摘要

基于避能結(jié)構(gòu)設(shè)計理念，設(shè)計了以環(huán)形吸能結(jié)構(gòu)（Energy Absorbing Ring）為代表的傳力吸能結(jié)構(gòu)，通過對某SUV 進行碰撞區(qū)域劃分，設(shè)計正交試驗，利用仿真計算結(jié)果建立了高精度響應(yīng)面模型，得到不同碰撞區(qū)域的傳力分布及吸能匹配的優(yōu)化方案，并進行正面碰撞工況仿真驗證。結(jié)合平臺化開發(fā)特征，對與該SUV 同平臺的MPV 車型進行了結(jié)構(gòu)改進，獲得了滿足目標要求的仿真結(jié)果，利用響應(yīng)面模型獲得的車體結(jié)構(gòu)變形與實際仿真結(jié)果誤差為11%，驗證了響應(yīng)面模型的準確性?；谝陨蟽?yōu)化過程，總結(jié)獲得了一種“控制不同碰撞區(qū)域傳力吸能”的平臺化小偏置碰撞結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計方法及流程。

關(guān)鍵字：避能結(jié)構(gòu)；小偏置碰撞；環(huán)形吸能結(jié)構(gòu)；響應(yīng)面模型；平臺化
作者：劉衡，鄭顥，王玉超，李偉，范松
單位：廣州汽車集團股份有限公司汽車工程研究院

美國公路安全保險協(xié)會（Insurance Institute for Highway Safety，IIHS）實施的小偏置碰撞（Small Overlap Barrier，SOB）是目前最嚴格的碰撞工況之一，美國相關(guān)機構(gòu)事故調(diào)查結(jié)果顯示，前碰交通事故中約有25%的乘員死亡來自小偏置碰撞工況[1]。中國保險汽車安全指數(shù)（China Insurance Automotive Safety Index，C-IASI）引進了IIHS的小偏置碰撞，C-IASI 2018年度第二批車型測試結(jié)果顯示，在小偏置碰撞車輛結(jié)構(gòu)評價方面，參與測試的11款車型中僅2款車型獲得“優(yōu)秀”評價，有4款車型獲得“較差”評價。

目前，在針對小偏置碰撞的結(jié)構(gòu)設(shè)計中，存在2種主流思路，即以沃爾沃的上短梁環(huán)狀結(jié)構(gòu)（Shotgun-Ring）技術(shù)為代表的位移導向策略和以本田高兼容性設(shè)計（Advanced Compatibility Engineering，ACE）技術(shù)為代表的前期吸能策略[2-3]。位移導向策略即將前保險杠兩端傾斜延長以提高碰撞載荷，或者/同時構(gòu)造上短梁環(huán)狀結(jié)構(gòu)以避免懸臂結(jié)構(gòu)并產(chǎn)生側(cè)向載荷，增大側(cè)向滑動，使車輛整體側(cè)向滑出以減少乘員艙的侵入量。前期吸能策略將上短梁作為與前縱梁并行的載荷傳遞路徑，在早期即能產(chǎn)生較好的傳力吸能效果，可降低乘員艙的侵入量[4-6]。從車身結(jié)構(gòu)設(shè)計角度，ACE的車身前部結(jié)構(gòu)實質(zhì)也具有側(cè)向位移導向作用，上短梁環(huán)狀結(jié)構(gòu)也含有增加機艙吸能的成分，二者相互包含，相互融合，其實質(zhì)均是碰撞傳力匹配與吸能控制。

總結(jié)測試成績較差的車型，得到小偏置碰撞的主要特點是碰撞區(qū)域避開了前縱梁及副車架，能量通過上短梁、輪胎和懸架傳導到A柱和門檻。在初始能量較大的情況下，若機艙吸能結(jié)構(gòu)無法將壁障與乘員艙撞擊的能量降低到可承受的水平，就必須利用小偏置碰撞重疊率小的特點，設(shè)計“避能”結(jié)構(gòu)，以保證乘員艙的完整性[7]。

本文通過碰撞區(qū)域劃分，利用某SUV在各碰撞區(qū)域設(shè)計“避能”結(jié)構(gòu)，設(shè)計正交試驗，建立高精度響應(yīng)面模型，進行小偏置碰撞結(jié)構(gòu)優(yōu)化，并結(jié)合平臺化車身結(jié)構(gòu)開發(fā)特征，提出一種平臺化小偏置碰撞結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計方法，以實現(xiàn)平臺化車身結(jié)構(gòu)的正向開發(fā)。

1  小偏置碰撞結(jié)構(gòu)分析

本文以某SUV為研究對象，利用LS-DYNA分析程序模擬整車碰撞。該車質(zhì)量為1.8 t，單元數(shù)量約為300萬個，網(wǎng)格最大尺寸為10 mm。機艙前部設(shè)計有3條縱向傳力通道：防撞梁-吸能盒-縱梁-前圍橫梁-乘員艙；上短梁-A柱-乘員艙；副車架小縱梁-地板縱梁-乘員艙。上短梁、副車架分別與縱梁前部搭接，形成穩(wěn)定的車輛前部傳力吸能結(jié)構(gòu)。

50 km/h正面全寬剛性壁障碰撞實車試驗結(jié)果與仿真計算結(jié)果對比如圖1所示。2條曲線的趨勢基本相同，峰值出現(xiàn)時刻和誤差也均在可接受的范圍內(nèi)，因此可基于該模型進行后續(xù)分析。



本文根據(jù)IIHS 規(guī)定的小偏置碰撞壁障尺寸和形狀，建立了碰撞壁障模型：整車以64.4 km/h的速度撞擊剛性壁障，接觸面積約為車身寬度的25%。仿真結(jié)果如圖2所示，乘員艙變形嚴重，上A柱折彎明顯，下A柱侵入較大，門檻梁Y 向變形嚴重。



機艙及乘員艙主要傳力結(jié)構(gòu)的變形情況如圖3所示。由圖3 可知：由于前縱梁及副車架的Y 向外伸設(shè)計，前縱梁及副車架與壁障重疊，在碰撞中均產(chǎn)生了明顯變形；前防撞梁及前端吸能盒存在一定的壓潰變形；上短梁完全壓潰；機艙右側(cè)結(jié)構(gòu)變形較小。從車身結(jié)構(gòu)變形來看，前部機艙基本實現(xiàn)了上、中、下3條路徑參與傳力，主要吸能部件均參與了碰撞能量的吸收。下一步需優(yōu)化機艙、乘員艙結(jié)構(gòu)的傳力和吸能。



（a）吸能盒及前縱梁變形                                                                               （b）副車架變形



（c）上短梁變形                                                                                                    （d）A柱及門檻變形
圖3 機艙及乘員艙主要傳力結(jié)構(gòu)變形

2  小偏置碰撞結(jié)構(gòu)優(yōu)化

•  碰撞區(qū)域劃分

結(jié)合小偏置碰撞的特點及車身結(jié)構(gòu)特征，將車身結(jié)構(gòu)劃分為4個碰撞區(qū)域，分別對應(yīng)3個縱向碰撞載荷F1、F2、F3和1個橫向碰撞載荷F4，如圖4所示。法蘭盤前部為碰撞區(qū)域1，主要包含防撞梁、吸能盒；法蘭盤后部的縱梁區(qū)域為碰撞區(qū)域2，主要包含縱梁、上短梁、輪罩等結(jié)構(gòu)；縱梁后的部分為碰撞區(qū)域3，主要包含前圍橫梁、A柱、乘員艙；整個機艙結(jié)構(gòu)的橫向載荷定義為碰撞載荷F4。

以等效軸向力為參考量，以測量點侵入量臨界值作為目標值進行對比分析。在碰撞過程中，設(shè)某一部件吸能量Ei與總吸能量Eint的比值為αi，則該部件所傳遞的力也為機艙傳力F 的αi倍，由此可得X 方向上各部件等效軸向力公式為：



式中，E 為整車初始動能；m 為整車質(zhì)量；v0為初始速度；vx、vy分別為碰撞后整車X 向、Y 向殘余速度。


圖4 碰撞區(qū)域劃分

•  結(jié)構(gòu)優(yōu)化及正交試驗設(shè)計

結(jié)合前期研究的成果，設(shè)計了以上短梁環(huán)形吸能結(jié)構(gòu)（Energy-Absorbing-Ring）為代表的碰撞傳力結(jié)構(gòu)，如圖5所示。其主要特征是最大限度地實現(xiàn)了碰撞力的分散傳遞，具有良好的結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性，且縱向、橫向剛度變化空間大，便于實現(xiàn)各碰撞區(qū)域的傳力調(diào)整。



為研究不同碰撞區(qū)域內(nèi)的傳力吸能水平對車體侵入量的影響，采用以上碰撞傳力結(jié)構(gòu)，針對4個碰撞區(qū)域各設(shè)計了3種結(jié)構(gòu)方案，以表征3種傳力水平，如表1所示。

設(shè)計正交試驗表L9（34），如表2所示。

•  響應(yīng)面模型

為研究車身優(yōu)化方案對小偏置碰撞車體結(jié)構(gòu)變形的改善效果，選取上、下鉸鏈柱侵入量C 1、C 2及門檻變形量C 3作為優(yōu)化目標。利用式（1）~式（2）計算出案例模型在各碰撞區(qū)域的等效軸向力，結(jié)果如表3所示。







為確定4 個碰撞區(qū)域的最佳等效軸向力分配，根據(jù)上述優(yōu)化方案，以4個碰撞區(qū)域等效軸向力為輸入（Xi=Fi），上、下鉸鏈柱及門檻測量點的變形為輸出，建立高精度的二階響應(yīng)面近似模型，擬合的近似函數(shù)表達式分別為：




•  模型求解及分析

對近似模型進行多目標優(yōu)化求解。結(jié)合法規(guī)，考慮仿真與試驗在變形上的差異，控制C1≤40 mm、C2≤100 mm、C3≤30 mm，目標在可行域范圍內(nèi)越接近上限值，則該優(yōu)化方案設(shè)計余量越少，認為其優(yōu)化效率越高。利用NSGA-II多目標遺傳算法進行求解，得到連續(xù)的多目標優(yōu)化Pareto解，結(jié)合優(yōu)化結(jié)果，選取其中最接近最優(yōu)解的為案例3。同時可以觀察到，案例5與目標值也較為接近，若適當增大機艙Y 向剛度，也可達成優(yōu)化目標。

優(yōu)化后車體結(jié)構(gòu)的變形結(jié)果如圖6所示。從仿真結(jié)果看，優(yōu)化后的前縱梁、副車架縱梁均充分變形吸能，鉸鏈柱前部潰縮吸能，鉸鏈柱后部保持穩(wěn)定，保證了較小的鉸鏈柱侵入量及門檻變形量，且乘員艙整體完整性較好。


圖6 優(yōu)化后車體結(jié)構(gòu)變形情況

優(yōu)化前、后各測點位置的靜態(tài)變形情況如圖7 所示，其中結(jié)構(gòu)優(yōu)化后測點侵入量減少最明顯的是上、下A柱鉸鏈、門檻和儀表板測點。通過對不同碰撞區(qū)域的傳力吸能匹配進行分析，可以認為車體結(jié)構(gòu)成功優(yōu)化至“優(yōu)秀”的評價等級。



•  正面碰撞工況驗證

方案3對應(yīng)50 km/h正面剛性壁障碰撞工況的仿真加速度如圖8所示。由于方案3不涉及對前防撞梁、吸能盒和前縱梁的修改，故其加速度波形與基礎(chǔ)方案走勢基本一致。優(yōu)化方案主要針對上短梁、縱梁根部、地板結(jié)構(gòu)進行了加強，提升了碰撞早期上短梁的傳力水平，使正面碰撞的一階加速度增大、二階加速度減小，對應(yīng)的乘員載荷準則（Occupant Load Criterion，OLC）值由30.2g 降至29.6g，由此可見，方案3的結(jié)構(gòu)優(yōu)化對正面碰撞性能改善有利，滿足目標要求。



•  小偏置碰撞結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計方法的平臺化拓展

根據(jù)平臺化車身結(jié)構(gòu)開發(fā)特征，前縱梁、地板縱梁、門檻等大型下車體結(jié)構(gòu)件通常設(shè)計為平臺件，上短梁、A柱、上車體等部分一般設(shè)計為非平臺件，以最大程度實現(xiàn)不同車型（SUV、轎車、MPV）的車身部件共用，提升平臺化水平，同時又能通過非平臺件的設(shè)計兼顧不同車型的性能。

考慮與上述SUV同平臺的MPV車型，其整車質(zhì)量與SUV相當，為1.8 t，其車體棱線更突出，上車體及上短梁彎曲弧度較SUV大，且下A柱X 向尺寸較SUV小，即碰撞區(qū)域3的壓潰吸能減小。因此要求碰撞區(qū)域2、區(qū)域4產(chǎn)生更大的傳力、吸能量。由于該MPV與SUV的整備質(zhì)量相近，初始條件相當，故本文僅針對結(jié)構(gòu)進行局部優(yōu)化，使其滿足目標，最后提取優(yōu)化后MPV車型各碰撞區(qū)域的等效傳力與結(jié)構(gòu)變形結(jié)果，以驗證3.3節(jié)中的響應(yīng)面模型。優(yōu)化后的整車變形、主要傳力吸能結(jié)構(gòu)變形如圖9、圖10所示。


圖9 優(yōu)化后MPV整車結(jié)構(gòu)變形



圖10 MPV主要傳力吸能結(jié)構(gòu)變形

根據(jù)優(yōu)化結(jié)果，獲得對應(yīng)4個碰撞區(qū)域的等效力分別為F1=91.4 kN、F2=231.7 kN、F3=276.9 kN、F4=77.2 kN。利用等效力對響應(yīng)面模型進行理論求解，理論值與仿真結(jié)果對比如表4所示。



利用響應(yīng)面模型獲得的理論值與仿真結(jié)果的誤差均小于11%，屬于可接受范圍。綜合以上分析，該響應(yīng)面模型基本滿足要求。

•  優(yōu)化設(shè)計方法及流程

通過前文設(shè)計的上短梁環(huán)形吸能結(jié)構(gòu)、多叉形縱梁根部結(jié)構(gòu)、地板環(huán)形結(jié)構(gòu)、門檻棱邊加強及多腔體結(jié)構(gòu)為代表的碰撞傳力結(jié)構(gòu)，利用其剛度調(diào)節(jié)空間大的特征，可實現(xiàn)一定范圍內(nèi)不同質(zhì)量車型小偏置碰撞結(jié)構(gòu)開發(fā)。結(jié)合本文對某平臺SUV、MPV車型的優(yōu)化過程，總結(jié)得出一種以控制不同碰撞區(qū)域傳力吸能為實質(zhì)的平臺化小偏置碰撞結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計流程，如圖11所示。



3  結(jié)束語

本文通過對某SUV車型的碰撞區(qū)域進行劃分，設(shè)計了以環(huán)形吸能結(jié)構(gòu)為代表的傳力吸能結(jié)構(gòu)，以匹配不同碰撞區(qū)域的傳力吸能，設(shè)計正交試驗，并建立了二階響應(yīng)面模型，得到了不同碰撞區(qū)域的傳力分布及吸能匹配優(yōu)化方案，并進行了正面碰撞工況分析驗證。結(jié)合平臺化開發(fā)特征，針對上述SUV同平臺的MPV車型進行了結(jié)構(gòu)改善，獲得了滿足目標要求仿真結(jié)果，利用響應(yīng)面模型獲得的車體變形理論值與仿真結(jié)果誤差為11%，驗證了響應(yīng)面模型的準確性。最后，總結(jié)形成了一種以控制不同碰撞區(qū)域傳力吸能為實質(zhì)的平臺化小偏置碰撞結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計方法及流程。