乘用車正面碰撞性能優(yōu)化仿真研究

摘要:本文以某車型為例，利用Pam-Crash這一專業(yè)碰撞分析軟件進行了正面碰撞仿真優(yōu)化研究，提出了正面碰撞的評價指標，分別從縱梁能量吸收、B柱加速度、防火墻侵入量等方面著手，研究優(yōu)化方案，仿真結(jié)果表明，改進方案有效提升了正面碰撞性能。

關(guān)鍵詞：正面碰撞；結(jié)構(gòu)優(yōu)化；仿真

中圖分類號：U462.2 文獻標志碼：A 文章編號：1005-2550（2011）03-0024-03

Research on Frontal Crash Simulation and Structure Optimization of Passenger Car

WANG Qing-cai，LI Hua-xiang，SHI Jian-peng

（Dongfeng Motor Corporation Technical Center，Wuhan430058，China）

Abstract:The study of frontal crash simulation optimization with Pam-Crash software is carriedout for a vehvcle.The assessment index was proposed.Some improved plans are compared in view of energy absorbed、the acceleration time history curve of B pillar and intrusion of firewall.The simulation results showed that the improving plan enhanced the frontal crash performance of the whole vehicle.

Key words: frontal crash；structure optimization；simulation

汽車的被動安全性能已經(jīng)成為整車性能最重要的性能指標之一，并且隨著國家碰撞安全法規(guī)對碰撞性能要求的不斷提高，各汽車廠家都在致力于提高汽車的被動安全性能。很明顯采用計算機仿真比起多次的重復試驗有極大的優(yōu)勢，既可節(jié)省研發(fā)成本又能縮短產(chǎn)品開發(fā)周期。本文以某乘用車為例，在Pam-Crash環(huán)境下進行了完全正面碰撞仿真優(yōu)化研究。

1 仿真模型的建立

根據(jù)整車提供的車身、開啟件、懸架、動力總成等部件的CAD模型采用Hypermesh軟件進行網(wǎng)格劃分，網(wǎng)格單元大小為10 mm。焊點連接采用Rigid單元模擬。整車模型的建立在Pam-Crash軟件環(huán)境下進行，包括加載、約束、接觸設(shè)置、配重等。整車模型包括75萬個單元，80萬個節(jié)點。碰撞壁為完全固定的剛性墻，碰撞速度為50 km/h。

2 正面碰撞性能主要評價方法

2.1 乘員主要傷害形式

汽車在高速正面碰撞中，乘員所受的主要傷害形式包括：（1）車體承受較大的慣性沖擊導致人體所受的加速度過大；（2）作用于乘員的碰撞力超過一定限值；（3）車體碰撞發(fā)生變形后，沒有給乘員留下足夠的生存空間。因此，在汽車的結(jié)構(gòu)設(shè)計中可以重點從以上幾個方面進行碰撞性能的改進設(shè)計，其中，對乘員生存空間的侵入主要有以下兩個方面的原因：一是碰撞中發(fā)動機機體后移，造成防火墻中上部的侵入量過大；二是發(fā)動機或變速箱撞擊副車架和轉(zhuǎn)向機造成防火墻下部及前地板的彎曲變形從而導致對乘員生存空間的侵入。

2.2 主要評價指標

通過對乘員的主要傷害形式的分析可以看出，對乘用車正面碰撞性能的評價指標應(yīng)該主要反映在人體所受加速度和車體結(jié)構(gòu)變形的大小；通常情況下，正面碰撞將汽車前端結(jié)構(gòu)尤其是前縱梁的能量吸收比例、B柱加速度及防火墻侵入量等作為汽車正面碰撞的主要評價指標。

在汽車的碰撞過程中，車輛碰撞的動能逐步轉(zhuǎn)化為車輛的結(jié)構(gòu)變形能，汽車前端結(jié)構(gòu)的能量吸收能力是緩和碰撞沖擊力的主要因素，其中，保險杠、吸能盒、前縱梁起主要吸能作用，通常占整車總吸收能量的50%左右。在能量吸收的過程中，車身部件應(yīng)該有合理的壓潰順序，首先是前保險杠產(chǎn)生塑性變形吸收部分動能，隨著碰撞過程的繼續(xù)，吸能盒以及前縱梁相繼壓潰吸能，而車身中部結(jié)構(gòu)不應(yīng)產(chǎn)生大的變形，保證防火墻變形量盡量減小。這一過程中，B柱加速度峰值應(yīng)該控制在一定的范圍內(nèi)，而且加速度時間曲線第一峰值和第二峰值間差距越小越好。

3 結(jié)構(gòu)改進和優(yōu)化

以某轎車為例進行前部碰撞仿真優(yōu)化分析，初始設(shè)計方案正面碰撞后前縱梁發(fā)生橫向彎曲失穩(wěn)，不利于縱梁能量吸收。B柱加速度曲線峰值偏大，需要進行改進優(yōu)化，以下分別對三種優(yōu)化方案進行結(jié)果對比。

3.1 優(yōu)化方案一

在原方案的基礎(chǔ)上縱梁內(nèi)部增加加強板，加強板采用特殊截面盡量提升橫向剛度，解決前縱梁橫向失穩(wěn)問題。對比分析表明，改進后的前端結(jié)構(gòu)吸能比例比改進前提高了約4%，前縱梁吸能比例提高了約6%。B柱加速度峰值降低了約18%，防火墻侵入量與原方案相比略有增大。B柱加速度對比如圖1所示。

3.2 優(yōu)化方案二

在原方案的基礎(chǔ)上改進發(fā)動機懸置及排氣系統(tǒng)，由于原發(fā)動機左右懸置安裝點體積較大，占據(jù)前縱梁壓縮空間，影響其吸能效果。此外排氣系統(tǒng)中三元催化裝置距離防火墻太近，因此也需要做出相應(yīng)優(yōu)化改進。

仿真結(jié)果顯示優(yōu)化方案二在碰撞中縱梁壓潰吸能效果有了明顯改善，方案二比原方案前端結(jié)構(gòu)吸能提高5.8%，前縱梁吸能比原方案提高11.3%。同時動力總成系統(tǒng)由于后懸置壓潰折彎使發(fā)動機系統(tǒng)在碰撞中能夠向下移動，從而減輕了對防火墻的侵入。

防火墻侵入量對比如圖2所示，從變形云圖可以看出，改進后地板中通道及前地板變形明顯減小。防火墻的侵入量比改進前減小了約13%，這對于乘員生存空間的改善至關(guān)重要，同時能夠減小碰撞中對乘員腿部的碰撞力。

優(yōu)化方案二B柱加速度曲線如圖3所示，走勢與原方案差別不大，峰值比原方案增加約5%。

3.3 優(yōu)化方案三

將方案一和方案二進行組合，仿真結(jié)果表明組合優(yōu)化方案集合了方案一和方案二的優(yōu)點，前端結(jié)構(gòu)能量吸收提高了11%，縱梁單獨吸能比原方案提高了17%。同時B柱加速度峰值比原方案有了明顯降低，同時防火墻侵入量也有顯著的減小。圖4為原方案與方案三B柱加速度曲線對比，峰值降低了16%，圖5為原方案與優(yōu)化方案三防火墻侵入量對比，減小了約11%。

4 結(jié)束語

通過Pam-Crash 軟件對某乘用車的正面碰撞性能進行了仿真研究，根據(jù)乘員的主要傷害形式提出了碰撞性能的主要評價指標及改善方向。分別對三種優(yōu)化方案進行了對比，結(jié)果表明提升前縱梁強度能夠有效降低B柱加速度第二峰值，合理設(shè)置發(fā)動機懸置及排氣系統(tǒng)能夠明顯減小防火墻侵入量。最終優(yōu)化方案全面提升了整車正面碰撞性能。

參考文獻：

［1］ 王玨，韓忠浩.轎車正面碰撞仿真與結(jié)構(gòu)改進［Ｊ］.太原科技，2009，（5）.

［2］ 賈宏波.汽車車身結(jié)構(gòu)碰撞性能的計算機模擬、評價與改進［J］.吉林工業(yè)大學學報，1998，（2）.

［3］ 王超，韓忠浩.完全正面碰撞時轎車的安全仿真分析［J］.遼寧工學院學報，2006，（8）.