連接中，還存在著膠粘連接；

5)接觸設置和配重。本模型中主要有自動單面接觸，調(diào)用關鍵字為CONTACT_AUTOMATIC_SINGLE_SURFACE；自動面面接觸，調(diào)用關鍵字CONTACT_AUTOMATIC_SURFACE_TO_SURFACE；

6)求解參數(shù)及輸出控制設置：主要包括終止時間、時間步長，沙漏控制，能量控制等的設置。最終建立的純電動SUV整車有限元模型如圖2所示。

2.2 保險杠壁障的有限元模型的建立

保險杠壁障是進行法規(guī)下低速前碰撞保險杠測試的重要裝置，主要由壁障體、能量吸收裝置、擋板以及固定裝置等組成。根據(jù)法規(guī)規(guī)定的尺寸要求，通過CATIA軟件繪制保險杠壁障的幾何模型，并將其以STP格式的文件導入到前處理軟件ANSA中建立保險杠壁障有限元模型，如圖3所示。

圖2 整車有限元模型

圖3 保險杠壁障有限元模型

2.3 全寬低速保險杠碰撞有限元模型的建立

根據(jù)RCAR測試的要求，結合半載地面線來對保險杠壁障進行定位，并且對保險杠壁障與整車的接觸進行設置，接觸設置采用面面接觸，按RCAR測試要求設置碰撞參數(shù)，仿真中電動SUV以(10.0±0.5) km/h 的速度撞擊離地高度為455 mm±3 mm固定的保險杠壁障，取重力加速度為9.81 m/s2，最終建立正面 100%全寬低速保險杠碰撞有限元模型，如圖4所示。

圖4 正面全寬低速保險杠碰撞有限元模型

3 碰撞仿真結果分析3.1 模型可信度分析

整車碰撞過程中遵循能量守恒定律，對碰撞中的能量分析可以驗證所建有限元模型的求解精確度。將建立的正面100%全寬低速保險杠碰撞仿真有限元模型的K文件提交給LS-DYNA進行計算，然后對計算的結果文件進行分析。通過HyperGraph軟件讀取Glstat文件，選擇輸出動能、內(nèi)能、沙漏能、滑移界面能和總能量曲線，如圖5所示。從圖5中各能量變化曲線可以看出，碰撞中系統(tǒng)總能量保持不變，隨著車輛與保險杠壁障的接觸，車輛動能先減小后稍微有所上升，然后逐漸趨于平衡；內(nèi)能先增大后稍微有所下降，然后逐漸趨于平衡，曲線變化合理且光滑過渡。圖6為碰撞過程中的沙漏能占比情況，沙漏能最大能量占比情況為0.428%，遠遠低于總能量的5%，可以證明建立的有限元模型具有較高的可信度。

圖5 碰撞能量變化曲線

圖6 沙漏能比率曲線

3.2 車體損壞分析

圖7為碰撞后車輛前端外部變形和內(nèi)部變形圖，從7(a)中可以看出，碰撞后保險杠蒙皮發(fā)生了嚴重凹陷，下格柵和前霧燈都受到了一定程度的擠壓，但相比而言前大燈擠壓變形比較微??；從圖7(b)中可以看出，碰撞后防撞梁發(fā)生了較大的變形，同時前端模塊受到了防撞梁的擠壓，發(fā)生凹陷變形，進而對風扇造成損傷。

根據(jù)RCAR測試的要求，對主要底盤件和車身上前端的主要零件的變形進行測量。由于該工況速度比較低，零件的變形比較微小且不易看出，結合工程實踐經(jīng)驗，規(guī)定主要底盤件和焊接在車身上的零件的塑性變形不得超過5%，超過5%則認為發(fā)生了變形，該工況下測得前縱梁的塑性變形為7.0%，超過了目標值5%；則可認為前縱梁發(fā)生了可見性的變形，不符合要求。車身主要鈑金件以及部分底盤件的塑性變形如表1所示。由于左右對稱件變形幾乎相同，只測量左側(cè)的塑性變形即可，由表可知，除了前縱梁塑性變形較大以外，其余鈑金件不會發(fā)生可見性結構變形。

圖7 碰撞后車輛變形圖

表1 車身及底盤主要部件的塑性變形 %

根據(jù)RCAR測試的要求主要底盤件的位置變化不得超過3 mm，因此，在底盤前部取10個測量點測量其位置的變化，具體的測量方法為：在車輛后縱梁不變形的位置建立局部坐標系，并在后縱梁上取一固定點，測量變形前后在前端底盤件上取10個點與固定點的最大距離，變形前后差值為最大變形量，測量結果如表2所示。由表中數(shù)據(jù)可知，1～4的測量點都是在前縱梁上測量得到的，其中前3個點變形量均超過了3 mm，5～10的測量點是在前縱梁以后的底盤件上測量得到的，變形量均不大于3 mm，由此可知，主要底盤件除了前縱梁以外其他變形量均不大于3 mm。

表2 底盤件變形測量結果

3.3 防撞梁和吸能盒變形和吸能情況分析

前防撞梁和吸能盒組成電動汽車的保險杠系統(tǒng)，是低速碰撞工況的主要吸能部件，其變形和吸能多少直接影響著整車安全性能。為了能夠直觀地了解該電動SUV在正面全寬低速碰撞工況下的變形情況，本文截取不同時刻內(nèi)的防撞梁和吸能盒變形情況進行分析，如圖8所示。從圖8中可以看出，在0～30 s之間，防撞梁未與保險杠壁障接觸，其結構未發(fā)生變化；在30s～60 s之間，防撞梁的弧形結構與保險杠壁障接觸，受到撞擊力的作用，弧形結構漸漸被壓平；在60～120 s之間，防撞梁的弧形結構繼續(xù)被壓平，進而彎向車體；在120～150 s之間，車輛回彈以后，防撞梁彈性形變恢復后中部仍向車內(nèi)側(cè)拱曲。由此可知，該防撞梁發(fā)生了較大的變形，不利于碰撞后的維修。結合圖7(b)分析可知，其彎曲太大與前端模塊接觸，會對風扇造成擠壓，為了更加準確地判斷防撞梁變形后是否會撞到前端模塊，對防撞梁沿x方向的侵入進行分析，如圖9所示。由圖9可知，防撞梁沿x方向的最大侵入量為96.85 mm。經(jīng)測量防撞梁距離前端模塊的距離為80 mm，由此可知防撞梁的變形會擠壓到前端模塊，進而影響風扇。綜上說明該防撞梁本體的剛度比較弱，不能很好地抵抗碰撞力，不能將力傳遞給吸能盒，吸能盒未發(fā)生明顯的變形。

圖8 不同時刻防撞梁和吸能盒變形圖

圖9 防撞梁沿x方向的最大侵入量

圖10為防撞梁和左側(cè)吸能盒的吸能曲線圖，由圖10可知，防撞梁是該碰撞工況的主要吸能部件，吸收的能量占總吸能的三分之一以上。吸能盒的吸能相對就比較少， 低速碰撞中，吸能盒起著緩沖吸能的效果，本文所建的模型吸能盒的吸能較少，未充分發(fā)揮吸能效果，因此，需要優(yōu)化改進。

圖10 防撞梁和左側(cè)吸能盒的吸能曲線圖

4 前防撞梁耐撞性能優(yōu)化改進

4.1 改進方案設計

通過仿真分析總結出該碰撞模型的防撞梁沿x方向的最大變形量較大，防撞梁的正中間發(fā)生很大的彎曲變形，會對前端模塊造成擠壓，增加風扇受到損傷的風險，由此說明防撞梁偏軟，因此需要增加防撞梁的強度來提高防撞梁的耐撞性。增加防撞梁強度主要有兩個方面：

1)增加防撞梁的強度。通過改變防撞梁的材料，使用屈服強度比較高的材料來增加防撞梁的強度；

2)增加防撞梁的剛度。通過改變防撞梁的厚度或者更改防撞梁的截面形狀，使其剛度增大。

針對仿真中出現(xiàn)的問題，從提高防撞梁的剛度和強度方面，對防撞梁提出3種優(yōu)化方案：

方案一：將防撞梁的材料由原來的6005A鋁合金改為屈服強度更高的6082鋁合金材料；

方案二：將防撞梁的厚度由原來的2.8 mm改為3.0 mm；

方案三：將防撞梁的截面型式由原來的“日”字型結構改為“目”字型結構。

4.2 改進方案仿真分析

對4.1節(jié)提出的3種防撞梁優(yōu)化方案進行仿真對比分析，選擇防撞梁耐撞性能最優(yōu)和該碰撞工況下車身結構損壞和變形最小的方案作為最終的優(yōu)化方案。下面對4種優(yōu)化方案進行仿真對比分析。

1)3種優(yōu)化方案防撞梁和吸能盒變形對比。在圖11 3種優(yōu)化方案防撞梁和吸能盒變形對比圖中可以直觀看出，方案一防撞梁的變形較小，僅防撞橫梁的弧形結構被壓平，吸能盒與防撞梁相連的一端發(fā)生明顯的壓潰變形，且潰縮變形較好；方案二和方案三防撞橫梁的變形相比于方案一較大，防撞橫梁的弧形結構被壓平，并且彎向車體，兩種方案的吸能盒均未看見明顯的壓潰變形，故從防撞梁和吸能盒的總體變形來看，方案一的優(yōu)化效果最好。

圖11 3種優(yōu)化方案防撞梁和吸能盒變形對比圖

2)3種優(yōu)化方案防撞梁沿x方向侵入量對比。3種優(yōu)化方案的防撞梁沿x方向的最大侵入量的對比如圖12所示。由圖12可以看出，3種優(yōu)化方案防撞梁沿x方向的侵入量分別為77.21 mm、94.59 mm、95.62 mm，由前文可知，防撞梁距離前端模塊的距離為80 mm，3種方案中只有方案一防撞梁不會對前端模塊造成積壓，故從防撞梁沿x方向侵入量可以看出，方案一的優(yōu)化效果最好。

3) 優(yōu)化方案能量對比分析。圖13為3種方案系統(tǒng)吸收的總能量、防撞梁吸收的能量、吸能盒吸收的能量對比圖，從系統(tǒng)吸收的總能量可以看出，最大吸能量為：方案一>方案二>方案三；從防撞梁吸收的能量可以看出，最大吸能量為：方案二>方案一>方案三；從吸能盒吸收的能量可以看出，最大吸能量為：方案一>方案二>方案三；綜合考慮，方案一優(yōu)化效果最好。

4)3種優(yōu)化方案車身及底盤主要部件變形對比。根據(jù)前文所述，基礎模型中，除前縱梁的塑性變形較大為7.0%，超過了目標值5%，其他鈑金件的變形均小于目標值5%，均未發(fā)生可見性的結構變形。表3為3種優(yōu)化方案車身及底盤主要部件的塑性變形對比，由表3中可以看出，3種優(yōu)化方案的前縱梁塑性變形均達到了目標值以下，且其他車身及底盤的主要結構件均未發(fā)生可見性的變形。

圖12 3種優(yōu)化方案防撞梁沿x方向侵入量對比

圖13 3種優(yōu)化方案能量對比

為了測量主要底盤件的位置變化是否超過3 mm，分別測量表1～表2中底盤前部取得的10個測量點的最大變形量。表4為3種優(yōu)化方案底盤件變形測量結果。由表4可以看出，3種優(yōu)化方案所取的10個點的最大變形量均未超過3 mm，滿足RCAR測試的要求。

表3 3種優(yōu)化方案車身及底盤主要部件的塑性變形對比 %

表4 3種優(yōu)化方案底盤件最大變形測量結果對比

綜合考慮防撞梁和吸能盒的變形以及吸能情況，方案一優(yōu)于另外兩個方案。從車身和底盤結構件的變形可以看出，3種方案的優(yōu)化效果相差不大，但考慮到汽車的輕量化，方案一只改變了材料的屬性，其質(zhì)量未發(fā)生變化，但是方案二和方案三改變其厚度和加筋以后防撞梁的質(zhì)量均有所增加，因此，從輕量化角度考慮，方案一優(yōu)化最理想。

5 結 論

本文基于RCAR低速正面全寬保險杠碰撞測試要求和評價規(guī)程，對某純電動SUV進行低速碰撞仿真試驗，分析其保險杠系統(tǒng)耐撞性，得到以下結論：

1)防撞梁強度不足，導致吸能盒未發(fā)揮低速吸能效果，且防撞梁弧形結構沿x方向的侵入量為96.85 mm，超過其距離前端模塊的距離80 mm，對風扇造成擠壓。

2)對原防撞梁材料、厚度及結構型式提出了3種改進方案。分析結果表明，方案一各方面性能更好，在保證車身輕量化的前提下，提高了防撞梁的耐撞性，保護了車身其他部件。本研究對降低汽車的維修費用，提高車輛保險等級具有一定作用，可以為低速碰撞性能設計提供參考。