基于汽車正面碰撞的吸能盒設計及優(yōu)化

雷 剛，譚皓文，樊 偉，李 燦，楊述松，江晶晶

(重慶理工大學 a.汽車零部件及檢測技術(shù)教育部重點實驗室;b.重慶汽車學院，重慶 400054)

耐撞性設計一直是汽車設計的重點，直接關(guān)系到乘員在碰撞事故發(fā)生后的受傷程度及生存概率。汽車吸能盒是汽車縱梁前端的主要吸能部件，在碰撞發(fā)生時，吸能盒的吸能能力很大程度上影響汽車耐撞性的好壞。

利用子模型技術(shù)的汽車優(yōu)化方法已經(jīng)被有關(guān)文獻證實是可靠、高效的。吸能盒的縱向壓潰是一個非常復雜的高度非線性過程。通過顯式動態(tài)有限元法建立汽車正面碰撞的子模型，能很好地還原出更接近真實情況的碰撞過程。吸能盒吸收能量與縱梁最大碰撞力以及吸能盒的結(jié)構(gòu)之間的關(guān)系是相互制約的，利用現(xiàn)在較為成熟的自適應面優(yōu)化方法，基于正面碰撞子模型，能高效地優(yōu)化出最優(yōu)的吸能盒結(jié)構(gòu)。

1 正面碰撞子模型的建立

1.1 子模型部件的確定

要建立一個能在最大程度上能替代正面碰撞的子模型，首先要確定子模型所包含的部件［1］。由對整車正面碰撞的仿真變形結(jié)果的觀察可知，在正面碰撞中起主要吸能作用的部件包括前防撞梁、吸能盒、縱梁外板、縱梁內(nèi)板等結(jié)構(gòu)。

為驗證這些部件是主要吸能部件，對比了吸能部件與整車部件的內(nèi)能增量(見圖1)。通過之前的正碰仿真結(jié)果得知，碰撞后32 ms時為縱梁變形結(jié)束時刻。從圖1中可以看到，在0～32 ms這段時間內(nèi)，這些吸能部件變形所增加的內(nèi)能占據(jù)了整車部件變形所增加內(nèi)能的絕大部分，在32 ms時，這個比值為4.881/7.135=68.4%，由此可以充分說明以上所選的部件為主要吸能部件，可以作為子模型的部件。由于汽車左右縱梁結(jié)構(gòu)基本相同，碰撞變形一致，為使研究方便，計算效率更高，故選取左側(cè)縱梁建立子模型，如圖2所示。

1.2 子模型邊界條件的施加

子模型邊界條件施加的基本步驟是將整個模型計算后，將作用于子模型部件上的邊界條件提取出來，然后施加到子模型中。本文中邊界條件為在整車碰撞結(jié)果文件中提取縱梁后端節(jié)點位移信息，將其加載到左右縱梁后端，并給予子模型50 km/h的初速度。2種情況都在前縱梁與車身部件有鏈接關(guān)系的部件上施加適當?shù)倪吔鐥l件。

圖1 吸能部件與整車部件內(nèi)能增量

圖2 左側(cè)縱梁正面碰撞子模型

2 子模型的驗證

建立好子模型后要對其進行驗證。縱梁內(nèi)外板內(nèi)能變化對比如圖3所示，吸能盒內(nèi)能變化對比如圖4所示。圖3和圖4證明該模型可替代整車碰撞模型。

圖3 縱梁內(nèi)外板內(nèi)能變化對比

圖4 吸能盒內(nèi)能變化對比

3 吸能盒截面形狀的選擇

前人的研究表明，截面幾何形狀對薄壁件的吸能會有一定的影響。本文選擇一系列不同截面(方形、六邊形和圓形)的薄壁結(jié)構(gòu)作為研究對象(如圖5所示)，在它們的厚度、質(zhì)量以及長度都相同的情況下，比較它們在正面壓潰簡易模型(如圖6所示)中的吸能情況，確定吸能盒的截面形狀。

圖5 吸能盒不同截面形狀

圖6 吸能盒簡易碰撞模型

簡易碰撞模型的仿真結(jié)果如圖7、圖8所示。

圖7 不同截面形狀吸收內(nèi)能變化對比

圖8 不同截面形狀碰撞力變化對比

由圖7、8可以看出，從能量吸收效果來看，圓形截面最好，六邊形截面和方形截面依次次之。從剛性墻的反力來看，圓形截面梁最大，六邊形和方形依次次之。可以得出結(jié)論:在縱向勻速壓潰中，對于對稱截面形狀的薄壁梁結(jié)構(gòu)，在質(zhì)量、長度以及厚度均相同的情況下，對稱面越多，吸能效果越好，所需的壓潰反力越大。縱梁的壓潰力與吸能是碰撞中一對矛盾的參數(shù)，壓潰力越大，加速度峰值也就隨之增加。

從圓形截面吸能盒剛性墻反力的變化來看，反力峰值出現(xiàn)在吸能盒與剛性墻接觸時刻，這個峰值可以通過弱化吸能盒來消除。弱化吸能盒的一個較好的方式是給吸能盒增加合理的變形誘導槽。消除了壓潰力這個因素之后，圓形截面成為了本文設計吸能盒的最佳選擇。

4 吸能盒結(jié)構(gòu)設計及優(yōu)化

在確定了吸能盒結(jié)構(gòu)的截面形狀之后，考慮到圓形截面碰撞力會比較大，在此基礎上增加誘導變形機構(gòu)，削弱吸能盒的碰撞力。其次，碰撞吸能的平穩(wěn)性也是影響碰撞力的一個重要因素。波紋管碰撞力的時間歷程曲線比較平穩(wěn)［2］，因此，將波紋管作為吸能盒的最佳選擇。在大波紋管內(nèi)部增加一個直徑和長度均較小、材料強度較大、波紋管弱的波紋管，本文設計的吸能盒結(jié)構(gòu)如圖9所示。

圖9 優(yōu)化模型及吸能盒結(jié)構(gòu)

吸能結(jié)構(gòu)優(yōu)化方法選擇基于優(yōu)化軟件Hyperstudy的自適應響應面法。自適應響應面法是將響應面模型和試驗設計相結(jié)合的一種試驗方法，它建立的響應面模型比之傳統(tǒng)的響應面方法更精確、誤差更小［3-4］。

在建立好的子模型中，用圓形截面的吸能盒將原吸能盒替換，得到優(yōu)化模型。在此吸能結(jié)構(gòu)中，壁厚對整車的耐撞性能有重大的影響。本文以大吸能盒厚度、小吸能盒厚度作為設計變量。

綜合整車左右縱梁碰撞過程中的碰撞力，將約束條件設為縱梁碰撞最大力小于194 kN(整車碰撞中縱梁出現(xiàn)的最大碰撞力)，并且吸能盒所吸收能量要不小于原設計左側(cè)吸能盒所吸收的能量(1.58 kJ)，該優(yōu)化設計問題的數(shù)學表達式為

設計變量:x={d1，d2}

目標函數(shù):max Energy(x)

約束條件:

碰撞力:F(x)≤194 000 N

吸能盒吸收能量:E≥1.58 kJ

設計變量:2≤d1≤3，1.5≤d2≤2.5

迭代過程如圖10所示。

通過11次迭代計算，得到了大管和小管的最優(yōu)厚度，分別為2.15 mm和2.24 mm。

圖10 優(yōu)化設計迭代歷程

5 優(yōu)化結(jié)構(gòu)的驗證

將優(yōu)化得到的吸能盒結(jié)構(gòu)替換原吸能盒結(jié)構(gòu)，計算吸能盒在碰撞過程中的吸收能量及縱梁碰撞力，與原始結(jié)構(gòu)仿真結(jié)果對比如表1所示。

表1 2種結(jié)構(gòu)整車碰撞仿真結(jié)果對比

從表中可以看出，新結(jié)構(gòu)能量吸收提高了14.2%，縱梁最大碰撞力比原設計減小了15.3%。

6 結(jié)束語

通過建立正面碰撞子模型，設計優(yōu)化出了汽車前縱梁吸能盒。仿真結(jié)果對比表明:雙層波紋管結(jié)構(gòu)的吸能盒能很好地吸收碰撞中的能量，提高了整車正面碰撞的耐撞性。由此可見，在汽車耐撞性設計階段，利用子模型設計優(yōu)化汽車吸能部件是一種有效的、針對性較強的設計方法。

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