張 健，趙清江，徐作文，史愛民，郭怡暉

（1.汽車噪聲振動(dòng)與安全技術(shù)國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，重慶 401122； 2.中國(guó)汽車工程研究院股份有限公司，重慶 401122；3.眾泰汽車工程研究院，杭州 310016）

前言

車輛正面碰撞為車輛碰撞事故發(fā)生主要形式，其造成人員傷害死亡占比達(dá)27.68%，在交通事故統(tǒng)計(jì)年報(bào)中比例最高［1］。同時(shí)，現(xiàn)實(shí)中，有一類正面小重疊度偏置碰撞（簡(jiǎn)稱小偏置碰撞，碰撞時(shí)車身與碰撞物重疊率不大于30%，主要反映車輛前部一側(cè)與其它車輛、樹木或者電線桿發(fā)生碰撞事故形態(tài)），卻是正面碰撞事故中致死率最高的事故。如：在美國(guó)，其死亡事故約占正面碰撞死亡事故總數(shù)22%；在英國(guó)，約占正面碰撞致死事故總數(shù)27%，致死率遠(yuǎn)高于其他類型汽車正面碰撞事故［2-3］，因此，亟需深入研究該類碰撞。國(guó)際上，IIHS首先關(guān)注了此類碰撞，并于2012年提出了重疊率為25%小偏置正面碰撞試驗(yàn)。在國(guó)內(nèi)，中國(guó)保險(xiǎn)汽車安全指數(shù)（C-IASI）于2017年7月推出評(píng)價(jià)規(guī)程，率先引入25%小偏置正面碰撞試驗(yàn)，并作為車內(nèi)乘員安全指數(shù)考核項(xiàng)之一。對(duì)2018年C-IASI測(cè)試23款車型公開統(tǒng)計(jì)結(jié)果［4］（含16款合資車型），其小偏置碰撞優(yōu)秀率僅為22%，說明目前國(guó)內(nèi)大部分車型對(duì)該類型碰撞事故沒有很好的應(yīng)對(duì)策略。如何降低正面小重疊碰撞事故對(duì)車輛和乘員損傷已成為當(dāng)今國(guó)內(nèi)汽車安全領(lǐng)域研究重點(diǎn)和難點(diǎn)之一。在小偏置碰撞事故中，由于重疊度小，所有來自正面沖擊力將由縱梁之外結(jié)構(gòu)承受。車輪作為縱梁外側(cè)主要承力構(gòu)件，其是否脫落將影響車身內(nèi)乘員傷害程度。同樣對(duì)2018年C-IASI測(cè)試23款車型公開結(jié)果進(jìn)行統(tǒng)計(jì)和宏觀比較［4］，共有8款車出現(xiàn)車輪脫落情況，評(píng)級(jí)為優(yōu)良占比75%（8款車占6款）；未脫落共有15款車，優(yōu)良占比33%（15款占5款），說明車輪脫落與否對(duì)小偏置碰撞結(jié)果評(píng)級(jí)影響較大。

國(guó)內(nèi)各研究機(jī)構(gòu)針對(duì)小偏置碰撞性能開發(fā)，大都采用試驗(yàn)完成后，調(diào)整仿真模型并對(duì)標(biāo)，以獲得較準(zhǔn)確的仿真模型，再進(jìn)行優(yōu)化改進(jìn)解決思路［3，5-8］，該思路屬于樣車生產(chǎn)出來后再優(yōu)化，研發(fā)成本高，改進(jìn)空間小。且在國(guó)內(nèi)，包括以上文獻(xiàn)中，未發(fā)現(xiàn)提及通過調(diào)整車輪脫落及連接鉸鏈?zhǔn)硖岣咴囼?yàn)和仿真模型精度的相關(guān)策略。國(guó)際上，De La Torre等［9］對(duì)多個(gè)小偏置碰撞試驗(yàn)進(jìn)行分析之后認(rèn)為，車輪是小偏置碰撞中重要受力結(jié)構(gòu)，并設(shè)計(jì)了一個(gè)由車輪、副車架、轉(zhuǎn)向搖臂和A柱組成系統(tǒng)級(jí)試驗(yàn)裝置，可用來進(jìn)一步研究偏置碰撞中車輪與轉(zhuǎn)向系統(tǒng)之間動(dòng)態(tài)響應(yīng)，該系統(tǒng)對(duì)小偏置碰撞汽車結(jié)構(gòu)優(yōu)化具有指導(dǎo)性意義。Park等［10］設(shè)計(jì)了一種用于在小偏置碰撞時(shí)，模擬車輪旋轉(zhuǎn)和脫落簡(jiǎn)易試驗(yàn)裝置，該裝置有助于找到車輪旋轉(zhuǎn)和脫落與車身侵入量、車輛運(yùn)動(dòng)和乘員傷害之間的關(guān)系。以上兩種裝置均為通過系統(tǒng)級(jí)試驗(yàn)方法評(píng)判車輪等關(guān)鍵零部件對(duì)小偏置碰撞影響，能在一定程度上探究車輪運(yùn)動(dòng)對(duì)碰撞結(jié)果的影響，降低試驗(yàn)成本和研發(fā)費(fèi)用，有利于開發(fā)前期發(fā)現(xiàn)問題并改進(jìn)。但作為系統(tǒng)級(jí)裝置，無法得到整車狀態(tài)下鉸鏈?zhǔn)?duì)車輪脫落影響與整車碰撞結(jié)果之間關(guān)系。如能在正向開發(fā)過程中，在生產(chǎn)樣車試驗(yàn)開展前，CAE分析能基于精確鉸鏈?zhǔn)Ｊ?，將極大提高仿真精度并發(fā)現(xiàn)改進(jìn)問題，且能大幅縮減研發(fā)試驗(yàn)成本。目前國(guó)內(nèi)外研究中，探討鉸鏈?zhǔn)Ｊ健y(cè)試鉸鏈?zhǔn)ЯΣ?yīng)用于仿真分析中相關(guān)研究并不多見。本文中基于C-IASI中“正面25%偏置碰撞評(píng)價(jià)規(guī)程”［11］，研究并驗(yàn)證通過零部件拉伸試驗(yàn)方法，獲取車輪與底盤連接鉸鏈?zhǔn)Я?，并?yīng)用于仿真中以準(zhǔn)確模擬鉸鏈?zhǔn)У慕鉀Q思路，以提高小偏置碰撞仿真計(jì)算精度，從而低成本、高精度保障整車正向安全性能開發(fā)。

1 碰撞過程中車輪脫落對(duì)結(jié)構(gòu)變形影響

前面通過統(tǒng)計(jì)方法在宏觀層面得知，車輪脫落與否對(duì)小偏置碰撞測(cè)試評(píng)價(jià)影響較大。本部分將針對(duì)某同一車型，探究車輪脫離對(duì)碰撞結(jié)果的影響程度。

1.1 整車有限元模型及其設(shè)置

利用有限元法對(duì)兩種極端情況進(jìn)行仿真對(duì)比分析。使用模型基于美國(guó)喬治梅森大學(xué)（GMU）碰撞安全與分析中心（CCSA）發(fā)布的豐田2012款Camry轎車有限元模型［12］。車輛以速度64 km/h撞擊固定在正前方剛性壁障，汽車與壁障重疊部分為車身寬度的25%。

假設(shè)極端情況為：（1）車輪與底盤所有連接鉸鏈不失效，車輪完全不脫落；（2）如圖1所示位置，車輪與底盤連接鉸鏈?zhǔn)?，?dǎo)致車輪與車輛完全脫離。再使用C-IASI正面25%偏置碰撞乘員艙侵入量等級(jí)評(píng)定指標(biāo)對(duì)兩者進(jìn)行評(píng)定。

基于LS-DYNA分析軟件，針對(duì)圖1中3個(gè)車輪與底盤連接鉸鏈，分別為：鉸鏈A，橫向穩(wěn)定桿與挺桿連接；鉸鏈B，下擺臂與轉(zhuǎn)向節(jié)連接；鉸鏈C，轉(zhuǎn)向橫拉桿與轉(zhuǎn)向節(jié)連接（為便于文章敘述，下文均以字母對(duì)鉸鏈進(jìn)行描述）。其鉸鏈模型設(shè)置方式為：情況1，將A、B、C鉸鏈設(shè)置為spherical鉸鏈剛性連接，且不設(shè)失效；情況2，取消3個(gè)鉸鏈所設(shè)置連接，使其處于完全自由無連接失效狀態(tài)。

圖1 底盤失效鉸鏈位置示意

1.2 結(jié)構(gòu)分析與評(píng)估

以上設(shè)置完成后，分別對(duì)情況1和情況2依據(jù)C-IASI“正面25%偏置碰撞試驗(yàn)規(guī)程”要求，進(jìn)行仿真計(jì)算，仿真結(jié)果如圖2～圖4所示，并可得出以下結(jié)論。

（1）情況1時(shí)，其主要傳力路徑為：保險(xiǎn)杠與壁障產(chǎn)生接觸，壁障擠壓車輪、副車架與shotgun、翼子板等件，再擠壓A柱與門檻，碰撞力傳遞至車身其余部位，該傳力路徑吸能占總能量36.10%。情況2傳力路徑與情況1類似，其傳力路徑吸能占總能量33.20%。傳力路徑關(guān)鍵零部件吸能情況見表1。由于車輪與車輛無連接，車輪從A柱及門檻處滑脫，對(duì)A柱、門檻造成擠壓，好于情況1。由表1可見，情況1在A柱、門檻吸收碰撞能量比情況2多54%。說明車輪脫落有利于減輕傳力路徑關(guān)鍵零部件，特別是包括A柱、門檻在內(nèi)的門環(huán)系統(tǒng)對(duì)碰撞能量吸收的壓力。

表1 傳力路徑關(guān)鍵零部件吸能情況 %

車輪脫落情況對(duì)比如圖2所示。

圖3為兩種情況下左前門門環(huán)變形模式。從圖中可看出，4個(gè)位置變形有較明顯差異，總體而言，情況2變形小于情況1。

綜上，從碰撞能量吸收和變形模式判斷，車輪是否從車輛脫落，對(duì)門環(huán)變形有較大影響。

圖2 小偏置碰撞車輪脫落對(duì)比

（2）圖4為乘員艙侵入數(shù)值對(duì)比，實(shí)線為情況1乘員艙侵入量數(shù)據(jù)，虛線為情況2乘員艙侵入量數(shù)據(jù)。圖中可看出，除制動(dòng)踏板侵入量外，情況1侵入量測(cè)量點(diǎn)均比情況2要高，兩者相差在38～272 mm之間，說明車輪脫落對(duì)小偏置碰撞結(jié)構(gòu)侵入量影響較大。就Camry模型而言，車輪脫落可以提升車輛結(jié)構(gòu)評(píng)級(jí)。

圖4 兩種情況下乘員艙侵入量數(shù)值對(duì)比

通過仿真分析對(duì)比同一車輪鉸鏈連接完全不失效和完全失效兩種狀態(tài)下碰撞結(jié)果，在傳力路徑碰撞能量吸收、門環(huán)變形模式和乘員艙侵入量數(shù)值3個(gè)方面均有較大差異。可初步判斷車輪連接鉸鏈?zhǔn)c否對(duì)小偏置碰撞性能評(píng)定影響較大。準(zhǔn)確設(shè)置上述連接鉸鏈?zhǔn)ЯΓ瑢?duì)整車安全性能正向開發(fā)、及時(shí)發(fā)現(xiàn)設(shè)計(jì)缺陷有重要意義。

2 小偏置碰撞鉸鏈?zhǔn)芰η闆r分析

采用仿真與數(shù)值分析相結(jié)合方法，使用前述Camry轎車有限元模型，進(jìn)行小偏置碰撞模擬。通過仿真分析，車輪受力情況示意如圖5所示。其受力過程為：（1）車輪與剛性壁障接觸，帶動(dòng)車輪向后運(yùn)動(dòng)，直至車輪后端抵住門檻梁；（2）在強(qiáng)大擠壓力作用下，車輪產(chǎn)生向左偏轉(zhuǎn)，若擠壓力持續(xù)，車輪偏轉(zhuǎn)趨勢(shì)將帶動(dòng)A、B、C鉸鏈在碰撞過程中脫落。

圖5 小偏置碰撞車輪受力模式

在小偏置碰撞事故中，沖擊能量是一個(gè)不確定量，同一車型沖擊能量直接取決于車速車速對(duì)鉸鏈在整車坐標(biāo)系下3個(gè)方向受力影響分析有助于明確各鉸鏈測(cè)量范圍。

通過數(shù)理統(tǒng)計(jì)敏感性分析方法對(duì)該問題加以說明。敏感性較強(qiáng)是指所涉及因素在變化不大時(shí)能引起系統(tǒng)輸出重大變化，以致影響整個(gè)系統(tǒng)穩(wěn)定性［13］。在小偏置碰撞中，敏感性較強(qiáng)因素為車速，系統(tǒng)輸出為A、B、C鉸鏈X、Y、Z方向峰值力。

采用皮爾森系數(shù)（式（1））進(jìn)行相關(guān)性分析即敏感性分析，車速波動(dòng)范圍以接近小偏置碰撞標(biāo)準(zhǔn)速度65 km/h為基準(zhǔn)，外加50、60、70和80 km/h，在±23%范圍內(nèi)波動(dòng)，進(jìn)行驗(yàn)證。分析結(jié)果見表2。

表2 各鉸鏈峰值力與車速之間的相關(guān)性

由表2可知，沖擊能量對(duì)3個(gè)鉸鏈3個(gè)方向峰值力相關(guān)性均在顯著等級(jí)以上。車速變化幾乎能引起各鉸鏈各方向峰值力線性變化。且在車速65 km/h為基準(zhǔn)、在±23%波動(dòng)范圍內(nèi)各鉸鏈各方向峰值力波動(dòng)范圍均超過30%，最大達(dá)56.3%。

綜上，為保證整車碰撞仿真輸入準(zhǔn)確性，須對(duì)車輪A、B、C連接鉸鏈各方向失效力進(jìn)行全面測(cè)量。

3 車輪連接鉸鏈測(cè)量失效力試驗(yàn)

圖6 SANS拉伸壓縮試驗(yàn)機(jī)

針對(duì)與豐田2012款Camry轎車同型前懸系統(tǒng)某車型（鉸鏈形式相同），選擇車輪與車輛連接的A、B、C 3個(gè)鉸鏈部位，進(jìn)行失效力測(cè)量試驗(yàn)。

鉸鏈?zhǔn)Яy(cè)量采用拉伸試驗(yàn)方式進(jìn)行，拉伸試驗(yàn)使用設(shè)備為SANS拉伸機(jī)（見圖6），其最大拉伸（壓縮）載荷為350 kN。該設(shè)備為“日”字形，設(shè)備上下橫梁為固定端，中間橫梁可移動(dòng)，產(chǎn)生載荷。只要設(shè)計(jì)合適工裝夾具，上下部分均可進(jìn)行拉伸（壓縮）試驗(yàn)。

圖7分別為橫向穩(wěn)定桿與挺桿、下擺臂與轉(zhuǎn)向節(jié)、轉(zhuǎn)向橫拉桿與轉(zhuǎn)向節(jié)連接鉸鏈（鉸鏈A、B、C），在整車坐標(biāo)系下X、Y、Z3個(gè)方向拉伸試驗(yàn)工裝示意圖及部分試驗(yàn)過程圖。

圖中：1為固定端工裝，固定于拉伸壓縮試驗(yàn)機(jī)下底座；2為移動(dòng)端工裝，固定挺桿、轉(zhuǎn)向橫拉桿和下擺臂，并連接設(shè)備移動(dòng)梁產(chǎn)生拉伸載荷。試驗(yàn)時(shí)，均截取與球鉸連接兩端零件一小段樣件進(jìn)行試驗(yàn)，每個(gè)鉸鏈每個(gè)方向工況進(jìn)行3組試驗(yàn)，以保證試驗(yàn)結(jié)果準(zhǔn)確可靠。

圖7 各鉸鏈3個(gè)方向拉伸試驗(yàn)工裝示意圖

試驗(yàn)完成后，SANS拉伸（壓縮）機(jī)輸出A、B、C鉸鏈3個(gè)方向力位移曲線，如圖8所示。加載時(shí)，所有的力曲線均緩慢上升，當(dāng)力達(dá)到某一峰值后鉸鏈?zhǔn)?，曲線劇烈下跌。讀取曲線下跌前峰值，作為各測(cè)試鉸鏈?zhǔn)Я?。取各工況鉸鏈?zhǔn)Яζ骄底鳛槟耻囆秃罄m(xù)開發(fā)鉸鏈?zhǔn)л斎霐?shù)據(jù)。

圖8 各鉸鏈3個(gè)方向拉伸結(jié)果

4 鉸鏈?zhǔn)Яυ谀耻囆托∑门鲎豺?yàn)證

基于C-IASI試驗(yàn)與評(píng)價(jià)規(guī)程，對(duì)前面所提的某車型進(jìn)行小偏置碰撞仿真分析。整車模型不放模型假人，而采用等質(zhì)量BEAM單元配重替代；整車碰撞模型單元數(shù)為210萬，整備質(zhì)量與實(shí)車相同；仿真模型3個(gè)連接鉸鏈部位設(shè)置BEAM單元，并輸入拉伸試驗(yàn)得到各方向失效力。計(jì)算分析完成后與后期樣車小偏置試驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行鉸鏈?zhǔn)А④圀w侵入量和變形模式對(duì)比，結(jié)果如下。

4.1 鉸鏈?zhǔn)闆r對(duì)比

碰撞試驗(yàn)過程中，鏈接A、B、C均發(fā)生了脫落失效。仿真70 ms時(shí)，A、B、C鉸鏈全部脫落，與試驗(yàn)脫落情況相同。結(jié)果對(duì)比詳見圖9。

圖9 仿真與試驗(yàn)鉸鏈?zhǔn)Р课粚?duì)比

4.2 碰撞后車體結(jié)構(gòu)變形對(duì)比

試驗(yàn)與仿真在碰撞過程中整車與門環(huán)系統(tǒng)變形模式分別如圖10和圖11所示。通過比較，車輪和車體門環(huán)系統(tǒng)特征位置變形模式與試驗(yàn)相似度高，顯示了仿真具有較高的可信度，理由如下。

（1）仿真與試驗(yàn)結(jié)果均出現(xiàn)剛性壁障抵住車輪導(dǎo)致其彎折及車輪脫落情況（圖10），同時(shí)碰撞力傳遞到門鉸鏈柱和門檻梁，造成門鉸鏈柱與門檻梁變形，且A柱和上邊梁相同部位發(fā)生折彎（圖11）。因此，門環(huán)變形模式相同。

圖10 仿真與試驗(yàn)過程車輪變形模式對(duì)比

圖11 門環(huán)系統(tǒng)仿真與試驗(yàn)結(jié)果對(duì)比

（2）基于該國(guó)產(chǎn)車模型，另外對(duì)未設(shè)置車輪鉸鏈?zhǔn)Ｐ瓦M(jìn)行計(jì)算。依據(jù)C-IASI針對(duì)25%偏置碰撞評(píng)價(jià)規(guī)程，將試驗(yàn)結(jié)果、設(shè)置車輪鉸鏈?zhǔn)Х抡媾c未設(shè)置車輪鉸鏈?zhǔn)Х抡?個(gè)結(jié)果車體結(jié)構(gòu)測(cè)點(diǎn)侵入量進(jìn)行對(duì)比（圖12），可以看出：設(shè)置失效后仿真值更接近試驗(yàn)結(jié)果，且所有測(cè)量指標(biāo)均在相同等級(jí)區(qū)域內(nèi)。

圖12 仿真與試驗(yàn)乘員艙侵入量數(shù)值對(duì)比

（3）基于C-IASI評(píng)價(jià)規(guī)程，通過對(duì)車體結(jié)構(gòu)測(cè)點(diǎn)侵入量數(shù)值對(duì)比（表3）得出：設(shè)置車輪鉸鏈?zhǔn)Ш蠓抡婢忍嵘仍?2% ～375%之間，提升幅度較大。

表3 車體結(jié)構(gòu)各測(cè)點(diǎn)侵入量對(duì)比

綜上，采用準(zhǔn)確底盤鉸鏈?zhǔn)ЯΨ抡婺Ｐ?，能極大提高小偏置碰撞仿真計(jì)算精度，保障整車正向安全性能開發(fā)。

5 結(jié)論

基于C-IASI規(guī)程，本文中探究了車輪與底盤零部件間連接鉸鏈?zhǔn)Ф鴮?dǎo)致車輪脫落對(duì)碰撞結(jié)果的影響，并提出通過零部件拉伸試驗(yàn)方法獲取車輪與底盤連接鉸鏈?zhǔn)Я?，并?yīng)用于仿真中以準(zhǔn)確模擬鉸鏈?zhǔn)Ы鉀Q思路，通過仿真與數(shù)值分析相結(jié)合方法，明確了鉸鏈力測(cè)量范圍，并設(shè)計(jì)出若干套測(cè)量鉸鏈?zhǔn)Яぱb夾具，將測(cè)量失效力應(yīng)用于某車型小偏置碰撞正向開發(fā)模型，通過仿真試驗(yàn)對(duì)比，證明該研究思路合理且可行，研究得出如下結(jié)論。

（1）通過分析同一車型車輪3個(gè)球鉸鏈完全不失效和車輪完全脫落兩種極端情況。結(jié)果表明：鉸鏈完全失效與否導(dǎo)致車輪運(yùn)動(dòng)形式完全不同，且左前門門環(huán)變形模式也不相同，總體來說，鉸鏈不失效情況下，門環(huán)系統(tǒng)的變形更大，從乘員艙侵入量數(shù)值角度進(jìn)行結(jié)果評(píng)判，兩種情況相差38～272 mm。因此，車輪與底盤連接是否失效對(duì)小偏置碰撞性能評(píng)定影響較大。

（2）通過仿真與數(shù)值分析相結(jié)合方法，對(duì)車輪連接鉸鏈各個(gè)方向受力情況進(jìn)行分析，結(jié)果表明：沖擊能量對(duì)3個(gè)鉸鏈3個(gè)方向峰值力相關(guān)性均在顯著等級(jí)以上，故須對(duì)各鉸鏈X、Y、Z3個(gè)方向平動(dòng)失效力進(jìn)行全面測(cè)量。

（3）針對(duì)某車型車輪與底盤3個(gè)鉸鏈，完成了一整套測(cè)量鉸鏈?zhǔn)Яぱb夾具設(shè)計(jì)，試驗(yàn)表明該套夾具能完整測(cè)量出該車型各鉸鏈?zhǔn)Я?，設(shè)計(jì)合理。

（4）對(duì)該車型進(jìn)行帶鉸鏈?zhǔn)ЯΨ抡娣治鲅芯浚Y(jié)果表明：設(shè)置了準(zhǔn)確失效力仿真模型，其鉸鏈?zhǔn)撀洌囕喓烷T框特征位置變形模式均與試驗(yàn)一致。通過對(duì)車體結(jié)構(gòu)測(cè)點(diǎn)侵入量數(shù)值對(duì)比，帶鉸鏈?zhǔn)ЯΨ抡婢忍嵘仍?2% ～375%之間，大幅提高小偏置碰撞仿真計(jì)算精度。