陳冬民，張雅萍，侯聚英，王麗娟，陳宗渝

（1.江鈴汽車股份有限公司，江西 南昌 330052；2.南昌大學(xué) 先進(jìn)制造學(xué)院，江西 南昌 330031）

由于汽車保有量越來(lái)越多，汽車的安全越來(lái)越受到重視。汽車碰撞事故中正面碰撞最為普遍，且造成的死亡人數(shù)最多。因此，研究汽車正面碰撞安全性能有著重要的現(xiàn)實(shí)意義。國(guó)內(nèi)外汽車行業(yè)高度重視汽車耐撞性的研究，而基于碰撞載荷傳遞的汽車耐撞性設(shè)計(jì)是提高整車被動(dòng)安全性的重要途徑。劉釗對(duì)正面碰撞時(shí)汽車碰撞載荷的傳遞路徑進(jìn)行了深入的分析，并針對(duì)車體結(jié)構(gòu)傳遞載荷能力不足的缺陷，提出了改進(jìn)意見(jiàn)。王大志通過(guò)理論分析，對(duì)碰撞過(guò)程中載荷傳遞路徑進(jìn)行規(guī)劃，通過(guò)計(jì)算得到傳力部件的截面力設(shè)計(jì)要求。簡(jiǎn)曉春基于能量吸收理論對(duì)汽車正面碰撞耐撞性進(jìn)行了優(yōu)化設(shè)計(jì)。

本文首先以某款SUV為研究對(duì)象，根據(jù)車體結(jié)構(gòu)建立64 km/h正面40%偏置碰撞工況下的載荷傳遞模型。隨后，對(duì)模型進(jìn)行分析，以降低侵入量為目標(biāo)，對(duì)車體結(jié)構(gòu)進(jìn)行優(yōu)化改進(jìn)。

1 整車正面碰撞CAE分析

為了建立載荷傳遞模型，通過(guò)整車64 km/h正面40%偏置碰撞CAE分析獲得碰撞車體各部位沖擊載荷。整車正面碰撞有限元模型如圖1所示，單元總數(shù)為847 060，其中殼單元總數(shù)為593 609，實(shí)體單元總數(shù)為15 624，單元的平均尺寸為10 mm。根據(jù)歐洲新車評(píng)價(jià)規(guī)程（European New Car Assessment Program, ENCAP）正面碰撞標(biāo)準(zhǔn)，對(duì)整車進(jìn)行64 km/h正面40%偏置碰撞安全性仿真分析。圖2為相應(yīng)碰撞工況下的整車變形情況，相關(guān)侵入量如表1所示，分析結(jié)果表明，基礎(chǔ)車型侵入量不滿足ENCAP 5星設(shè)計(jì)目標(biāo)。

圖1 整車有限元模型

圖2 偏置碰撞工況變形

表1 基礎(chǔ)車型仿真結(jié)果

2 沖擊載荷傳遞及能量吸收模型

汽車的正面碰撞過(guò)程實(shí)質(zhì)上是一個(gè)包含著載荷傳遞和能量轉(zhuǎn)化的過(guò)程，碰撞載荷通過(guò)汽車的承載部件進(jìn)行傳遞，汽車的動(dòng)能轉(zhuǎn)化為車身部件的塑性變形能。圖3為本文所研究的SUV的前部車體結(jié)構(gòu)，在正面偏置碰撞過(guò)程中，碰撞載荷是由前懸上邊梁、前縱梁以及副車架來(lái)進(jìn)行傳遞；汽車的動(dòng)能轉(zhuǎn)化成了前懸上邊梁，前縱梁以及副車架的塑性變形能。

圖3 SUV的前部車體結(jié)構(gòu)

為了能夠?qū)φ嫫门鲎策^(guò)程中的載荷傳遞進(jìn)行更加深入的分析，需要建立載荷傳遞模型。在所建立的模型中，連線的箭頭方向?yàn)椴考g的載荷流向。結(jié)合具體的車體結(jié)構(gòu)，得到車輛在正面40%偏置碰撞工況下的載荷傳遞模型框圖（圖4），圖中的虛線框內(nèi)部件為關(guān)鍵部件，這些部件的變形、侵入的大小直接決定了表1中的指標(biāo)是否滿足設(shè)計(jì)要求。圖中的綠色路徑為偏置碰撞時(shí)，汽車正面所受的外部載荷。

3 模型分析及改進(jìn)方案

由圖4中的模型可知，正面偏置碰撞工況下汽車所受的外界載荷主要來(lái)自兩個(gè)方面：

（1）壁障與前防撞梁的部分結(jié)構(gòu)相接觸，經(jīng)過(guò)前防撞梁分流之后，載荷被重新分配，形成了新的3條路徑：碰撞壁障與前防撞梁接觸通過(guò)冷卻系統(tǒng)、發(fā)動(dòng)機(jī)總成傳遞到前圍的沖擊載荷，圖4中的A路徑；碰撞壁障與前防撞梁接觸通過(guò)左前縱梁傳遞到地板，圖4中的B路徑；碰撞壁障與水箱上橫梁接觸沿前懸上邊梁傳遞到A柱與門檻梁，圖4中的C路徑。

（2）壁障與左前車輪相接觸，左前輪受到擠壓后移，將載荷傳遞到A柱與門檻梁，圖4中的D路徑。

3.1 載荷優(yōu)化分析

侵入量的具體指標(biāo)為門框變形量、防火墻侵入量、方向盤移動(dòng)量、制動(dòng)踏板移動(dòng)量、加速踏板移動(dòng)量。為了滿足設(shè)計(jì)要求，必須對(duì)上述指標(biāo)所涉及部件的變形量進(jìn)行控制，控制部件變形的方法可以從兩個(gè)角度來(lái)考慮：主動(dòng)控制和被動(dòng)控制。主動(dòng)控制旨在通過(guò)減小作用在部件上的載荷來(lái)達(dá)到較小變形的目的；被動(dòng)控制旨在通過(guò)增加部件的自身剛度來(lái)減小變形。不難發(fā)現(xiàn)，基于前者的改進(jìn)方法在汽車耐撞性優(yōu)化設(shè)計(jì)中更為有效，更易獲得低成本、高性能的方案?；诖耍?結(jié)合載荷傳遞模型，提出一種載荷優(yōu)化分析思路：首先在圖4中找到對(duì)應(yīng)的部件（虛框中的部件），即為受載部件。其次根據(jù)載荷路徑找到受載部件前一級(jí)的一級(jí)施載部件。對(duì)于主動(dòng)控制而言，即控制受載部件的受力，可以通過(guò)兩條思路來(lái)實(shí)現(xiàn)：（1）減少一級(jí)施載部件的受力；（2）對(duì)一級(jí)施載部件和受載部件之間的載荷進(jìn)行一級(jí)載荷分流；其中思路（1）可進(jìn)一步循環(huán)分析一級(jí)施載部件自身前一級(jí)的二級(jí)施載部件，以此類推，最終得到優(yōu)化結(jié)果。具體的流程如圖5所示。

圖4 載荷傳遞模型

圖5 載荷優(yōu)化分析思路

3.2 侵入量的控制

對(duì)圖4所示模型進(jìn)行必要的簡(jiǎn)化，得到圖6。

根據(jù)圖6可知，為了減小加速、制動(dòng)踏板所 受到的載荷、，有兩條改善思路：（1）減小防火墻的受力；（2）對(duì)防火墻傳遞的載荷進(jìn)行分流，即增加大小。對(duì)思路（1）進(jìn)一步分析：減少防火墻受力的兩條思路：減少發(fā)動(dòng)機(jī)總成受力；對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)總成傳遞的載荷進(jìn)行分流，即增加大小，新增載荷路徑。更深入分析，要減少發(fā)動(dòng)機(jī)總成受力，可減少水箱防撞梁梁系受力或者對(duì)水箱防撞梁梁系傳遞的載荷進(jìn)行分流，對(duì)于前者，受限于測(cè)試要求的限制，很難實(shí)現(xiàn)；而對(duì)于后者，可以通過(guò)增加、的大小來(lái)實(shí)現(xiàn)。

圖6 踏板所受載荷路徑分析

進(jìn)一步對(duì)圖4進(jìn)行簡(jiǎn)化得到圖7。

圖7 A柱下部載荷路徑分析

利用3.1中的分析思路結(jié)合圖8可知，轉(zhuǎn)向管柱的移動(dòng)量最終也取決于防火墻的受力。通過(guò)對(duì)結(jié)構(gòu)分析可知，A柱下部及A柱上邊梁受力產(chǎn)生變形是車門門框發(fā)生變形的主要原因。那么為了減小門框的變形，就必須減小A柱下部與A柱上邊梁的變形，即減小所受到的載荷。兩條思路：減少左前車輪的受力以及對(duì)進(jìn)行分流，前者受限，后者可以通過(guò)新增3條載荷路徑實(shí)現(xiàn)，即增大。

圖8 工程方案圖

對(duì)上述分析思路匯總后得到車體結(jié)構(gòu)的整體優(yōu)化思路，如表2所示。將其工程化后得到圖8所示的工程方案。將改進(jìn)方案更新到有限元模型中，計(jì)算出各路徑傳遞的載荷值，如表3所示?；A(chǔ)方案和改進(jìn)方案門框變形、前圍變形、整車變形對(duì)比如圖9、圖10、圖11所示。

表2 優(yōu)化思路工程方案

表3 載荷傳遞值/kN

圖9 門框變形對(duì)比

圖10 前圍變形對(duì)比

圖11 整車變形對(duì)比

為了驗(yàn)證改進(jìn)方案的有效性，進(jìn)行了實(shí)車碰撞試驗(yàn)，圖12(a)(b)分別為碰撞試驗(yàn)前后車體變形，圖12(c)(d)分別是車輛前端變形和主駕前圍板位置變形。侵入量的試驗(yàn)結(jié)果如表4所示。試驗(yàn)結(jié)果表明，該SUV車體結(jié)構(gòu)滿足ENCAP五星車體結(jié)構(gòu)要求。

圖12 碰撞試驗(yàn)對(duì)比圖

表4 侵入量對(duì)比

移動(dòng)量 ≤50 47 23 20 加速踏板 移動(dòng)量 ≤50 67 52 51 ≤50 64 42 47 方向盤 移動(dòng)量 ≤40 64 33 29 ≤40 35 25 30 防火墻 侵入量 ≤150 182 137 142

4 結(jié)論

本文對(duì)碰撞載荷在車身結(jié)構(gòu)中的傳遞路徑進(jìn)行了深入研究，總結(jié)了基于載荷傳遞路徑的汽車碰撞安全性優(yōu)化思路和方法。結(jié)合具體車身結(jié)構(gòu)，建立了整車正面偏置碰撞的載荷傳遞模型。以侵入量為優(yōu)化目標(biāo)，載荷傳遞路徑為根本，結(jié)合所建模型，提出了相應(yīng)的改進(jìn)方案。通過(guò)正面偏置碰撞仿真以及試驗(yàn)結(jié)果對(duì)比分析，驗(yàn)證了改進(jìn)后的車體結(jié)構(gòu)滿足ENCAP五星車體結(jié)構(gòu)要求，說(shuō)明提出的改進(jìn)方案是合理、有效的，提高了整車的碰撞安全性能。本研究為提高車輛車身結(jié)構(gòu)耐撞性提供了可借鑒的方法。