試論汽車(chē)前防撞梁低速碰撞性能分析及優(yōu)化設(shè)計(jì)

陳紅輝

摘 要：汽車(chē)前防撞梁低速碰撞性能分析對(duì)于當(dāng)前汽車(chē)防撞梁碰撞安全性能、輕量化設(shè)計(jì)方面有很強(qiáng)的借鑒作用。文章主要對(duì)其進(jìn)行相關(guān)研究，汽車(chē)低速碰撞時(shí)速在專(zhuān)業(yè)領(lǐng)域內(nèi)是指時(shí)速是低于16km/h的情況下產(chǎn)生的碰撞事故，當(dāng)發(fā)生事故之后，前防撞梁是主要吸收撞擊力的主要部件，因此碰撞安全性能將會(huì)直接影響到汽車(chē)前端重要零件部本身性能的保護(hù)能力。

關(guān)鍵詞：汽車(chē) 前防撞梁 低速碰撞 性能

Discussion on Low-speed Collision Performance Analysis and Optimal Design of Automobile Front Anti-collision Beam

Chen Honghui

Abstract：The low-speed collision performance analysis of automobile front anti-collision beams has a strong reference role for the current collision safety performance and lightweight design of automobile anti-collision beams. The article mainly conducts related research on it. In the professional field， the low-speed collision of a car refers to a collision accident that occurs when the speed is lower than 16km/h. After an accident occurs， the front anti-collision beam is the main component that absorbs the impact force. Therefore， the collision safety performance will directly affect the protection ability of the important parts of the front end of the car.

Key words：car， front anti-collision beam， low-speed collision， performance

隨著汽車(chē)保有量不斷增加，城市道路越來(lái)越擁堵，這種現(xiàn)象下汽車(chē)行駛速度會(huì)減慢，低速碰撞就成為城市交通事故當(dāng)中最主要的類(lèi)型。發(fā)生低速碰撞之后前端的防撞梁對(duì)汽車(chē)重要零部件起到很好的保護(hù)作用，因此防撞梁碰撞安全性能一直是汽車(chē)被動(dòng)安全領(lǐng)域內(nèi)被研究的重點(diǎn)方向。

1 低速碰撞法規(guī)與防撞梁性能評(píng)價(jià)

汽車(chē)防撞梁的評(píng)價(jià)指標(biāo)主要有防撞梁系統(tǒng)總吸能、碰撞力、碰撞器侵入量。其中，防撞梁系統(tǒng)總吸能是指汽車(chē)在低速碰撞當(dāng)中，防撞梁是主要吸能部件，應(yīng)該盡可能吸收更多能量，減少發(fā)生碰撞傳遞到車(chē)身上的碰撞能量。防撞梁系統(tǒng)碰撞力可以表示為防撞梁、碰撞器兩者之間的相互作用力。防撞梁系統(tǒng)碰撞力越來(lái)越小，傳遞到車(chē)身上的作用力就會(huì)越來(lái)越小，對(duì)車(chē)內(nèi)部乘客、汽車(chē)零部件產(chǎn)生的危害也就越來(lái)越小，汽車(chē)的碰撞性能也就越小;汽車(chē)碰撞器侵入量：防撞梁系統(tǒng)后面安置了散熱器與發(fā)動(dòng)機(jī)等重要設(shè)備，因此防撞梁系統(tǒng)被撞擊產(chǎn)生的力度必須小于許可量。在實(shí)際實(shí)驗(yàn)過(guò)程中如果是整車(chē)實(shí)驗(yàn)、零部件碰撞實(shí)驗(yàn)等成本都比較高;如果車(chē)輛防撞梁抗彎強(qiáng)度不足，就無(wú)法滿足碰撞實(shí)驗(yàn)要求。

2 防撞梁碰撞安全性能分析

2.1 材料力學(xué)性能參數(shù)

本次研究使用拉伸實(shí)驗(yàn)來(lái)獲取防撞梁材料力學(xué)性能參數(shù)，建立起防撞梁三點(diǎn)壓彎有限元校驗(yàn)防撞梁的抗彎性能，同時(shí)驗(yàn)證校正模型建立起有限元模型，從而驗(yàn)證模型。利用該建模方式來(lái)建立汽車(chē)防撞梁低速碰撞有限元模型，計(jì)算基于ECE-R42法規(guī)、CFVSS215法規(guī)，驗(yàn)證設(shè)計(jì)是否滿足要求。為獲取防撞梁材料力學(xué)性能參數(shù)，使用WDW-100D 微機(jī)控制電子試驗(yàn)機(jī)進(jìn)行金屬材料的拉伸實(shí)驗(yàn)。實(shí)驗(yàn)使用材料為AA6082-T6 鋁合金，科研用在制作橫梁、連接板，以及AA6063-T4 鋁合金，可以用來(lái)制作吸能盒。首先制作金屬材料用來(lái)進(jìn)行拉伸實(shí)驗(yàn)，實(shí)驗(yàn)標(biāo)準(zhǔn)以GB/T16865-2013為基準(zhǔn)[1]。

2.2 防撞梁抗彎強(qiáng)度

為保證設(shè)計(jì)開(kāi)發(fā)效率必須要節(jié)約實(shí)驗(yàn)成本，首先應(yīng)該對(duì)防撞梁系統(tǒng)的抗彎強(qiáng)度進(jìn)行校核，通過(guò)防撞梁三點(diǎn)壓彎實(shí)驗(yàn)來(lái)驗(yàn)證設(shè)計(jì)強(qiáng)度是否滿足標(biāo)準(zhǔn)，之后再次進(jìn)行碰撞實(shí)驗(yàn)。實(shí)驗(yàn)過(guò)程中防撞梁三點(diǎn)壓實(shí)驗(yàn)為準(zhǔn)靜態(tài)實(shí)驗(yàn)，主要用來(lái)描述低速度下的大變形、位移問(wèn)題，實(shí)驗(yàn)條件簡(jiǎn)單且成本低廉，是測(cè)試防撞梁抗彎強(qiáng)度的最主要方式。汽車(chē)防撞梁構(gòu)件為薄壁構(gòu)件，只適合運(yùn)用在殼單元模擬當(dāng)中。殼單元主要分為兩類(lèi)，分別是Hughes-Liu與Belytschko-Tasy，在運(yùn)用過(guò)程當(dāng)中前者適合運(yùn)用在模擬翹曲和扭轉(zhuǎn)上，計(jì)算參數(shù)精準(zhǔn)，但是計(jì)算速度很慢;最后，還能夠很好模擬碰撞變形現(xiàn)象，計(jì)算精度較低，但是計(jì)算速度很快，而且還需要計(jì)算單積分應(yīng)該控制的沙漏問(wèn)題。壓頭材料為高強(qiáng)度鋼，結(jié)構(gòu)強(qiáng)度高于防撞梁強(qiáng)度，在仿真模擬當(dāng)中應(yīng)該進(jìn)行剛體處理，選擇LS-DYNA的 20號(hào)剛性體材料模型。實(shí)驗(yàn)當(dāng)中使用的壓板、擺錘與壓頭材料使用一致。在連接上，LS-DYNA將車(chē)身部件之間的連接方式劃分為三種，變形體、剛性體、變形體與剛形體之間的連接。防撞梁不同位置之前使用焊點(diǎn)、焊縫連接，這就是變形體之間的連接。

2.3 防撞梁低速碰撞性能分析

在碰撞實(shí)驗(yàn)當(dāng)中，存在成本高、周期長(zhǎng)、實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)難以準(zhǔn)確獲取的問(wèn)題。當(dāng)前有限元技術(shù)越來(lái)越成熟，逐漸替代碰撞實(shí)驗(yàn)成為研究防撞梁碰撞性能的主要技術(shù)手段。為防撞梁的碰撞性能進(jìn)行分析，只考慮汽車(chē)防撞梁系統(tǒng)為主要研究對(duì)象，考慮防撞梁相連縱梁以及與車(chē)身結(jié)構(gòu)構(gòu)件視為剛體處理，不考慮其中碰撞變形的過(guò)程。在實(shí)際研究當(dāng)中，零部件碰撞分析與整車(chē)碰撞分析兩者之間存在差異，數(shù)據(jù)上的差異不影響碰撞響應(yīng)趨勢(shì)一致。而且與整車(chē)碰撞分析相比，僅僅針對(duì)防撞梁系統(tǒng)進(jìn)行零部件碰撞分析與建模，消耗成本更少，而且針對(duì)性更強(qiáng)[2]。

3 防撞梁優(yōu)化設(shè)計(jì)

3.1 防撞梁輕量化設(shè)計(jì)

防撞梁是車(chē)身結(jié)構(gòu)當(dāng)中重要的組成部分，防撞梁的輕量化設(shè)計(jì)對(duì)汽車(chē)的節(jié)能減排有重要意義。前防撞梁輕量化設(shè)計(jì)主要分為三種：結(jié)構(gòu)化設(shè)計(jì)、運(yùn)用輕質(zhì)新型材料以及使用輕量化制造工藝機(jī)進(jìn)行設(shè)計(jì)。基于CAE技術(shù)的防撞梁結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)方式主要是尺寸優(yōu)化、拓?fù)鋬?yōu)化、多目標(biāo)優(yōu)化等。

3.2 優(yōu)化設(shè)計(jì)方式

防撞梁的輕量化優(yōu)化設(shè)計(jì)方式主要包括數(shù)學(xué)優(yōu)化模型構(gòu)建、實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)、樣本參數(shù)獲取、構(gòu)建模型、優(yōu)化算法、求得結(jié)果等步驟，整體上可以劃分為四個(gè)環(huán)節(jié)。在模型構(gòu)建方面，根據(jù)實(shí)驗(yàn)工程確定模型當(dāng)中的設(shè)計(jì)變量和約束條件、目標(biāo)函數(shù)等，根據(jù)理論分析與工程實(shí)踐來(lái)確定參數(shù)的取值范圍。實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)使用最優(yōu)拉丁超立方實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)，獲取空間當(dāng)中分布均勻且變量水平不重復(fù)的樣本點(diǎn)，通過(guò)精準(zhǔn)的設(shè)計(jì)，從而反映設(shè)計(jì)變量與性能指標(biāo)響應(yīng)值之間的關(guān)系，從而提高代理模型的擬合精度。接下來(lái)獲取樣本點(diǎn)，根據(jù)最優(yōu)拉丁超立方試驗(yàn)設(shè)計(jì)對(duì)樣本機(jī)械能有限元分析，通過(guò)仿真獲取樣本點(diǎn)[3]。構(gòu)建起響應(yīng)面模型、矯正響應(yīng)面精度、之后使用數(shù)學(xué)模型優(yōu)化求解，最終優(yōu)化實(shí)驗(yàn)結(jié)果。

3.3 優(yōu)化結(jié)果驗(yàn)證

將優(yōu)化結(jié)果預(yù)測(cè)數(shù)與仿真結(jié)果數(shù)據(jù)進(jìn)行對(duì)比分析，經(jīng)過(guò)實(shí)驗(yàn)可以看出優(yōu)化結(jié)果與仿真結(jié)果之間的誤差相對(duì)比較小，最大誤差值僅為2.92%，證明優(yōu)化結(jié)果可信。防撞梁在優(yōu)化設(shè)計(jì)之后，能看出優(yōu)化之后的防撞梁明顯減重，碰撞力峰值下降，支反力峰值與侵入量峰值設(shè)計(jì)均滿足設(shè)計(jì)要求，防撞梁在實(shí)現(xiàn)輕量化設(shè)計(jì)的同時(shí)，碰撞安全性能也得到了保證。優(yōu)化設(shè)計(jì)完成之后，防撞梁均滿足各個(gè)工況具體設(shè)計(jì)要求，也實(shí)現(xiàn)了安全性能。

4 結(jié)語(yǔ)

綜上，隨著時(shí)代的發(fā)展，汽車(chē)的安全性能越來(lái)越受到了人們的重視。在研究當(dāng)中，需要積極改進(jìn)防撞梁的設(shè)計(jì)技術(shù)，推廣使用輕量化設(shè)計(jì)方式，確保優(yōu)化之后的防撞梁滿足設(shè)計(jì)要求，實(shí)現(xiàn)輕量化的同時(shí)也可以改善碰撞性能。文章針對(duì)碰撞安全與輕量化設(shè)計(jì)方面作出了一些改動(dòng)，但是實(shí)驗(yàn)條件受到限制，具體工作的開(kāi)展，仍舊需要深入研究。

參考文獻(xiàn)：

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