王新WANG Xin；張穎ZHANG Ying；高揚(yáng)GAO Yang

（①天津職業(yè)大學(xué)汽車工程學(xué)院，天津 300410；②天津職業(yè)大學(xué)藝術(shù)工程學(xué)院，天津 300410；③中交華安科技（天津）有限公司，天津 300401）

0 引言

乘用車與專用汽車發(fā)生的追尾事故是最為嚴(yán)重的交通事故類型之一[1]，我國(guó)現(xiàn)行的施工、作業(yè)類專用汽車后下部防護(hù)裝置基本為鋼材或鋁材焊接而成的框架結(jié)構(gòu)，此結(jié)構(gòu)僅符合GB 11567-2017規(guī)定的靜態(tài)壓力測(cè)試，但在實(shí)際追尾事故中，此結(jié)構(gòu)難以有效吸收碰撞能量并阻止乘用車侵入車底，從而造成嚴(yán)重的人員傷亡和車輛損毀[2]。

近年來，國(guó)家及地方相關(guān)部門相繼出臺(tái)文件，嚴(yán)格要求從安全設(shè)施配備等方面強(qiáng)化道路施工、作業(yè)安全管理；依據(jù)法規(guī)中道路施工、作業(yè)車輛需加裝防撞墊的要求，以及?；愤\(yùn)輸車輛加裝防撞墊的需求，防撞墊產(chǎn)品迎來市場(chǎng)的爆發(fā)期。

同時(shí)，目前國(guó)內(nèi)市場(chǎng)主流單級(jí)式防撞墊產(chǎn)品，由于只包含單一吸能箱體，即使在輕度碰撞后也需整體更換，其性能缺陷難以滿足市場(chǎng)多元化的應(yīng)用需求，因此，多級(jí)吸能式防撞墊的研發(fā)與應(yīng)用成為亟待解決的問題。

本文運(yùn)用CAE碰撞仿真分析軟件LS-dyna進(jìn)行所設(shè)計(jì)多級(jí)吸能式防撞墊的碰撞仿真分析及優(yōu)化，驗(yàn)證方案的碰撞性能參數(shù)并分析可行性。

1 吸能式防撞墊碰撞吸能原理

轎車追尾專用車輛造成乘員傷亡的原因包括擠壓傷害及二次碰撞傷害。其中造成擠壓傷害的原因?yàn)檗I車過大的碰撞變形，導(dǎo)致發(fā)動(dòng)機(jī)等剛性較大部件向后侵入駕駛室，乘員生存空間喪失；二次碰撞傷害是由于乘員與約束系統(tǒng)碰撞造成的，而二次碰撞傷害程度取決于碰撞加速度數(shù)值，過大的碰撞加速度將導(dǎo)致過大的傷害[3]。

吸能式防撞墊安裝在專用車輛尾部，當(dāng)轎車追尾專用車輛時(shí)，通過防撞墊內(nèi)部吸能單元的軸向壓潰變形吸收碰撞的能量，能夠有效降低轎車的變形量及碰撞加速度，進(jìn)而保護(hù)車內(nèi)乘員的安全。

在被動(dòng)安全領(lǐng)域，壓潰變形是最有效的碰撞吸能方式，以下以單級(jí)吸能式防撞墊為例說明其結(jié)構(gòu)及碰撞吸能原理，防撞墊包體內(nèi)設(shè)置多層吸能單元，在碰撞過程中通過吸能單元的壓潰變形吸收碰撞能量，通過多排吸能單元組合形成不同防撞等級(jí)系列化產(chǎn)品，吸能式防撞墊幾何模型如圖1所示，吸能式防撞墊內(nèi)部吸能單元結(jié)構(gòu)如圖2所示。

圖1吸能式防撞墊幾何模型

圖2吸能式防撞墊內(nèi)部結(jié)構(gòu)

2 多級(jí)吸能式防撞墊結(jié)構(gòu)原理

目前，為保證乘員碰撞安全，乘用車正面碰撞過程中，車輛加速度一般控制在40g以下，避免乘員在二次碰撞過程中造成嚴(yán)重?fù)p傷。

同時(shí)，GB 11567-2017《汽車及掛車側(cè)面和后下部防護(hù)要求》國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)[4]、QC/T 1129-2019《特種車輛后部防撞吸能裝置》行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)[5]，均規(guī)定碰撞試驗(yàn)臺(tái)車加速度不大于40g，以降低后方追尾車輛乘員的傷害。

多級(jí)吸能式防撞墊能夠提供多級(jí)碰撞緩沖保護(hù)，低速、中速、高速追尾碰撞時(shí)，一級(jí)、二級(jí)、三級(jí)碰撞緩沖裝置分別起主要的緩沖吸能作用，低速度等級(jí)追尾碰撞時(shí)，不得損傷高等級(jí)吸能裝置，以保證維修經(jīng)濟(jì)性。所設(shè)計(jì)多級(jí)吸能式防撞墊分三級(jí)吸能緩沖裝置，分別在低速（速度≤10km/h）、中速（10km/h＜速度≤30km/h）、高速（速度≥30km/h）追尾碰撞時(shí)起到主要的緩沖吸能作用，中、低速等級(jí)追尾碰撞時(shí)，碰撞加速度不得大于40g，高速追尾碰撞時(shí)，通過增減三級(jí)碰撞吸能裝置的縱向尺寸，實(shí)現(xiàn)不同防撞速度等級(jí)產(chǎn)品的研發(fā)，同時(shí)滿足QC/T 1129-2019法規(guī)要求的加速度不大于40g的要求。

支撐框架的設(shè)計(jì)需滿足低速追尾碰撞時(shí)，支撐框架能夠提供可靠支撐；中速追尾碰撞時(shí)，支撐框架能夠可靠支撐二級(jí)碰撞緩沖裝置，保證其內(nèi)部吸能單元的穩(wěn)定壓潰變形，并且當(dāng)超過支撐框架的極限剛度時(shí)，在誘導(dǎo)結(jié)構(gòu)的作用下發(fā)生折彎變形，避免由于支撐框架的剛度過大導(dǎo)致碰撞加速度過高；高速碰撞時(shí)，支撐框架在有效支撐二級(jí)碰撞緩沖裝置充分壓潰吸能后發(fā)生彎折變形，進(jìn)而不影響三級(jí)碰撞緩沖裝置的緩沖吸能效果，多級(jí)吸能式防撞墊結(jié)構(gòu)如圖3所示，其結(jié)構(gòu)主要包含一級(jí)碰撞緩沖裝置、二級(jí)碰撞緩沖裝置、三級(jí)碰撞緩沖裝置，以及用于支撐一、二級(jí)碰撞緩沖裝置的支撐框架，同時(shí)支撐框架設(shè)置變形誘導(dǎo)結(jié)構(gòu)，當(dāng)超過其承壓極限時(shí)，支撐框架發(fā)生折彎變形，本文所述支撐框架采用帶弧度的型材，以其弧度作為變形誘導(dǎo)結(jié)構(gòu)。

圖3多級(jí)吸能式防撞墊示意圖

3 有限元碰撞仿真模型搭建

目前，有限元碰撞仿真分析已成為汽車被動(dòng)安全領(lǐng)域最主要的研發(fā)手段，能夠有效縮短研發(fā)周期，降低試驗(yàn)費(fèi)用。有限元仿真模型能夠準(zhǔn)確模擬結(jié)構(gòu)特征、材料特性、連接關(guān)系、仿真工況等，并得到高精度的仿真模型。

一級(jí)碰撞緩沖裝置為樹脂防護(hù)罩，二級(jí)、三級(jí)碰撞緩沖裝置為鋁合金材質(zhì)，支撐框架采用Q235方鋼管及圓管焊接而成；應(yīng)用Hypermesh作為前處理軟件進(jìn)行有限元模型的搭建，采用四邊形殼單元進(jìn)行各部件的網(wǎng)格劃分，為保證計(jì)算精度，單元邊長(zhǎng)定義為10mm，關(guān)鍵部位定義為8mm，根據(jù)材料拉伸試驗(yàn)曲線定義各部件材料屬性，二保焊及鉚接采用RBE2單元模擬[6]。

碰撞臺(tái)車選用QC/T 1129-2019法規(guī)碰撞試驗(yàn)規(guī)定的1.5T全寬臺(tái)車，臺(tái)車框架采用mat20剛性單元定義，輪胎采用橡膠材質(zhì)并模擬標(biāo)準(zhǔn)氣壓，臺(tái)車框架左右分別設(shè)置加速度傳感器，用于測(cè)量碰撞加速度，臺(tái)車前端剛性避障表面采用20mm厚度膠合板材質(zhì)模擬，定義完成的有限元碰撞仿真模型如圖4所示。

4 吸能式防撞墊碰撞性能分析

4.1 低速碰撞分析

低速碰撞臺(tái)車初始速度設(shè)定為10km/h，要求低速碰撞過程中，一級(jí)碰撞緩沖裝置，即前端樹脂防護(hù)罩能夠吸收碰撞能量，不得損傷二級(jí)鋁合金吸能裝置。

圖4多級(jí)吸能式防撞墊碰撞仿真模型

臺(tái)車以時(shí)速10km/h撞擊吸能式防撞墊，碰撞加速度出現(xiàn)單一峰值，最大值18g，加速度曲線如圖5所示。

圖5低速碰撞加速度曲線

圖7低速碰撞臺(tái)車最大侵入位置

碰撞過程中，僅一級(jí)碰撞緩沖裝置，即樹脂防護(hù)罩發(fā)生碰撞變形，碰撞開始及最大侵入位置如圖6所示；二級(jí)碰撞緩沖裝置碰撞過程中未發(fā)生明顯變形，最大侵入位置二級(jí)碰撞緩沖裝置變形如圖7所示，因此，在10km/h及以下低速碰撞時(shí)，僅需更換樹脂防護(hù)罩。

4.2 中速碰撞分析

多級(jí)吸能式防撞墊研發(fā)的關(guān)鍵在于支撐框架的剛度設(shè)計(jì)，需保證支撐框架能夠有效支撐一級(jí)、二級(jí)碰撞緩沖裝置，以保證其在低、中速碰撞過程中充分吸能。因此，支撐框架引入塑性鉸的設(shè)計(jì)理念，中速碰撞后期，支撐框架應(yīng)產(chǎn)生塑性鉸變形，進(jìn)而剛度迅速降低，以避免剛度過大導(dǎo)致加速度過高，同時(shí)，支撐框架的縱向變形量不應(yīng)過大，導(dǎo)致中速碰撞過程中二級(jí)碰撞緩沖裝置接觸三級(jí)碰撞緩沖裝置，影響維修經(jīng)濟(jì)性。

支撐框架采用彎曲的圓管，當(dāng)碰撞力達(dá)到其屈服極限時(shí)，圓管中間位置產(chǎn)生塑性彎折。采用DOE分析方法對(duì)鋼管的外徑及壁厚進(jìn)行2因子3水平試驗(yàn)設(shè)計(jì)[7-8]，優(yōu)化目標(biāo)為臺(tái)車碰撞加速度最大值最小，優(yōu)化約束條件為支撐框架縱向變形量，其變形量應(yīng)滿足中速碰撞過程中，不得使二級(jí)碰撞緩沖裝置接觸三級(jí)碰撞緩沖裝置。

鋼管外徑系列為50mm、80mm、100mm，鋼管壁厚系列為3mm、4mm、5mm，共進(jìn)行9次全因子仿真分析，在最大位移約束條件下，選擇碰撞加速度最大值最小的設(shè)計(jì)方案，最優(yōu)方案為鋼管外徑80mm，壁厚4mm，以下就該方案的碰撞仿真結(jié)果進(jìn)行分析。

中速碰撞，臺(tái)車以時(shí)速30km/h撞擊吸能式防撞墊，碰撞加速度最大值22.8g，加速度曲線呈現(xiàn)前高后低走勢(shì)，前期二級(jí)碰撞緩沖裝置壓潰變形，充分吸收碰撞能量；碰撞后期，當(dāng)碰撞力超出支撐框架的承載極限時(shí)，支撐框架在26ms時(shí)發(fā)生折彎變形，隨著碰撞能量的降低及支撐框架的折彎變形，碰撞加速度隨之降低，碰撞加速度曲線如圖8所示。

圖6低速碰撞過程

圖8中速碰撞加速度曲線

中速碰撞過程前期，二級(jí)碰撞緩沖裝置充分壓潰變形吸收碰撞能量，支撐框架能夠有效支撐一級(jí)、二級(jí)碰撞緩沖裝置，碰撞過程前期變形情況如圖9所示；碰撞后期，支撐框架在誘導(dǎo)變形結(jié)構(gòu)處產(chǎn)生塑性鉸變形，參與吸能并防止由于支撐剛度過大導(dǎo)致碰撞加速度的增加，碰撞最大侵入位置如圖10所示，可以看出三級(jí)碰撞緩沖裝置未發(fā)生變形，因此，在30km/h及以下低速碰撞時(shí)，僅需更換一級(jí)、二級(jí)碰撞緩沖裝置。

圖9中速碰撞過程前期

圖10中速碰撞最大侵入位置

4.3 高速碰撞分析

高速碰撞，以臺(tái)車時(shí)速80km/h撞擊吸能式防撞墊為例進(jìn)行仿真分析，該工況下，碰撞加速度最大值38.2g，加速度曲線呈現(xiàn)前后高、中間低走勢(shì)，0.18s之前為一、二級(jí)碰撞緩沖裝置壓潰變形并吸收碰撞能量，當(dāng)碰撞力超出支撐框架的承壓極限時(shí)，支撐框架產(chǎn)生折彎變形，加速度迅速下降；隨著三級(jí)碰撞緩沖裝置參與碰撞吸能，加速度曲線迅速攀升，碰撞后期加速度穩(wěn)定在22g左右，高速碰撞加速度曲線如圖11所示。

圖11高速碰撞加速度曲線

高速碰撞過程中，一級(jí)、二級(jí)、三級(jí)碰撞緩沖裝置充分壓潰變形吸收碰撞能量；碰撞初期，支撐框架能夠有效支撐一級(jí)、二級(jí)碰撞緩沖裝置，使其能夠充分變形吸能，碰撞過程前期變形情況如圖12所示；碰撞后期，支撐框架在誘導(dǎo)變形結(jié)構(gòu)處產(chǎn)生塑性鉸變形，進(jìn)而支撐剛度迅速降低，避免由于剛度過大導(dǎo)致碰撞加速度過大；碰撞最大侵入位置如圖13所示，此時(shí)三級(jí)碰撞緩沖裝置參與碰撞吸能，通過內(nèi)部吸能單元的壓潰變形吸收碰撞能量，直至完全吸收臺(tái)車動(dòng)能。在高速碰撞時(shí)，需更換一級(jí)、二級(jí)、三級(jí)碰撞緩沖裝置。

圖12高速碰撞過程前期

圖13高速碰撞最大侵入位置

5 結(jié)論

針對(duì)所設(shè)計(jì)的多級(jí)吸能式防撞墊，建立其有限元碰撞仿真分析模型，以QC/T 1129-2019法規(guī)為依據(jù)進(jìn)行10km/h、30km/h、80km/h正面臺(tái)車碰撞仿真分析，得出碰撞加速度、碰撞變形模式數(shù)據(jù)，通過數(shù)據(jù)分析發(fā)現(xiàn)，在低速、中速、高速碰撞過程中碰撞加速度均不大于40g，能夠有效保護(hù)追尾乘用車乘員的安全；同時(shí)，低速度等級(jí)追尾碰撞時(shí)，未損傷高等級(jí)吸能裝置；通過仿真分析研究，驗(yàn)證了多級(jí)吸能式防撞墊設(shè)計(jì)的合理性，為多級(jí)吸能式防撞墊的研發(fā)提供了設(shè)計(jì)思路及理論支持。