崔宏偉，郝琪，劉正午，梅佳煒

（湖北汽車工業(yè)學(xué)院 汽車工程學(xué)院，湖北 十堰 442002）

2017 年7 月中國保險(xiǎn)汽車安全指數(shù)（C-IASI）推出25%小偏置正面碰撞試驗(yàn)方法和評(píng)價(jià)規(guī)則［1］，該工況尚未列入國家強(qiáng)制車輛碰撞檢驗(yàn)標(biāo)準(zhǔn)。在小偏置碰撞中，障礙物避開了多數(shù)車型的保險(xiǎn)杠和前縱梁等吸能結(jié)構(gòu)件，直接對(duì)駕駛員造成傷害，碰撞條件苛刻，對(duì)車輛傳統(tǒng)前端設(shè)計(jì)帶來新的挑戰(zhàn)。國內(nèi)外學(xué)者對(duì)汽車小偏置碰從結(jié)構(gòu)改進(jìn)、材料和約束系統(tǒng)等方面開展了研究。Nguyen 等在小偏置碰中提出了延長防撞橫梁和改進(jìn)門檻梁的結(jié)構(gòu)優(yōu)化方案［2］；李燦民等針對(duì)小偏置碰縱梁碰撞過程中不吸能，提出Y 形結(jié)構(gòu)的改進(jìn)方案，增大碰撞過程中接觸面積［3］；劉學(xué)莉等基于小偏置正面碰撞對(duì)某SUV 車型上指梁進(jìn)行了截面大小和壓潰槽的結(jié)構(gòu)改進(jìn)，降低了傳遞到乘員艙的載荷［4］；李林峰等從結(jié)構(gòu)改進(jìn)與材料加強(qiáng)方面優(yōu)化車輛前端結(jié)構(gòu)［5］；汪俊等在小偏置碰中提出加強(qiáng)車輛結(jié)構(gòu)的完整性進(jìn)一步降低駕乘人員的受傷風(fēng)險(xiǎn)［6］。目前，針對(duì)傳統(tǒng)燃油汽車進(jìn)行的小偏置碰撞，通過結(jié)構(gòu)改進(jìn)可提高車輛的碰撞性能，但針對(duì)純電動(dòng)汽車進(jìn)行小偏置碰撞的研究較少?；诖?，在小偏置碰撞工況下，文中對(duì)微型電動(dòng)車前端結(jié)構(gòu)進(jìn)行改進(jìn)，通過延長防撞梁的長度并設(shè)計(jì)>形件，增加前端結(jié)構(gòu)與壁障的接觸面積，合理分配碰撞載荷，使前端結(jié)構(gòu)在碰撞中變形形式更合理，增加整車的吸能量，提高小偏置碰撞結(jié)構(gòu)耐撞性。

1 微型電動(dòng)車小偏置碰撞模型建立

文中研究在課題組前期完成實(shí)驗(yàn)對(duì)標(biāo)的某微型電動(dòng)車100%正面碰撞有限元模型基礎(chǔ)上進(jìn)行［7］。微型電動(dòng)車是結(jié)構(gòu)緊湊、微型單排兩座的城市代步電動(dòng)車，整車模型細(xì)分為車身、動(dòng)力總成、轉(zhuǎn)向系統(tǒng)、制動(dòng)系統(tǒng)和乘員約束系統(tǒng)。

按照C-IASI 規(guī)定，壁障高為1524 mm，弧形面半徑為150 mm，弧形角度為115°，根據(jù)車身整體尺寸和坐標(biāo)系的布置，該壁障位于車身左側(cè)，與車身重疊率為整車寬度的25%，壁障材料采用剛性材料MAT20，設(shè)置壁障為全約束。模型中鈑金結(jié)構(gòu)件采用5 mm的2D網(wǎng)格進(jìn)行劃分，對(duì)于曲率半徑大的部件采用20 mm 的2D 網(wǎng)格進(jìn)行劃分，其他圓孔細(xì)節(jié)處選擇3 mm的網(wǎng)格進(jìn)行劃分。建立3種接觸類型，包括整車自接觸，結(jié)構(gòu)件間的面面接觸和點(diǎn)焊接觸。碰撞車速為64 km·h-1，計(jì)算時(shí)長0.12 s。為了在仿真結(jié)果中讀取所需數(shù)據(jù)，通過DATABASE_OPTION關(guān)鍵字對(duì)輸出文件進(jìn)行設(shè)置。整車小偏置碰撞模型如圖1所示。

圖1 整車小偏置碰撞仿真模型

2 小偏置碰撞工況車體運(yùn)動(dòng)特性

2.1 碰撞有效性分析

碰撞仿真過程的系統(tǒng)能量變化如圖2所示，仿真模型的總能量為160 kJ，開始發(fā)生碰撞時(shí)，速度下降，系統(tǒng)動(dòng)能轉(zhuǎn)化為內(nèi)能，結(jié)構(gòu)件參與吸收能量，總體內(nèi)能增大；在60 ms 時(shí)系統(tǒng)能量趨于穩(wěn)定，能量趨于守恒。沙漏能最大為10.8 kJ，這是由于小偏置高速碰撞工況下前車架和輪胎的大部分單元產(chǎn)生接觸大變形，產(chǎn)生了一定的沙漏能，仿真中沙漏能占比為總能量的6.75%，能量變化滿足要求。整車因質(zhì)量縮放引起的質(zhì)量增加量非常小，對(duì)仿真結(jié)果基本無影響。

圖2 能量變化曲線

2.2 整車變形分析

圖3 展示了整車運(yùn)動(dòng)變形過程，在0～5 ms 車體保持X軸方向前行。在5 ms 時(shí)車體開始與剛性壁障接觸，20 ms前縱梁開始發(fā)生輕微變形；隨著碰撞的進(jìn)行，壁障和車輛左側(cè)接觸區(qū)域變形加劇，由于壁障與前縱梁的接觸范圍小，發(fā)生大變形區(qū)域較小，雖產(chǎn)生了壓潰阻力，但相對(duì)整車載荷較小，同時(shí)由于阻力位于質(zhì)心一側(cè)，車輛有繞Z軸逆時(shí)針轉(zhuǎn)動(dòng)的趨勢。從35 ms 開始，壁障與左側(cè)輪胎接觸，且剛度較大的懸架系統(tǒng)和轉(zhuǎn)向系統(tǒng)也發(fā)生了碰撞接觸，阻力進(jìn)一步增加。前縱梁只發(fā)生向內(nèi)側(cè)彎曲變形，沒有發(fā)生吸能效果良好的壓潰變形，左側(cè)輪胎承受著較大的載荷。伴隨著大變形的產(chǎn)生，車輛產(chǎn)生了較大的側(cè)向力矩，繞Z軸轉(zhuǎn)動(dòng)角速度增大。由于剛性較大的懸架、轉(zhuǎn)向機(jī)構(gòu)及其他結(jié)構(gòu)部件的吸能有限，此時(shí)整車仍有較大的動(dòng)能，車輛繞Z軸的轉(zhuǎn)角增大。

圖3 碰撞過程整車變形圖

由圖4看出，前縱梁與壁障弧形面的接觸面積較小，未發(fā)揮正面碰撞中應(yīng)有的效果。左側(cè)輪胎與壁障接觸面積較大，但由于輪胎剛度較小，輪胎產(chǎn)生了巨大的壓潰變形，帶動(dòng)轉(zhuǎn)向節(jié)臂繞其連接銷產(chǎn)生Z軸轉(zhuǎn)動(dòng)，轉(zhuǎn)向器管壁產(chǎn)生彎曲，碰撞力傳遞到乘員艙。乘員艙結(jié)構(gòu)采用大剛度設(shè)計(jì)，A柱及前門框周圍在碰撞后保持基本外形輪廓。

圖4 不同時(shí)刻前縱梁變形狀態(tài)圖

2.3 整車運(yùn)動(dòng)特性

高速碰撞下整車B 柱X向、Y向加速度曲線和整車?yán)@Z軸轉(zhuǎn)角曲線如圖5所示。碰撞初期，前縱梁等前端部件與壁障接觸面積小，緩沖吸能和分散碰撞力的作用不明顯，保險(xiǎn)杠和吸能盒變形吸能，X向、Y向加速度變化小。隨著碰撞的進(jìn)行，當(dāng)剛性壁障的碰撞力傳遞到乘員艙時(shí)，由于乘員艙剛性大，車輛動(dòng)能不能及時(shí)轉(zhuǎn)化為內(nèi)能，在33 ms 左右出現(xiàn)了X向加速度峰值，為109.8g。由于剛性壁障偏置放置，在車輛前進(jìn)方向的單側(cè)產(chǎn)生巨大運(yùn)動(dòng)阻力，車輛產(chǎn)生Y向加速度，峰值為46.15g，發(fā)生在34 ms左右。同時(shí)車身從30 ms開始產(chǎn)生Z軸轉(zhuǎn)動(dòng)，繞Z軸轉(zhuǎn)角在120 ms達(dá)到最大，為30°。

圖5 整車運(yùn)動(dòng)特性

3 基于車輛前端結(jié)構(gòu)的改進(jìn)設(shè)計(jì)

由于微型電動(dòng)車電池系統(tǒng)在座椅下方，前端吸能空間尺寸大幅降低，吸能部件較傳統(tǒng)燃油汽車少，乘員艙剛性大、變形小、加速度大。由上述仿真結(jié)果可得：1）碰撞過程中，整車變形程度劇烈，特別在整車左側(cè)區(qū)域，車輪和懸架嚴(yán)重向后擠壓；2）隨著剛性壁障的侵入，前縱梁沒有起到較好的吸能作用，在傳導(dǎo)碰撞力上也沒有充分發(fā)揮作用。針對(duì)上述問題，為在小偏置碰撞中提高整車的吸能量，降低乘員損傷情況，對(duì)前縱梁的結(jié)構(gòu)進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)。

3.1 優(yōu)化方案

考慮到車身總布置情況及結(jié)構(gòu)改進(jìn)的便宜性，前端結(jié)構(gòu)改進(jìn)采用增加碰撞載荷傳遞路線的設(shè)計(jì)思路，即增加防撞橫梁與剛性壁障重疊面積。在空間條件允許下，考慮延長防撞橫梁的長度，并通過在前縱梁新增>形結(jié)構(gòu)件的方式，將防撞橫梁與前縱梁連接到一起，增加前端結(jié)構(gòu)與壁障的接觸面積，建立載荷傳遞通道，使得前縱梁的變形吸能作用得以發(fā)揮。新增結(jié)構(gòu)件采用相同的材料和厚度，前端結(jié)構(gòu)優(yōu)化前后對(duì)比如圖6所示。

圖6 前端結(jié)構(gòu)優(yōu)化前后對(duì)比

1）傾角設(shè)計(jì) 汽車薄壁梁在斜向沖擊工況下，隨著傾斜角度的增加，薄壁梁在碰撞中出現(xiàn)歐拉變形的概率增大，平均截面力下降，薄壁梁結(jié)構(gòu)吸能量降低［8-9］。>形件與車輛前進(jìn)方向的夾角對(duì)其在碰撞過程中的傳力以及變形情況有極大的影響。為了研究>形件不同角度對(duì)碰撞的影響，選取3種不同布置方案：方案1中>形件前端與防撞橫梁最外端連接，如圖7 a 所示；方案2 中>形件與防撞橫梁新增延伸件中部連接，如圖7 b所示；方案3中>形件與車輛前進(jìn)方向保持較小夾角15°，保證>形件的整個(gè)截面能完全正面接觸壁障，如圖7 c所示。

圖7 傾角優(yōu)化方案

2）誘導(dǎo)槽設(shè)計(jì) 在>形件中引入誘導(dǎo)槽結(jié)構(gòu)。誘導(dǎo)槽的數(shù)量和間距對(duì)薄壁梁變形吸能和碰撞力的大小產(chǎn)生影響［10-11］。文中采用半圓形凹槽，結(jié)合前縱梁以及>形件的實(shí)際結(jié)構(gòu)尺寸，設(shè)計(jì)誘導(dǎo)槽數(shù)量分別為4、8和12個(gè)。

3.2 優(yōu)化結(jié)果分析

結(jié)構(gòu)變形如圖8 所示，方案1(4)表示在方案1中>形件上開4個(gè)誘導(dǎo)槽，以此類推。碰撞前中期>形件均發(fā)生不同程度的彎折變形，將碰撞力傳遞到前縱梁，使前縱梁發(fā)生較嚴(yán)重的橫向彎折變形。方案2中前縱梁橫向彎折最明顯，且誘導(dǎo)槽附近發(fā)生一定的局部軸向潰壓。將仿真結(jié)果與原模型進(jìn)行對(duì)比，如表1 所示。改進(jìn)后前縱梁吸能量顯著提高，大于10 kJ，方案2(8)中前縱梁吸能量最大，但乘員加權(quán)綜合損傷值（weighted injury criterion,WIC）為2.83，乘員損傷嚴(yán)重。方案3(12)和方案2(4)中整車吸能量較高，但WIC均大于1，乘員損傷較嚴(yán)重。>形件吸能量均在1 kJ 左右，其中方案1(12)中>形件吸能量最大，為1.69 kJ，但WIC高達(dá)6.06，乘員損傷嚴(yán)重。方案2(4)中前縱梁吸能量為10.94 kJ，比原模型提高了128.4%，整車吸能量達(dá)到149.54 kJ，是原模型的1.26 倍，>形件吸能量為1.19 kJ，改善了該微型電動(dòng)車小偏置碰撞的結(jié)構(gòu)耐撞性，使得WIC下降明顯，為0.75。

圖8 誘導(dǎo)槽結(jié)構(gòu)碰撞變形圖

表1 不同方案應(yīng)用誘導(dǎo)槽對(duì)吸能量及WIC的影響

4 結(jié)論

微型電動(dòng)車在小偏置碰撞試驗(yàn)下存在傳統(tǒng)關(guān)鍵吸能部件變形吸能不足、乘員艙變形嚴(yán)重和加速度峰值過大的問題，為此進(jìn)行前端結(jié)構(gòu)的改進(jìn)，得出以下結(jié)論：1）>形件以及誘導(dǎo)槽的應(yīng)用，在小偏置碰撞中形成有效載荷通道，顯著提高前縱梁及整車的吸能量；2）>形件設(shè)置合理，使得小偏置碰撞結(jié)構(gòu)耐撞性顯著提升，乘員損傷下降明顯；3）通過結(jié)構(gòu)改進(jìn)，前縱梁的吸能量有所提高，占比近10%，但依然存在繼續(xù)優(yōu)化的空間。