可脫落式前副車架結(jié)構(gòu)仿真與試驗(yàn)

張迎軍+涂金剛+張林波+肖海峰+潘鋒

摘要：為應(yīng)對(duì)日趨嚴(yán)格的被動(dòng)安全法規(guī)和標(biāo)準(zhǔn)以及當(dāng)前流行的短前懸設(shè)計(jì)帶來(lái)的整車前碰空間不足的問(wèn)題，提出可脫落式副車架設(shè)計(jì)方案。首次引入三階等效波設(shè)計(jì)方法，基于某車型Euro NCAP前部偏置碰撞仿真結(jié)果提取前副車架連接點(diǎn)位置的載荷特征曲線，規(guī)劃可脫落式副車架的失效時(shí)域；設(shè)計(jì)前副車架脫落方式及其零部件試驗(yàn)方案，采用CrachFEM失效模型對(duì)試驗(yàn)方案進(jìn)行仿真，對(duì)比5輪試驗(yàn)與仿真結(jié)果發(fā)現(xiàn)：CrachFEM失效模型仿真與沖擊試驗(yàn)中前副車架的拉脫失效力峰值的誤差最大值為4.31%。將優(yōu)選脫落結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)方案應(yīng)用于該車型Euro NCAP前部偏置碰撞仿真計(jì)算，前副車架在規(guī)劃時(shí)域內(nèi)脫落，第三階等效加速度a₃降低11.83%，整車位移增大20 min，整車歸零時(shí)刻延長(zhǎng)1.1 ms，因此該方案可有效改善該車型的前部高速耐碰撞性能。

關(guān)鍵詞：汽車；前副車架；三階等效波；失效仿真；CrachFEM；LS-DYNA

中圖分類號(hào)：U467.14 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：B

0引言

當(dāng)前，國(guó)內(nèi)主流家用轎車一般采用前置前驅(qū)的動(dòng)力總成布置形式，在應(yīng)對(duì)日趨嚴(yán)格的碰撞安全法規(guī)和標(biāo)準(zhǔn)時(shí)，由于前部高速碰撞發(fā)生時(shí)前艙可供變形吸能的有效空間（以下簡(jiǎn)稱“碰撞空間”）不足，常常表現(xiàn)為整車加速度后段均值偏高，乘員傷害值偏大，從而給NCAP星級(jí)開(kāi)發(fā)目標(biāo)的實(shí)現(xiàn)帶來(lái)巨大挑戰(zhàn)。

前副車架是轎車底盤重要的承載部件，其特殊的設(shè)計(jì)能使整車在承受來(lái)自正面碰撞沖擊載荷的情況下，分散沖擊能量，有效改善整車碰撞加速度波形。可脫落式副車架將副車架與車身的連接部件設(shè)計(jì)成在特定受力條件下可以自行脫落的方式，使得前部碰撞發(fā)生時(shí)，前副車架從車身連接點(diǎn)脫落并因自身重力的作用而向下移動(dòng)，同時(shí)帶動(dòng)與之相連的動(dòng)力總成下沉，實(shí)質(zhì)上可增大前碰過(guò)程中前縱梁的碰撞空間，從而實(shí)現(xiàn)降低加速度的目的。在國(guó)外，主流主機(jī)廠對(duì)可脫落式副車架設(shè)計(jì)進(jìn)行大量的研究，并申請(qǐng)國(guó)際專利保護(hù)。Mazda公司提出一種基于前副車架安裝支架螺栓過(guò)孔邊緣弱化的結(jié)構(gòu)，螺栓過(guò)孔發(fā)生大變形時(shí)前副車架脫離車身，該結(jié)構(gòu)已成功應(yīng)用于量產(chǎn)車型Mazda CX-5；Ford公司設(shè)計(jì)一種前副車架后連接點(diǎn)脆性脫落結(jié)構(gòu)，并已成功應(yīng)用于Focus 2015；Honda公司設(shè)計(jì)一種利用連接螺栓預(yù)緊產(chǎn)生的界面摩擦力限值來(lái)控制前副車架前連接點(diǎn)與車身分離的結(jié)構(gòu)，該結(jié)構(gòu)見(jiàn)于Honda CRV和奧德賽；Toyota公司采取前副車架后連接點(diǎn)滑脫的方案；Tesla公司采用在前副車架中部邊梁設(shè)置折彎誘導(dǎo)槽的方式，實(shí)現(xiàn)前副車架前連接點(diǎn)脫落。華晨汽車設(shè)計(jì)一種在副車架羊角上端面開(kāi)豁口的結(jié)構(gòu)，在保障整車激勵(lì)和動(dòng)剛度的同時(shí)，提升某款車型的耐撞性能；吉利汽車在前副車架連接套筒上設(shè)置局部弱化缺口結(jié)構(gòu)，并已經(jīng)將該成果應(yīng)用于一款量產(chǎn)車型。

本文針對(duì)Euro NCAP前部偏置碰撞工況引入三階等效波設(shè)計(jì)方法，基于Euro NCAP前部偏置碰撞仿真計(jì)算結(jié)果提取前副車架連接點(diǎn)的載荷特征曲線，規(guī)劃可脫落式副車架的失效時(shí)刻，設(shè)計(jì)前副車架脫落方式及其零部件試驗(yàn)方案：首先采用CrachFEM失效模型對(duì)試驗(yàn)方案進(jìn)行仿真研究；然后試驗(yàn)驗(yàn)證CrachFEM失效模型預(yù)測(cè)結(jié)果的有效性；最后將優(yōu)選脫落方案應(yīng)用于整車結(jié)構(gòu)，用Euro NCAP前部偏置碰撞仿真驗(yàn)證設(shè)計(jì)方案的可行性。

1三階等效波

在預(yù)研階段，新車型碰撞的仿真及優(yōu)化過(guò)程要求以盡可能少的參數(shù)表征整車前碰加速度，同時(shí)又能等效假人傷害值，從而實(shí)現(xiàn)快速評(píng)估整車結(jié)構(gòu)優(yōu)化成果的目的。為此，基于文獻(xiàn)，奇瑞公司引入三階等效波理論，將Euro NCAP前部偏置碰撞的車體加速度波形簡(jiǎn)化為三階等效波形，假設(shè)在前部偏置碰撞試驗(yàn)中，整個(gè)碰撞行為變形吸能的空間可以分為3部分：（1）前保橫梁前端與蜂窩鋁壁障背板之間的蜂窩鋁壓潰距離d₁；（2）動(dòng)力總成在蜂窩鋁壁障重疊區(qū)域至前保橫梁最前端區(qū)間的結(jié)構(gòu)件變形d₂；（3）動(dòng)力總成最后端至防火墻對(duì)應(yīng)部位前端之問(wèn)的結(jié)構(gòu)變形以及防火墻和地板吸能變形d₃。整車變形吸能區(qū)域示意見(jiàn)圖1。

根據(jù)d₁，d₂和d₃變形區(qū)域的能量守恒原理，可以將復(fù)雜的實(shí)車前部偏置碰撞波形轉(zhuǎn)換成物理特征明顯的三階等效波形，經(jīng)無(wú)量綱化處理后見(jiàn)圖2。把Euro NCAP前部偏置碰撞加速度曲線劃分為7個(gè)階段：

（1）前保橫梁開(kāi)始擠壓蜂窩鋁壁障，碰撞力上升，時(shí)間較短；

（2）蜂窩鋁壁障被壓潰，有波形，形成第一個(gè)平臺(tái)，對(duì)應(yīng)d₁變形階段的第一階等效加速度a₁；

（3）前保橫梁和吸能盒被壓潰，碰撞力上升，時(shí)間短；

（4）縱梁被壓潰，有波形，吸收能量可用力的平均值表示，形成第二平臺(tái)，對(duì)應(yīng)d₂變形階段的第二階等效加速度a₂；

（5）前副車架，上彎縱梁等部件進(jìn)入碰撞范圍，發(fā)動(dòng)機(jī)撞擊并壓實(shí)壁障，碰撞力上升，時(shí)間較短；

（6）更多零部件進(jìn)入碰撞過(guò)程，如縱梁后部、防火墻、中通道、底板縱梁等，形成第三平臺(tái)，對(duì)應(yīng)d₃變形階段的第三階等效加速度a₃；

（7）碰撞力下降，碰撞動(dòng)能吸收完成，結(jié)構(gòu)開(kāi)始回彈，加速度下降。

除保證總碰撞能量守恒的條件外，等效三階波還需要保證與實(shí)車波形有如下關(guān)系。

（1）相同的回彈時(shí)刻：整車速度為零時(shí)車體開(kāi)始反彈。（2）相同的發(fā)動(dòng)機(jī)停止時(shí)刻：發(fā)動(dòng)機(jī)撞上壁障的時(shí)刻。（3）相同的車體最大動(dòng)態(tài)變形：d_max=f（d₁，d₂，d₃）。

根據(jù)以上碰撞原理和前提假設(shè)，使用二次開(kāi)發(fā)工具將實(shí)車碰撞波形簡(jiǎn)化為三階等效波形，其特征參數(shù)回彈時(shí)刻t_r，發(fā)動(dòng)機(jī)停止時(shí)刻t_e，最大動(dòng)態(tài)變形d_max，以及總能量密度均與實(shí)車碰撞波形一致。endprint

基于上述理論，整車前部40%偏置碰撞工況的車身結(jié)構(gòu)優(yōu)化的首要任務(wù)是降低第三階等效加速度a₃，并盡可能地提高a₁和a₂。

2可脫落式副車架結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

針對(duì)某車型，基于可脫落式前副車架降低a₃原理（見(jiàn)圖3）和第1節(jié)所述第（5）階段碰撞特征，弱化前副車架連接點(diǎn)位置車身鈑金結(jié)構(gòu)，設(shè)計(jì)方案結(jié)構(gòu)特征見(jiàn)圖4a）。經(jīng)過(guò)一系列的零部件仿真分析發(fā)現(xiàn)：決定車身鈑金結(jié)構(gòu)撕裂拉脫失效力大小的因素包括鈑金結(jié)構(gòu)的材料牌號(hào)（屈服強(qiáng)度、等效塑性應(yīng)變）、材料厚度、邊緣弱化孔半徑r，以及弱化孔r的開(kāi)孔方向。綜合制造工藝可行性，最后確定在前副車架前連接點(diǎn)車身支架螺栓通孔位置與x軸方向呈114°夾角對(duì)稱開(kāi)共計(jì)2個(gè)半徑r=8 mm的弱化孔，見(jiàn)圖4b）。在確保不明顯影響車身結(jié)構(gòu)強(qiáng)度、NVH和耐久性能的前提下，實(shí)現(xiàn)在預(yù)設(shè)的目標(biāo)拉脫力范圍內(nèi)使前副車架前安裝點(diǎn)脫離車身。

3零部件動(dòng)態(tài)沖擊與失效仿真

3.1試驗(yàn)臺(tái)架

針對(duì)該車型，進(jìn)行Euro NCAP前部偏置碰撞工況LS-DYNA仿真計(jì)算，提取左側(cè)B柱根部的加速度-時(shí)間曲線，并基于第1節(jié)所述方法，使用MATLAB二次開(kāi)發(fā)工具，將實(shí)車碰撞波形簡(jiǎn)化為三階等效波形，經(jīng)無(wú)量綱化處理后見(jiàn)圖5。前副車架連接點(diǎn)設(shè)計(jì)在60～75 ms時(shí)刻脫離車身有可能降低a₃。

從某車型Euro NCAP前部偏置碰撞工況仿真計(jì)算結(jié)果中提取前副車架車身連接點(diǎn)螺栓的載荷特征曲線，見(jiàn)圖6。

根據(jù)理論力學(xué)基本原理可知施力夾角（方向）和合力大小分別為

根據(jù)式（1）和（2）計(jì)算60～75 ms時(shí)域內(nèi)前副車架前后車身連接點(diǎn)的受力大小，見(jiàn)表1。

設(shè)計(jì)前副車架脫落結(jié)構(gòu)動(dòng)態(tài)沖擊試驗(yàn)裝置見(jiàn)圖7，包括安裝在碰撞驅(qū)動(dòng)小車上的發(fā)射頭和與發(fā)射頭相配合的沖擊擋板。前副車架樣件外側(cè)設(shè)有軸套和十字拉脫銷，前副車架樣件內(nèi)側(cè)設(shè)有凸焊螺母，長(zhǎng)螺栓依次穿過(guò)十字拉脫銷、軸套與凸焊螺母固定；十字拉脫銷橫向穿過(guò)拉脫叉并與之鉸接；前副車架樣件固定于沖擊角座上，沖擊角座頂面為斜面，斜面的傾斜角度與試驗(yàn)施力角度相同。試驗(yàn)時(shí)發(fā)射頭撞擊沖擊擋板，沖擊擋板帶動(dòng)拉脫叉總成沿水平導(dǎo)軌滑動(dòng)，進(jìn)而拉脫叉經(jīng)十字拉脫銷帶動(dòng)長(zhǎng)螺栓進(jìn)行拉脫動(dòng)作，從而模擬實(shí)際前部高速碰撞過(guò)程中副車架車身連接點(diǎn)的真實(shí)載荷工況。根據(jù)施力夾角，沖擊角座傾斜角取30°；驅(qū)動(dòng)小車和發(fā)射頭總質(zhì)量約950 kg，以10 km/h的速度沿水平方向撞擊沖擊擋板。

3.2動(dòng)態(tài)沖擊試驗(yàn)與失效仿真

基于CrachFEM失效模型，建立前副車架脫落結(jié)構(gòu)動(dòng)態(tài)沖擊試驗(yàn)有限元仿真模型（見(jiàn)圖8）。副車架連接點(diǎn)車身鈑金厚度為2.0 mm，材料為DP590，弱化缺口r=8 mm，網(wǎng)格大小為1 mm，模型包括2道長(zhǎng)20 mm的對(duì)稱燒焊焊縫，焊點(diǎn)采用節(jié)點(diǎn)重合/網(wǎng)格對(duì)齊的方式連接凸焊螺母邊緣與車身鈑金，焊接位置建模考慮熱影響區(qū)，通過(guò)*INITIAL_STRESS_SHELL對(duì)涉及的材料塑性硬化曲線、材料成形極限曲線、剪切失效曲線和正向失效曲線進(jìn)行適當(dāng)縮放實(shí)現(xiàn)，以犧牲焊點(diǎn)自身精度實(shí)現(xiàn)焊點(diǎn)熱影響區(qū)的斷裂失效模擬；考慮連接螺栓的預(yù)緊作用，通過(guò)*INITIAL_AXIAL_FORCE_BEAM對(duì)連接螺栓施加40 kN的預(yù)緊力。

沖擊試驗(yàn)樣件仿真與試驗(yàn)試件最終形貌對(duì)比見(jiàn)圖9，二者整體變形吻合良好，螺栓缺口位置的鈑金撕裂裂紋萌生位置和鈑金撕裂最終形貌一致性良好。

動(dòng)態(tài)沖擊仿真與試驗(yàn)的加速度-時(shí)間曲線見(jiàn)圖10。由此可知，仿真與試驗(yàn)中小車加速度峰值基本一致（相對(duì)于實(shí)驗(yàn)值，仿真結(jié)果誤差為2.82%），相位相差8.6 ms，這是由沖擊試驗(yàn)裝置中十字拉脫銷與拉脫叉之間的相對(duì)運(yùn)動(dòng)和試驗(yàn)時(shí)在沖擊擋板上加裝緩沖木板引起的。

CrachFEM失效模型包括正向失效、剪切失效和局部頸縮引起的失穩(wěn)失效，后處理中可以通過(guò)查看單元的失效指標(biāo)判斷引起失效的原因，見(jiàn)圖11。圖11a）為3個(gè)指標(biāo)的合成云圖；從圖11b）可知該模型中裂紋萌生不是由正向斷裂引起的；從圖11d）可知該模型中裂紋萌生也不是由局部頸縮引起的；圖11c）為剪切失效指標(biāo)，數(shù)值大于1，說(shuō)明動(dòng)態(tài)沖擊試驗(yàn)裂紋萌生是由剪切失效引起的。改變車身鈑金的材料牌號(hào)和厚度以及弱化孔的尺寸，形成5個(gè)脫落結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)方案，分別進(jìn)行CrachFEM失效模型仿真和動(dòng)態(tài)沖擊試驗(yàn)，動(dòng)態(tài)沖擊仿真與試驗(yàn)拉脫失效力對(duì)比見(jiàn)表2。對(duì)比可脫落式副車架結(jié)構(gòu)動(dòng)態(tài)沖擊試驗(yàn)結(jié)果，5輪CrachFEM失效模型仿真與沖擊試驗(yàn)中前副車架的拉脫失效力峰值誤差最大值為4.31%，因此可以認(rèn)為采用CrachFEM失效模型仿真預(yù)測(cè)副車架結(jié)構(gòu)拉脫力和失效形貌是可靠、合理的。

最優(yōu)方案為副車架車身前連接支架采用DP780材料，鈑金厚度1.5 mm，螺栓通孔位置與x軸方向呈114°夾角，對(duì)稱開(kāi)共計(jì)2個(gè)r=8 mm的弱化孔，脫落失效力為29.2 kN，最有可能滿足Euro NCAP前部偏置碰撞工況前副車架脫落要求。

4整車偏置碰仿真驗(yàn)證

基于CrachFEM失效模型，將最優(yōu)方案再現(xiàn)在某整車CAE模型上，進(jìn)行Euro NCAP前部偏置碰撞仿真分析，結(jié)果顯示前副車架前連接點(diǎn)位置車身鈑金支架在t=64.3 ms時(shí)刻發(fā)生撕裂失效，拉脫失效力峰值為26.7 kN。

脫落方案實(shí)施前后動(dòng)態(tài)沖擊試驗(yàn)結(jié)果對(duì)比見(jiàn)表3。采用可脫落式副車架結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)方案后，偏置碰撞加速度第三階等效加速度a₃降低至29.8g（降低4.0g），整車位移增大20 mm，整車歸零時(shí)刻延長(zhǎng)1.1 ms。該平臺(tái)車型的前部高速碰撞耐撞性能得到改善。

5結(jié)論

（1）針對(duì)某整車Euro NCAP前部偏置碰撞工況首次引入三階等效波設(shè)計(jì)方法，基于LS-DYNA仿真計(jì)算結(jié)果提取前副車架連接點(diǎn)的載荷特征曲線，規(guī)劃可脫落式副車架的失效時(shí)域t=60～75 ms。

（2）設(shè)計(jì)前副車架脫落方式及其零部件試驗(yàn)方案，采用CrachFEM失效模型對(duì)試驗(yàn)方案進(jìn)行仿真研究，比對(duì)5輪試驗(yàn)與仿真結(jié)果發(fā)現(xiàn)CrachFEM失效模型仿真與沖擊試驗(yàn)中前副車架的拉脫失效力峰值的誤差最大值為4.31%。

（3）將最優(yōu)脫落方案應(yīng)用于整車結(jié)構(gòu)，進(jìn)行Euro NCAP前部偏置碰撞工況仿真計(jì)算，結(jié)果顯示：t=64.3 ms時(shí)刻前副車架前連接點(diǎn)成功脫離車身支架；相對(duì)于原始結(jié)構(gòu)，優(yōu)化結(jié)構(gòu)第三階等效加速度a₃降低11.83%，整車位移增大20 mm，整車歸零時(shí)刻延長(zhǎng)1.1 ms，驗(yàn)證前副車架脫落結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)方案的有效性。

（4）CrachFEM失效模型能有效模擬碰撞過(guò)程中普遍存在的鈑金撕裂現(xiàn)象，可以為被動(dòng)安全開(kāi)發(fā)提供解決方案。endprint