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1、西安航空职业学院西安航空职业学院毕业论文毕业论文汽车正面汽车正面 25%重叠率碰撞车身前端结构设计重叠率碰撞车身前端结构设计姓姓 名：名： 专专 业：业： 航空电子 班班 级：级： 完成日期：完成日期： 指导教师指导教师: 摘要：汽车正面 25%重叠率碰撞由于吸能部件少导致乘员舱侵入严重而使得车体前端结构设计具有一定的挑战性。本文基于 Pam-Crash/Safe 软件建立正面 25%重叠率碰撞工况车辆-假人有限元基础模型，简化了前端主要吸能构件弯曲和压溃的性能表达，以结构件侵入量作为约束条件，将总目标吸能量分解到子构件上，根据其可压溃长度计算出所需的平均反力，最后设计断面参数以满足平均反力和
2、吸能量要求。结果表明所设计的前端结构能够满足正面 25%重叠率碰撞等三种正面碰撞工况的法规要求。论文方法不仅提高了结构优化效率，还从一定程度上实现了“正向设计” 。关键词：车辆工程；前端结构设计方法；吸能量；等效简化模型0 引言在所有汽车正面碰撞死亡事故中，小偏置（25%重叠）正面碰撞约占正面碰撞总量的四分之一。但在 各国安全性法规及评价规程中，仅美国公路安全保险协会（IIHS，Insurance Institute for Highway Safety）从 2012 年开始对小偏置正面碰撞做评价1。 本文统计了 2012 至 2014 年间 IIHS 公布的 30 款车型正面全宽碰撞、正面
3、40%偏置碰撞以及正面 25%重叠率碰撞试验得分情况。其中正面 25%重叠率碰撞工况的满分率是最低的。在 25%重叠率碰撞试验 中，车体结构完整性的评价得分相对于约束系统与假人运动和假人伤害两部分得分亦最低。 这种形式的碰撞对整车的考验在于前端结构（单侧）的吸能能力和侧围的纵向强度。国内外对该工况 的研究主要集中在车体结构修改上，通常是根据某款车在该工况试验中出现的吸能不足、乘员舱侵入情况， 对结构进行修改，再通过试验或 CAE 方法进行验证2,3。 本文建立了一种该碰撞工况下的简化有限元分析模型，并提出一种从乘员舱临界侵入量角度出发的车 体前端构件设计方法，即先针对原车吸能不足的情况，以侵入
4、量为约束条件，提出前端主要纵向薄壁梁构 件的目标吸能量，再将其分配到各子构件，然后根据吸能目标利用薄壁梁理论模型进行薄壁梁结构断面的 快速设计。使之在结构断面设计之初即满足总吸能量要求，以便最终满足侵入量的要求。1 正面 25%重叠率碰撞车辆等效简化模型建立1.1 IIHS 正面 25%重叠率碰撞试验工况及评价方法 如图 1 所示，IIHS 规定：该工况中正面重叠率为车身宽度的 25%，碰撞速度为 63.4-65.4km/h，采用 刚性壁障（其正面形状为一宽 1000mm、高 1524mm 的长方形，右端为一半径 150mm、弧度 115的圆弧， 碰撞面钢板厚度为 38.1mm） ，且要求在驾
5、驶员侧放置一个 50th 百分位混男性假人1。图 1 正面 25%重叠率碰撞试验工况Fig.1 25% overlap frontal collision test condition正面 25%重叠率碰撞评价方法包括车体结构完整性、约束系统与假人运动及假人伤害三部分。每一部 分评价分为“优秀”、 “良好”、 “及格”、 “差”四个等级。其中，车体结构完整性评价部分包括十个测量点（以下 称为侵入量监测点）侵入量的评价：A 柱上、下部，仪表板上、下部，歇脚板，左侧地板，制动踏板，驻 车踏板，门槛，转向柱。 1.2 车辆-假人有限元基础模型的建立及分析 本文以某乘用车为研究实例，在 Pam-Cra
6、sh/Safe 软件中建立了该车型有限元模型的 IIHS 正面 25%重 叠率碰撞工况仿真模拟环境，图 2 为 25%重叠率正面碰撞车辆-假人有限元基础模型，该模型的坐标系与 车身坐标系相同。采用车辆主动碰撞固定壁障的方式进行模拟，冲击速度为 64km/h。图 3 为有限元基础模 型在仿真模拟中的变形情况（为观察乘员舱的侵入情况隐藏了左前轮）：A 柱上部发生严重的弯折变形， A 柱下部（即车门铰处）侵入量较大，左前门变形严重可能会导致车门不能顺利开启，同时前纵梁中段未 充分变形，即车体前端构件吸能不足导致了严重的乘员舱侵入。图 2 正面 25%重叠率碰撞车辆-假人有限元基础模型Fig.2 Th
7、e basic vehicle-dummy finite element model for 25% overlap frontal collision图 3 基础模型正面 25%重叠率碰撞变形结果Fig.3 25% overlap frontal collisional deformation results of the basic model图 4 为有限元基础模型在该工况下碰撞前后乘员小腿和足部运动状态对比图。图 4 碰撞前后乘员小腿和足部运动状态对比Fig.4 Contrast of the legs and feet movements of the occupant before
8、 and after collision分析相关构件侵入量与小腿和足部伤害的关联，发现三条与小腿胫骨轴向力和胫骨横向弯矩相关的力 的传递路径：第一条是保险杠与壁障接触产生的力使翼子板和前纵梁向后挤压，致使车门铰和门槛处产生 变形挤压到小腿，使小腿受到胫骨横向力矩；第二条是保险杠与壁障接触产生的力传至前纵梁、副车架、 发动机等，使其向后挤压侵入到前地板/前围下部（包括左侧地板、歇脚板、制动踏板、驻车踏板等法规规 定的侵入量评价点） ，前地板/前围下部变形将力传至足部，使小腿受到胫骨轴向力；第三条是保险杠与壁 障接触后受力向后挤压，导致发动机侵入乘员舱，使仪表板产生向后的位移，可能会挤压乘员小腿产
9、生胫 骨轴向力。将基础模型七个监测点的侵入量与法规临界侵入量（指法规规定的车体结构评分达到优秀的相关监测点的侵入量最大值）进行对比，见图 5。该车驻车踏板、门槛及仪表板下部侵入量明显超过了法规 临界侵入量。图 5 乘员舱侵入量与法规临界侵入量对比Fig.5 Contrast between the intrusion of the cabin and the critical intrusion of regulations基础模型碰撞前总动能为 203kJ，碰撞中总的吸能量为 151kJ。本文将该工况下车身吸能较多的构件分 为三类：前端薄壁梁构件、前端其它构件和乘员舱构件。这三部分的吸能情况
10、见图 6。分析发现该工况下 主要吸能构件依次为：前纵梁，翼子板、轮罩，前车门，副车架，前指梁，保险杠总成等。乘员舱构件吸 能量之和约占总吸能量的 40%，且该工况下乘员舱相当于单侧吸能，再次验证了车体前端构件吸能不足是 乘员舱侵入过大的原因。因此后续设计中应降低乘员舱吸能量，将其分配给前端构件。图 6 三类构件吸能量-时间曲线Fig.6 Absorbed energy-time curves of three kinds of components1.3 车辆等效简化模型的建立及验证 为对主要吸能件进行快速优化设计，本文对前纵梁、前指梁、副车架等部分进行简化。参照文献4的 方法提取主要相关件的
11、刚度特性和惯性特性，包括压溃刚度特性、弯曲刚度特性以及惯性特性，并对刚度 特性和惯性特性进行参数化，在 Pam-Crash/Safe 软件中建立等效简化模型。具体的构件模拟及连接方式如 下：主要吸能构件中非板件采用梁单元模拟，材料类型选择 BEAM214 号材料，将参数化后的刚度特性曲 线和惯性特性参数赋给相应构件的材料模型；板件则保留实际结构，与梁单元之间的连接方式采用 NODAL CONSTRAINT 节点连接。对吸能较小的构件，采用 BEAM201 号材料模拟，只输入惯性特性参数。 发生弯曲变形产生塑性铰的部位采用 SPRING220 弹簧单元模拟5,6。 以前纵梁为例说明等效简化模型的
12、建立过程。根据碰撞后变形特点，将前纵梁大致分成图 7 所示的四 段进行简化：第 1 段主要为压溃变形；第 2 段既有压溃变形又有绕 y 轴和 z 轴的弯曲变形；第 3 段有绕 y 轴和 z 轴的弯曲；第 4 段有绕 y 轴和 z 轴的弯曲。等效简化模型见图 8。 采用同样的方法对前指梁和副车架进行简化。图 7 根据前纵梁变形特点分段 图 8 前纵梁简化模型图Fig.7 Segmentations of the front Fig.8 Simplified model side rail according to the of the front side rail characteristic
13、s of deformationB 柱之后的单元与前端侵入和乘员伤害的关联性小，用质量点代替。分别调整简化模型车辆前端（A 柱之前） 、后端（B 柱之后）及整车的质量和质心位置，使之与有限元基础模型接近，得到最终的等效简 化模型。图 9 为等效简化后的模型，蓝色的为被简化的构件。表 1 为有限元基础模型与等效简化模型质量 和质心位置对比数据。图 9 等效简化模型Fig.9 Equivalent simplified model表 1 有限元基础模型与等效简化模型质量和质心位置对比Table.1 Contrast of masses and centroid locations between
14、basic finite element model and equivalent simplified model质心位置(mm)质心位置(mm)质心位置(mm)模型前端质量 (kg) XYZ后端质量 (kg) XYZ总质量 (kg) XYZ基础模型699-928-24486383-383895911282-1977-7551简化模型696-926-24486382-384495911250-1978-7551图 10-13 为等效简化模型与有限元基础模型的变形过程对比图，两种模型的变形形式比较一致。图 10 整车前端变形对比Fig.10 Deformation Contrast of th
15、e vehicle front-ends图 11 前纵梁变形对比Fig.11 Deformation Contrast of the front side rails图 12 前指梁变形对比Fig.12 Deformation Contrast of the shotguns图 13 副车架变形对比Fig.13 Deformation Contrast of the sub-frames等效简化模型最终吸能量为 158kJ，误差为 4.6%。等效简化模型七个相关监测点的侵入量与有限元基础模型相比最大误差小于 15%，如图 14。图 14 等效简化模型与有限元基础模型监测点侵入量对比Fig.14
16、 Contrast of the intrusion at monitoring sites between equivalent simplified model and basic finite element model2 正面 25%重叠率前端结构抗撞性设计目标一般来说正面 25%重叠率碰撞工况不同于全宽碰撞，车辆脱离壁障时（本文将该时刻定义为碰撞结束 时刻）仍有一定的速度 v。车体前端总的目标吸能量按下式计算：(1)22 0011 22Emvmv 其中，E0为车体前端总的目标吸能量，m 为等效简化模型总质量（见表 1） ，v0为碰撞初速度，v 为碰 撞结束速度，定义为车体前端目标吸能比例，即车体前端目标吸能量与整车碰撞前后动能差之比。本文 经统计发现，该工况下 80%以上的车辆在碰撞结束时刻的速
