乘用車狹小面積追尾商用車的耐撞性優(yōu)化

乘用車狹小面積追尾商用車的耐撞性優(yōu)化

鄧善良姜潮鄧青青

湖南大學(xué)汽車車身先進(jìn)設(shè)計(jì)制造國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,長沙,410082

摘要：乘用車狹小面積重疊追尾碰撞對(duì)商用車后下部防護(hù)裝置的耐撞性要求較高。針對(duì)乘用車狹小面積追尾商用車這一碰撞形式進(jìn)行耐撞性分析，通過拓?fù)鋬?yōu)化得到兼顧30%、50%、100%三種追尾重疊形式的商用車后下部防護(hù)裝置最佳材料分布形式，并根據(jù)拓?fù)鋬?yōu)化模型進(jìn)行精細(xì)設(shè)計(jì)，提出了一種新型的針對(duì)狹小面積重疊碰撞的商用車后下部防護(hù)裝置。將該防護(hù)裝置運(yùn)用于某型商用車上，并對(duì)其狹小面積追尾碰撞的耐撞性進(jìn)行了仿真驗(yàn)證。

關(guān)鍵詞:商用車;追尾碰撞;后下部防護(hù)裝置;優(yōu)化設(shè)計(jì)

中圖分類號(hào)：U467.14

收稿日期：2014-10-20

基金項(xiàng)目：國家自然科學(xué)基金資助項(xiàng)目(11172096,51222502);湖南省杰出青年基金資助項(xiàng)目(14JJ1016)

作者簡介：鄧善良,男,1987年生。湖南大學(xué)汽車車身先進(jìn)設(shè)計(jì)制造國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室碩士研究生。研究方向?yàn)槠嚺鲎舶踩?、?yōu)化設(shè)計(jì)。姜潮,男,1978年生。湖南大學(xué)汽車車身先進(jìn)設(shè)計(jì)制造國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室教授、博士研究生導(dǎo)師。鄧青青,男,1990年生。湖南大學(xué)汽車車身先進(jìn)設(shè)計(jì)制造國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室碩士研究生。

Crashworthiness Optimization for Car to Truck Underride Crashes in Narrow Area Overlap

Deng ShanliangJiang ChaoDeng Qingqing

State Key Laboratory of Advanced Design and Manufacturing

for Vehicle Body,Hunan University,Changsha,410082

Abstract:Higher requirements are put forward toward RUG of commercial vehicles that is car to truck underride crashes in the narrow area overlap. Aiming at this phenomenon, considering 30%,50%,100% three kinds overlap crashes, through the topology optimization, the best material distribution form of RUG was obtained. According to results of topology optimization, a new kind of RUG was structured after elaborate design. Finally the new kind of RUG was applied to a certain type of commercial vehicle, and its crashworthiness of narrow area overlap crashes was validated.

Key words:commercial vehicle;underride crashes;rear underride guards(RUG);optimization design

0引言

現(xiàn)行的交通道路中，乘用車與商用車混合行駛，由于兩種車輛存在結(jié)構(gòu)形式上的差異,導(dǎo)致乘

用車與商用車的碰撞相容性并不理想。其中，尤以乘用車追尾商用車最為嚴(yán)重，極易發(fā)生鉆碰現(xiàn)象[1]。美國公路安全保險(xiǎn)協(xié)會(huì)(insurance institute for highway safety,IIHS)將乘用車追尾商用車這一碰撞形式按照兩者的重疊面積分為100%重疊碰撞、50%重疊碰撞以及30%重疊碰撞(狹小面積重疊碰撞)[2]。

由于乘用車的結(jié)構(gòu)形式設(shè)計(jì)需要兼顧車輛的燃油經(jīng)濟(jì)性以及乘坐舒適性，所以其前端布置不適合進(jìn)行較大改變。因此，國內(nèi)外對(duì)乘用車與商用車的碰撞相容性研究主要集中在商用車后下部防護(hù)裝置 (rear underride guards，RUG)的優(yōu)化設(shè)計(jì)方面。朱西產(chǎn)等[3]通過研究乘用車前端保險(xiǎn)杠的尺寸,對(duì)載貨汽車RUG的最佳離地高度和剛度進(jìn)行了分析；趙紫劍[4]對(duì)商用車RUG進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)，通過添加吸能盒，提高了RUG的耐撞性；Krehl等[5]按照法規(guī)對(duì)商用車前后防護(hù)裝置進(jìn)行碰撞試驗(yàn),并優(yōu)化結(jié)構(gòu)從而提高其耐撞性；Mariolani等[6]提出了兩種新型的RUG，并進(jìn)行試驗(yàn)以驗(yàn)證其有效性；Cerniglia等[7]認(rèn)為RUG有4種吸能模式,即防護(hù)架的塑性變形、部件間的摩擦、液體或氣體的流動(dòng)、部件的損壞和破裂等。以上研究一般只針對(duì)乘用車與商用車100%重疊的碰撞形式，很少考慮50%和30%等狹小面積重疊追尾碰撞對(duì)商用車RUG耐撞性要求較高的問題。

本文針對(duì)乘用車狹小面積追尾商用車的碰撞特點(diǎn),通過拓?fù)鋬?yōu)化確定RUG的最佳材料分布，并進(jìn)一步優(yōu)化設(shè)計(jì)其結(jié)構(gòu)，提出一種新型的RUG,在保證RUG有效性的同時(shí)，增加其在碰撞中吸收的能量。

1商用車RUG的特點(diǎn)及其評(píng)價(jià)方法

商用車特別是大型載貨汽車,因其功能原因,具有車輛后端離地較高、總質(zhì)量大、整體剛度大、在碰撞過程中吸收的能量少、行駛速度低等特點(diǎn)，而乘用車則具有前端較低、整體剛度相對(duì)偏小、行駛速度高等特點(diǎn)。商用車以歐曼某型掛車為例,乘用車以福特金牛座為例，商用車后端尾部及乘用車前端尺寸如圖1所示。由兩者的高度對(duì)比可知,若乘用車追尾商用車，則乘用車極易鉆入商用車尾部下方,即發(fā)生“鉆碰”，如圖2所示。為避免鉆碰現(xiàn)象的發(fā)生，商用車RUG應(yīng)具有足夠的強(qiáng)度、剛度以及恰當(dāng)?shù)碾x地間隙，以防止乘用車鉆入商用車底部。另外，由于乘用車行駛速度較高，因此RUG應(yīng)能在有效阻擋乘用車鉆入商用車尾部下方的前提下,最大程度地吸收碰撞能量,進(jìn)而緩解碰撞的劇烈程度，保護(hù)乘用車內(nèi)的駕乘人員。此外，RUG應(yīng)滿足輕量化設(shè)計(jì)要求，且安裝后不應(yīng)影響車輛的通過性能[8]。

圖1　乘用車前端與商用車尾部高度對(duì)比

圖2　乘用車追尾商用車示意圖

由于乘用車追尾商用車碰撞的嚴(yán)重性,以及RUG安裝的必要性,各國都制定了相應(yīng)的法規(guī),主要有歐洲ECE R58、美國FMVSS 223/224等法規(guī)，我國也推出了GB11567.2-2001標(biāo)準(zhǔn)。法規(guī)對(duì)需要安裝RUG的車輛類型、安裝尺寸、應(yīng)達(dá)到的技術(shù)要求以及實(shí)驗(yàn)方法均進(jìn)行了規(guī)定和說明。

但隨著車速的提高以及實(shí)驗(yàn)的驗(yàn)證,上述標(biāo)準(zhǔn)的技術(shù)要求越來越難以滿足實(shí)際需求。文獻(xiàn)[6]提高RUG靜態(tài)加載實(shí)驗(yàn)作用點(diǎn)所施加的載荷進(jìn)行了實(shí)驗(yàn),如圖3所示,其中,P1、P2、P3為載荷施加點(diǎn),第一組載荷對(duì)應(yīng)整備質(zhì)量為1200kg的乘用車50km/h的追尾碰撞，第二組載荷對(duì)應(yīng) 整備質(zhì)量為1500kg的乘用車64km/h的追尾碰撞。文獻(xiàn)[9]按100%、50%以及30%三種重疊的追尾碰撞形式，分別進(jìn)行了8次實(shí)車追尾碰撞實(shí)驗(yàn),結(jié)果為:8輛商用車均通過100%重疊的追尾碰撞測(cè)試,7輛商用車滿足50%重疊的追尾碰撞測(cè)試，僅有1輛商用車通過了30%重疊的碰撞測(cè)試。該實(shí)驗(yàn)結(jié)果進(jìn)一步表明現(xiàn)有標(biāo)準(zhǔn)已不能滿足實(shí)際追尾碰撞中對(duì)乘用車的保護(hù)，且對(duì)狹小面積追尾碰撞考慮不足。因此，標(biāo)準(zhǔn)亟需提高和完善。

圖3　后下部防護(hù)裝置靜態(tài)加載實(shí)驗(yàn)

2RUG的拓?fù)鋬?yōu)化

商用車RUG的耐撞性較大程度上取決于其內(nèi)部支撐結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)。為兼顧各種重疊形式的追尾碰撞，本文根據(jù)多種重疊形式碰撞時(shí)商用車RUG的載荷分布，建立其拓?fù)鋬?yōu)化模型，進(jìn)而根據(jù)拓?fù)鋬?yōu)化結(jié)果初步確定其內(nèi)部支撐結(jié)構(gòu)。

拓?fù)鋬?yōu)化的主要研究對(duì)象是連續(xù)體結(jié)構(gòu)，基本方法是將設(shè)計(jì)域劃分為有限單元，依據(jù)一定的算法(如均勻化法、變密度法等)刪除部分區(qū)域，形成帶孔的連續(xù)體，從而實(shí)現(xiàn)連續(xù)體的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)[10]。通過拓?fù)鋬?yōu)化分析，可以全面了解產(chǎn)品的結(jié)構(gòu)和功能特性，有針對(duì)性地對(duì)總體結(jié)構(gòu)和具體部件進(jìn)行設(shè)計(jì)，避免內(nèi)部復(fù)雜零件設(shè)計(jì)的盲目性，保證最大材料利用率，減小結(jié)構(gòu)質(zhì)量。

首先根據(jù)RUG的上述特點(diǎn)建立其基模型,確定設(shè)計(jì)域和非設(shè)計(jì)域;然后通過對(duì)RUG的受力和約束分析，確立復(fù)雜受力件施加載荷和約束的方法；進(jìn)而定義其優(yōu)化目標(biāo)函數(shù)和優(yōu)化約束，進(jìn)行拓?fù)鋬?yōu)化；最終根據(jù)偽密度云圖設(shè)計(jì)一種新型RUG。

2.1拓?fù)鋬?yōu)化基模型

根據(jù)商用車尾部的空間布置以及GB11567.2-2001中對(duì)RUG的幾何尺寸要求,創(chuàng)建RUG的基模型,如圖4所示?；Ｐ桶O(shè)計(jì)域和非設(shè)計(jì)域。其中，非設(shè)計(jì)域?yàn)樯逃密囓囕v底板、副車架末端部分以及RUG橫梁；設(shè)計(jì)域通過拓?fù)鋬?yōu)化，最終獲得具有較好耐撞性的支撐架構(gòu)。

圖4　RUG拓?fù)鋬?yōu)化基模型

2.2施加約束邊界條件和載荷邊界條件

商用車RUG一般通過螺栓與副車架、車廂地板相連接,因此對(duì)副車架末端、車廂地板施加邊界條件，約束其6個(gè)自由度,如圖5所示。

圖5　拓?fù)鋬?yōu)化基模型中施加的約束

首先按照ECE R58的要求,分別在P1、P3點(diǎn)施加25kN的載荷,在P2點(diǎn)施加100kN的載荷,獲得拓?fù)鋬?yōu)化模型一，如圖6所示。

圖6　拓?fù)鋬?yōu)化基模型中施加的載荷

對(duì)于狹小面積重疊的追尾碰撞,若在P2點(diǎn)施加25kN的載荷,則難以滿足實(shí)際碰撞中對(duì)RUG的耐撞性要求。本文選取某自重1100kg的乘用車,模擬分析其狹小面積重疊剛性壁障的碰撞，速度為56km/h,獲取剛性墻的反作用力，碰撞模型如圖7a所示。

(a)狹小面積重疊剛性壁障碰撞模型

(b)剛性壁障反作用力時(shí)間歷程曲線 圖7　狹小面積重疊剛性壁障碰撞

由剛性墻反作用力的時(shí)間歷程曲線圖(圖7b)以及乘用車變形模式的時(shí)間歷程可知，反作用力有兩個(gè)峰值,峰值一為222.8kN,為乘用車與剛性墻之間的最大作用力,該值遠(yuǎn)大于ECE R58規(guī)定的靜態(tài)加載實(shí)驗(yàn)中對(duì)P1點(diǎn)施加的載荷25kN;峰值二為309.4kN,為乘用車輪胎與剛性墻之間的最大作用力,在此不予考慮。因此,為滿足狹小面積追尾碰撞的實(shí)際載荷要求,將P1點(diǎn)施加載荷設(shè)置為222.8kN,P1、P3點(diǎn)載荷不變,作用點(diǎn)位置不變,獲得拓?fù)鋬?yōu)化模型二,并與拓?fù)鋬?yōu)化模型進(jìn)行比較。

2.3設(shè)置響應(yīng)及優(yōu)化目標(biāo)

拓?fù)鋬?yōu)化需要設(shè)計(jì)多個(gè)響應(yīng),由于該優(yōu)化模型為實(shí)體單元組成，各個(gè)載荷所對(duì)應(yīng)的位移由實(shí)體單元所附的材料性能所決定,因此將P1、P2、P3點(diǎn)所施加載荷對(duì)應(yīng)產(chǎn)生的位移作為柔順性響應(yīng)，以設(shè)計(jì)域的體積作為體積響應(yīng)。

采用變密度方法[11],將有限元模型內(nèi)單元密度指定為相同值,以結(jié)構(gòu)的體積最小化為目標(biāo),考慮3個(gè)載荷的位移響應(yīng),建立RUG的拓?fù)鋬?yōu)化模型如下：

(1)

2.4拓?fù)鋬?yōu)化結(jié)果

根據(jù)設(shè)定的目標(biāo)函數(shù)和約束條件,運(yùn)用成熟的商業(yè)軟件optistruct,經(jīng)多次迭代計(jì)算,最終獲得模型一和模型二的拓?fù)鋬?yōu)化結(jié)果,如圖8所示。兩者對(duì)比可知，模型二即考慮狹小面積重疊碰撞的RUG,其內(nèi)部支撐顯著增多,對(duì)兩側(cè)的保護(hù)明顯加強(qiáng)。最終,針對(duì)乘用車狹小面積追尾碰撞商用車這一碰撞形式，確定了商用車RUG合理的載荷傳遞路徑，以及支撐結(jié)構(gòu)的最佳材料分布形式。

(a)模型一拓?fù)鋬?yōu)化結(jié)果

(b)模型二拓?fù)鋬?yōu)化結(jié)果 圖8　拓?fù)鋬?yōu)化結(jié)果

拓?fù)鋬?yōu)化的結(jié)果為數(shù)值解而非可以直接實(shí)現(xiàn)的設(shè)計(jì)方案，因此需要將工程經(jīng)驗(yàn)和參考設(shè)計(jì)的優(yōu)點(diǎn)融合進(jìn)去,才能將拓?fù)鋬?yōu)化結(jié)果轉(zhuǎn)化為較合理的等效結(jié)構(gòu)[12]。

3RUG結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

商用車RUG應(yīng)當(dāng)同時(shí)滿足100%、50%、30%三種重疊形式的追尾碰撞,而現(xiàn)有的RUG如網(wǎng)式RUG、高度可調(diào)式RUG和擴(kuò)脹管式RUG等對(duì)100%和50%重疊追尾碰撞有較好的防護(hù)作用，但對(duì)狹小面積(30%)重疊的追尾碰撞防護(hù)作用還需要提高[13]。

由模型二考慮狹小面積重疊碰撞的拓?fù)鋬?yōu)化，根據(jù)其結(jié)果可以確定載荷傳遞的路徑，進(jìn)而結(jié)合工程實(shí)踐經(jīng)驗(yàn),并考慮加工工藝和安裝的便捷性,在拓?fù)鋬?yōu)化結(jié)果的基礎(chǔ)上進(jìn)行適當(dāng)修改,最終獲得一種新型的RUG，如圖9所示。對(duì)比現(xiàn)有的RUG，該設(shè)計(jì)在RUG末端增加了垂直支撐和斜向支撐，并且在中間支撐以及兩側(cè)支撐與下端橫梁之間添加吸能盒，使其在追尾碰撞時(shí)充分吸收碰撞能量，提升其緩沖效果。

1.副車架末端　2.縱梁末端　3.兩側(cè)支撐　4.吸能盒 5.下端橫梁　6.上端橫梁　7.中間支撐　8.斜向支撐 圖9　新型RUG

文獻(xiàn)[1]進(jìn)行了槽鋼、矩形鋼管和鋼板折疊三種結(jié)構(gòu)的RUG實(shí)車追尾碰撞實(shí)驗(yàn)，對(duì)比三種結(jié)構(gòu)，矩形鋼管結(jié)構(gòu)防護(hù)架吸能時(shí)間較長，可降低碰撞加速度峰值，有效吸收碰撞能量。因此在本設(shè)計(jì)中，下端橫梁采用矩形鋼管結(jié)構(gòu)，利用變形，充分吸收碰撞能量，并且增加一上端矩形鋼管橫梁，使其在碰撞中與乘用車發(fā)動(dòng)機(jī)艙蓋接觸時(shí)發(fā)生變形，吸收碰撞能量。

3.1新型RUG有效性驗(yàn)證

按照GB11567．2-2001《汽車和掛車后下部防護(hù)要求》中RUG移動(dòng)壁障碰撞實(shí)驗(yàn)的要求,對(duì)新設(shè)計(jì)的RUG進(jìn)行有效性驗(yàn)證,即由1100kg重的移動(dòng)壁障以32km/h的速度正面100%重疊撞擊RUG,RUG下邊緣離地高度為420mm。

由表1可以看出,新設(shè)計(jì)的RUG的各項(xiàng)指標(biāo)滿足法規(guī)要求。為進(jìn)一步驗(yàn)證新型RUG對(duì)狹小面積重疊追尾碰撞防護(hù)的有效性,本文選用國標(biāo)中相同的移動(dòng)壁障，速度提高至56km/h,正面30%重疊撞擊RUG,仿真分析時(shí)長為80ms。RUG變形過程分別截取時(shí)刻t為20ms、40ms、60ms以及80ms的碰撞狀態(tài),如圖10a所示,能量變化曲線如圖10b所示。根據(jù)30%重疊碰撞的時(shí)間歷程以及能量變化曲線可以看出,在碰撞過程中，吸能盒以及下端橫梁充分變形，吸收碰撞能量46kJ,起到緩沖吸能功能。兩側(cè)支撐以及斜向支撐具有足夠的強(qiáng)度剛度，變形較小，起到阻擋功能。碰撞后期，移動(dòng)壁障向外偏轉(zhuǎn)，沒有鉆入車廂底板下方。

表1　仿真結(jié)果與法規(guī)要求值對(duì)比

t=20mst=40ms

t=60mst=80ms (a)RUG變形過程

(b)能量變化曲線 圖10　30%重疊碰撞仿真

根據(jù)某型商用車的尺寸以及商用車尾部的空間布置(圖11),針對(duì)狹小面積的追尾碰撞，運(yùn)用上述優(yōu)化設(shè)計(jì)流程，構(gòu)建新型RUG。

圖11　某型商用車模型

對(duì)乘用車狹小面積追尾商用車進(jìn)行有限元模擬仿真分析。由于追尾碰撞過程中只有商用車后端尾部與乘用車相接觸,而其前端不參與碰撞，即不發(fā)生任何變形，所以在不影響計(jì)算結(jié)果的前提下,為減少計(jì)算耗時(shí)，本文只截取商用車尾部車廂地板、縱梁以及副車架的一部分，用于安裝新型RUG。在仿真分析中將縱梁后端6個(gè)自由度全部約束，乘用車以56km/h的速度30%重疊追尾碰撞RUG,仿真計(jì)算時(shí)長為200ms。狹小面積追尾碰撞模型如圖12所示。

t=80mst=120ms

t=160mst=200ms (a)車輛追尾碰撞過程

(b)能量變化曲線 圖13　乘用車狹小面積追尾后下部防護(hù)裝置

分別截取時(shí)刻為80ms、120ms、160ms以及200ms的碰撞狀態(tài)，如圖13a所示,碰撞中0～200ms的能量變化曲線如圖13b所示?？芍?，在碰撞過程中乘用車向外側(cè)偏轉(zhuǎn)，新型RUG阻擋車輛鉆入商用車底部，防止鉆碰事故的發(fā)生，并且吸能盒以及下端橫梁充分變形，吸收碰撞能量，有效減小事故劇烈程度。由于乘用車前端保險(xiǎn)杠防護(hù)面積較小，使得商用車后下部防護(hù)裝置與乘用車前端保險(xiǎn)杠接觸面積較小，乘用車內(nèi)部吸能盒沒有充分變形，最終RUG上端與乘用車A柱有輕微接觸。通過改善乘用車自身狹小面積的耐撞性，可有效減小該輕微接觸，從而進(jìn)一步提高兩者的碰撞相容性。

4結(jié)語

對(duì)于乘用車狹小面積追尾商用車這一碰撞形式，因乘用車和商用車的各自結(jié)構(gòu)特點(diǎn),具有較差的碰撞相容性。本文針對(duì)該種碰撞形式，利用拓?fù)鋬?yōu)化，構(gòu)建了一種新型的商用車后下部防護(hù)裝置,為改善兩者的碰撞相容性提供了一種新的方法。

由于成本原因,較多的商用車沒有安裝后下部防護(hù)裝置,因此,希望有關(guān)部門能夠加強(qiáng)對(duì)商用車后下部防護(hù)裝置安裝的監(jiān)督及監(jiān)管。另外，隨著我國道路交通的改善，乘用車和商用車的車速均在不斷提高，現(xiàn)有的國家標(biāo)準(zhǔn)GB11567．2-2001已不能滿足實(shí)際的要求，希望有關(guān)部門能夠積極推進(jìn)相關(guān)法規(guī)的強(qiáng)化和改進(jìn)工作。

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(編輯蘇衛(wèi)國)