搭載不同型號發動機的車身結構碰撞優化

韓建偉 李華偉 張福路

（江淮汽車技術中心）

汽車碰撞性能的高低很大程度上取決于發動機艙內的車體縱梁結構設計。很多車型發動機艙內部都會搭載不同型號的發動機，而不同型號發動機的體積質量又有很大區別，因此當更換發動機時有可能會產生無法布置發動機艙的問題，發動機體積會占據發動機艙碰撞前縱梁的有效截面，質量的增加對碰撞性能目標也是一個威脅[1]。文章針對改變發動機搭載后，整車的質量增加并且縱梁截面減小的情況，在不改變發動機艙內各種重要零部件布置和性能的前提下，通過對發動機艙縱梁進行結構優化設計，并進行CAE分析驗證，得到了解決此類問題的最優方法。

1 問題描述

某車型按照前期規劃設計只搭載排量為1.5 L的發動機，碰撞性能已經符合要求，但是后期為了豐富產品線，在數據已經凍結的情況下考慮同時搭載排量為2.0 L的發動機。由于發動機的變化，整車質量由原來的1 580 kg增加到1 630 kg，同時在體積方面，其寬度有明顯超出。為了不影響發動機艙總布置，在車體縱梁截面上進行避讓，截面減小，其他裝置不變化，但是碰撞性能要求能達到原有的水平。縱梁截面變化，如圖1所示。

2 結構方案優化設計及CAE分析

將搭載1.5 L發動機定義為1.5模型，搭載2.0 L發動機定義為2.0模型。文章提到的碰撞主要指偏置碰撞[2]。車身布置2.0 L發動機后，整車質量增加了50 kg，同時縱梁調整為弧形過渡來布置2.0 L發動機。為了能夠確定更換發動機后對入侵量的影響，車體模型分析暫不做任何結構優化，利用LS-DYNA軟件對碰撞結果進行分析，圖2示出偏置碰撞CAE模擬模型。

經過數據分析發現，2.0模型主要不符合要求的是制動踏板處，其入侵量目標值為100 mm，1.5模型與2.0模型的入侵量分別為95.6，116.8 mm，可以看出，2.0模型的入侵量超出目標值16.8 mm，基于此問題，提出4種設計優化方案。

2.1 弱化縱梁前端（方案1）

采用弱化縱梁前端的方法，使發生碰撞時縱梁前端能彎折并有效吸收碰撞能量，從而減少后部踏板處的撞擊強度，減少入侵量。該方案主要包括：1）修改縱梁加強板形狀，將厚度從1.8 mm降到1.2 mm；2）將縱梁外板加強筋抹平。具體方法如圖3所示。

圖4示出方案1碰撞后結果，其中灰色部分是1.5模型碰撞分析結果，黃色為方案1優化后分析結果。從圖4可以看出：1.5模型縱梁第1變形區主要為縱梁加強板末端與懸置之間，會促使縱梁前端向內側彎折，方案1雖然在此處縱梁也出現彎折，但沒有1.5模型的數據嚴重；1.5模型縱梁第2變形區在縱梁加強板前端引導槽處，而方案1在此處的縱梁前端發生向上的彎折，嚴重影響力的傳遞及吸能，導致制動踏板處入侵量增大。

分析數據發現，方案1優化后，2.0模型入侵量減小為110.7 mm，但是還是難以滿足目標值。

2.2 取消加強板（方案2）

方案2仍然考慮縱梁前端彎曲不夠，吸收能量不夠徹底，所以直接取消加強板，加大弱化縱梁前端幅度，使其吸能更多，增大潰縮量，減少制動踏板處入侵。

圖5示出方案2的縱梁潰縮彎曲對比情況，其中灰色是1.5模型數據分析結果，紅色是優化方案2碰撞分析結果。方案2其縱梁前端由于無加強板，發生了較大的塑性變形，但由于缺乏引導槽，因此沒有很好地潰縮變形。并且縱梁前端變形，向內側發生彎折，前端上翹，無法很好地向后端傳力，因此力大部分傳遞到了制動踏板處，導致該處入侵量還是相對較大。經入侵量數據統計分析，方案2的入侵量為106 mm，方案2不能徹底解決碰撞中制動踏板處入侵量過大問題。

通過方案1與方案2的分析，發現增加縱梁前端潰縮變形，減少對縱梁后端的力的傳遞，效果不明顯，不能使車身達到原有碰撞性能目標。

2.3 加強下縱梁強度（方案3）

方案3直接加強制動踏板下面的縱梁強度，減少縱梁后端屈服變形，從而減少側圍入侵量，起到支撐作用，將下縱梁加強板厚度由1.6mm強化為2.0mm，如圖6所示。

圖7示出加強下縱梁強度后縱梁潰縮彎曲對比，其中灰色是1.5模型數據分析結果，藍色是優化方案3碰撞分析結果，方案3縱梁前端向內側彎折更嚴重，且前端向下彎折，向后的力傳導能力差，影響力的傳遞及吸能，但由于其制動踏板處下縱梁強度增強，因此該處入侵量有所改善。經入侵量數據統計分析，方案3的入侵量為111.2 mm，制動踏板處入侵量改善不明顯。

2.4 加強上邊梁（方案4）

碰撞變形較大時，力的傳遞不但可以通過前縱梁傳遞，發動機艙上邊梁也能起到一定防撞作用。方案1、方案2和方案3在縱梁上的優化不能達到碰撞目標，所以考慮加強上邊梁，縱梁暫時不做調整。對上邊梁材料進行加厚處理，具體方案如圖8所示。采用方案4后碰撞分析結果，如圖9所示，其中灰色是1.5模型數據分析結果，綠色是優化方案4碰撞分析結果。從圖9可以看出，前端彎折與1.5模型數據基本重合，后端變形量也很接近。經入侵量數據統計分析，發現方案4可以使碰撞性能大幅提升，入侵值（97.7 mm）基本達到目標，碰撞性能提升明顯。

3 結論

汽車搭載新的發動機后，由于質量和體積增加，會引起車身碰撞性能下降。通常采取加強縱梁后端或者弱化縱梁前端2種方案來增強碰撞效果，但是文章中方案4采取優化上邊梁的新型方案。從分析結果中可以看出，在對原車型不做大改動的前提下，優化發動機上邊梁可以使該車型得到更好的碰撞性能，效果明顯優于直接優化縱梁的方案，為后續設計提供了參考。