某車型正面碰撞結構優(yōu)化

王月 宋葉紅 肖海濤 劉衛(wèi)國，2 孫立志 周大永，2

（1.浙江吉利汽車研究院有限公司；2.浙江省汽車安全技術重點實驗室）

隨著汽車工業(yè)的發(fā)展，車輛數(shù)量逐年增加，同時交通事故的發(fā)生率及傷亡人數(shù)也呈上升趨勢[1-2]。在各種汽車碰撞事故中，正面碰撞發(fā)生及造成死亡的概率較高。因此，研究汽車的碰撞安全性能已經(jīng)成為新車型開發(fā)及老車型改款過程中必不可少的重要環(huán)節(jié)。文章針對某車型在64 km/h 正面40%偏置碰撞過程中出現(xiàn)的問題，應用Hypermesh 軟件進行對標分析，找出導致汽車出現(xiàn)踏板超標問題的原因，并在此基礎上進行結構優(yōu)化，使其結構性能滿足要求。

1 現(xiàn)有車型存在問題及分析

1.1 問題描述

某車型在進行64 km/h 正面40%偏置碰撞試驗中，縱梁折彎變形嚴重，呈明顯的“Z”字形，前圍板整體變形侵入較大，使得踏板及轉向管柱存在超標現(xiàn)象。表1示出不同位置侵入量情況；各位置的變形情況，如圖1和圖2所示。

表1 某車型正面碰撞試驗中各位置侵入量 mm

1.2 仿真模型

運用Hypermesh 軟件搭建正面偏置碰撞整車分析模型，如圖3所示。壁障模型采用可變形壁障，在與試驗相同條件下以64 km/h 的速度撞擊可變形壁障。由于分析考慮車身結構的變形情況，因此模型中無內(nèi)飾系統(tǒng)（車門內(nèi)飾及B 柱內(nèi)飾等），模擬時間設定為160 ms。

1.3 結果分析

碰撞分析求解運用LS-DYNA 軟件，碰撞過程中的能量曲線及質量增加情況，如圖4 和圖5所示。

從圖4 和圖5 可以看出，系統(tǒng)的動能逐步轉化為內(nèi)能，曲線光滑，沙漏能占總能量比例小于5%，質量增加小于5%，仿真結果具有參考價值[3-4]。

通過對試驗及仿真結果不同時刻的分析，初步判斷是由于該車型乘員艙強度及縱梁結構較弱且縱梁基礎結構呈現(xiàn)臺階結構，因此碰撞過程中出現(xiàn)在臺階位置彎折的問題；同時機艙前圍板位置結構較弱，導致前圍侵入較大，使得踏板及轉向管柱的后移量出現(xiàn)超標和罰分的問題。

2 結構優(yōu)化方案

2.1 縱梁結構優(yōu)化

將左右縱梁的結構進行優(yōu)化，從懸置所在位置將縱梁平面拉平，優(yōu)化前后，左右縱梁的結構，如圖6 和圖7所示，材料選用厚度為2.0 mm 的B340/590DP。

2.2 前圍板結構優(yōu)化

在前圍板與A 柱之間增加連接件和加強件，將能量有效傳遞到車身后部，如圖8所示，材料選用厚度為2.0 mm 的 B340/590DP。

2.3 前地板結構優(yōu)化

在前圍地板上增加地板上縱梁，保證地板下縱梁與地板上縱梁形成腔體結構。增加件結構，如圖9所示。

3 優(yōu)化結果評定

3.1 縱梁變形模式

圖10 示出優(yōu)化前后縱梁變形模式，從圖10b 可以看出，優(yōu)化后縱梁前端位置未出現(xiàn)向下的嚴重折彎變形，縱梁前段被壓潰且產(chǎn)生向內(nèi)的彎折，縱梁懸置后端出現(xiàn)折彎變形。

3.2 能量吸收情況分析

縱梁的能量吸收情況，如圖11所示。從圖11 可以看出，優(yōu)化前縱梁吸收的能量為11.8 kJ，優(yōu)化后吸收的能量為15.75 kJ，較優(yōu)化前能量吸收增加33%，改進效果較好。

3.3 侵入量對比

優(yōu)化前后駕駛員側前圍侵入情況，如圖12所示。從圖12 可以看出，優(yōu)化后前圍板的侵入情況明顯降低，由原來的343 mm 減小到219 mm，減小了124 mm。

3.4 整車波形分析

圖13 示出結構優(yōu)化前后整車波形分析圖。從圖13a可以看出，優(yōu)化后整車加速度波形在40 ms 之前明顯升高，在65 ms 與90 ms，整車達到最大加速度，峰值為40 g；從圖13b 可以看出，車體的反彈時刻（即速度歸零時刻）由之前的107 ms 變化到98 ms，提前了9 ms；從圖13c可以看出，整車最大動態(tài)位移明顯減小，由原來的1 285 mm 減小到1 148 mm，減小了137 mm；從圖13d可以看出，車體強度隨著位移的變化而產(chǎn)生的加速度的變化情況，即優(yōu)化后車體的強度較優(yōu)化前明顯增加。

4 結論

1）通過對造成踏板及轉向管柱超標問題的分析，可以反映出機艙縱梁結構及強度設計的不合理直接影響到乘員艙的整體侵入情況，在車型開發(fā)中該位置結構的設計至關重要；

2）通過CAE 模擬分析的方法可以再現(xiàn)產(chǎn)生問題的原因，為問題的解決提供參考方向，同時運用CAE仿真分析技術可以縮短開發(fā)周期，減少試驗次數(shù)及開發(fā)成本，對設計目標的實現(xiàn)具有很大的幫助作用；

3）采用優(yōu)化機艙縱梁結構，增加乘員艙總體強度的方法，可以增加碰撞過程中能量的吸收，減小對乘員造成的傷害。該設計理念及方法可為其他車型的結構設計提供參考。