基于零部件試驗的保險杠系統輕量化研究＊

李鳳宸 朱西產 董學勤 沈劍平 繆文泉

（1.同濟大學汽車安全技術研究所;2.上海機動車檢測中心）

基于零部件試驗的保險杠系統輕量化研究＊

李鳳宸1朱西產1董學勤1沈劍平2繆文泉2

（1.同濟大學汽車安全技術研究所;2.上海機動車檢測中心）

從變形模式、能量吸收和截面力傳遞等方面將零部件碰撞結果同整車碰撞結果建立關聯，從而建立了保險杠-吸能盒零部件碰撞仿真模型并進行了試驗，由此提出了一種通過零部件試驗評價保險杠-吸能盒在整車碰撞中的性能特性的方法。運用該零部件碰撞模型進行了保險杠-吸能盒輕量化設計。優化結果表明，在減輕質量的同時保證了優化前、后整車碰撞特性基本一致，節省了大量計算時間。

1 前言

車身結構件的輕量化對于節約能源、減少廢氣排放十分重要。實現汽車保險杠系統（包括保險杠橫梁、吸能盒等部件）輕量化的途徑主要有優化部件結構使其薄壁化及采用低密度高強度的輕型材料[1]等，但需要注意的是，更改保險杠橫梁、吸能盒的結構和材料勢必會對車輛整體的耐撞性產生較大影響，因此，為保證車輛的安全性，在對保險杠系統進行輕量化時需要檢驗整車的碰撞性能。目前，在低速碰撞和行人保護方面，GB17354—1998《汽車前、后端保護裝置》和GB/T24550—2009《汽車對行人的碰撞保護》等法規規定了針對保險杠系統的試驗評估方案，根據這些法規建立的零部件碰撞模型已被應用于保險杠輕量化中，可保證優化后整車低速碰撞安全性[2]。但在高速碰撞方面還沒有針對保險杠系統通用的零部件試驗方案，對車輛整體碰撞性能的評價都是通過整車碰撞獲得，由于目前計算機仿真中每次整車碰撞所需計算時間較長，直接應用整車碰撞模型進行保險杠系統仿真優化在現階段還難以實現，因此，有必要設計零部件碰撞方案，以便在輕量化仿真中代替整車碰撞[3]。為此，根據某車輛50 km/h全正面碰撞仿真結果，設計了可用于對保險杠系統在整車碰撞中的吸能、傳力情況進行評價的零部件試驗方案，并應用所設計零部件碰撞模型，在保證整車高速碰撞安全性的前提下，對保險杠系統進行了輕量化設計。

2 整車正面碰撞中保險杠系統性能分析

根據2012年版C-NCAP管理規則，利用HyperMesh軟件建立了某車型50 km/h正面100%重疊剛性壁障碰撞有限元模型，并根據此車型的試驗數據對該模型進行校正。通過驗證，整車模型的仿真分析結果與試驗結果的誤差在允許范圍內，該有限元模型具有較高的可信度。

在整車全正面碰撞工況下，保險杠橫梁、吸能盒發生塑性變形以吸收碰撞能量，同時將碰撞力傳遞給前縱梁等部件。保險杠系統變形過程如圖1所示。

根據仿真結果，碰撞過程結束后，保險杠系統吸收的總變形能為29.46 kJ，系統中各零部件吸收的能量如表1所列。

表1 整車碰撞工況下保險杠系統吸收能量

在整車碰撞有限元模型中，通過定義Database_Cross_Section截面可得到保險杠橫梁最先彎折處（截面1）、吸能盒（截面2）及前縱梁前端（截面3）的截面力，截面位置及截面力曲線如圖2所示。圖2中，通過截面3的截面力曲線出現3個主要波峰，其中，第3峰值為該處截面力最大值，而第1峰值與截面1的截面力峰值相吻合，第2峰值與截面2的截面力峰值相吻合。分析碰撞過程可知，碰撞發生后碰撞體的截面力會逐漸上升，至某處截面發生塑性變形后通過該截面的截面力開始減小，截面力曲線出現波峰并向后傳遞。截面1和截面2的截面力波峰向后傳遞使截面3的截面力曲線出現了第1峰值和第2峰值，而前縱梁前端開始變形導致出現第3峰值，因此，通過截面3的3個峰值可分別對保險杠橫梁、吸能盒以及前縱梁前端發生壓潰時的截面力峰值進行評價。而在零部件碰撞試驗中，當提取出類似位置的截面力曲線，且當該曲線與截面3的截面力曲線具有一致性時，便可通過該零部件試驗獲得整車碰撞中通過保險杠橫梁、吸能盒及吸能盒后方部件的截面力信息。

3 保險杠系統零部件試驗研究

3.1 建立仿真模型

進行保險杠系統零部件碰撞試驗時，采用剛性移動壁障撞擊保險杠橫梁，保險杠系統通過吸能盒后方墊片上的螺栓孔與固定塊連接，如圖3所示。

根據保險杠系統在整車碰撞中吸收的能量，初步確定剛性移動壁障的初始動能為29.46 kJ，剛性移動壁障的速度與整車碰撞中車速相同，為50 km/h。

由于所用試驗設備速度達不到50 km/h，在保證初始能量一致的情況下，考慮適當增加移動壁障質量，以降低移動壁障速度。通過仿真發現，若將移動壁障初始速度從50 km/h（13.89 m/s）降為12 m/s，并調整壁障配重保證初始動能與速度降低前一致，則保險杠碰撞結果與速度和配重調整前的碰撞結果基本一致，因此將移動壁障初始速度設為12 m/s。碰撞結束后移動壁障初始動能沒有全部轉變成保險杠系統的變形能，部分能量轉變為系統摩擦能及移動壁障回彈動能。通過多次仿真對初始動能進行校正，確定初始能量為30.77 kJ，移動壁障質量為427 kg。

需要注意的是，在零部件碰撞仿真中，吸能盒前方U型墊片會與吸能盒后方的固定塊發生干涉，而在整車碰撞中由于吸能盒后方是前縱梁，U型墊片沒有發生壓潰，U型墊片與固定塊的干涉將導致零部件試驗截面力曲線產生偏差。考慮到U型墊片在整車碰撞過程中變形較小，對碰撞結果影響不大，因此在進行零部件試驗時將干涉部分去除，如圖3中虛線部分。

3.2 仿真結果分析

建立零部件碰撞試驗的目的是將整車的碰撞性能要求分配到各子部件中，因此零部件試驗結果應能夠與整車碰撞中該部件的性能特性建立關聯性。對于保險杠系統零部件碰撞試驗，主要要求零部件試驗結果能夠在變形模式、能量吸收和截面力傳遞3個方面與整車碰撞建立聯系。

3.2.1 變形模式對比

圖4為在零部件碰撞工況和整車碰撞工況下保險杠系統的變形過程比較。由圖4可看出，保險杠橫梁先發生彎折，然后吸能盒發生軸向壓潰，2種工況下的變形模式基本相同。

3.2.2 吸收能量對比

在零部件碰撞試驗中，剛性移動壁障的初始動能最終轉化為保險杠系統的變形能、固定塊的殘余變形能、移動壁障的回彈動能以及系統摩擦能等。經過分析可知，移動壁障的回彈動能和系統摩擦能分別為0.46 kJ和0.65 kJ，相對移動壁障初始能量來說很小，而且在初始速度一定時，移動壁障回彈動能及系統摩擦能變化不大，因此對保險杠系統的變形能影響較大的主要是固定塊的殘余變形能。為此，在仿真中改變系統的初始能量，測量不同碰撞能量下固定塊截面力峰值和殘余變形能大小，圖5為固定塊截面力峰值與殘余變形能關系曲線。從圖5可看出，當固定塊截面力峰值小于6×106N時，固定塊殘余變形能很小，固定塊以彈性變形為主；隨初始能量增加，當固定塊截面力峰值超過6×106N后，固定塊殘余變形能上升較快。通過仿真發現，初始動能在30 kJ范圍內時，左右兩側固定塊截面力峰值不超過2.5×105N，遠小于6×106N，因此可認為零部件碰撞中初始能量為30.77 kJ時，固定塊不發生塑性變形。

在零部件工況和整車工況下，保險杠系統各部件吸收能量對比結果如表2所列。由表2可知，各關鍵零部件誤差不超過10%，保險杠系統在零部件碰撞工況下吸能效果與整車碰撞一致。

表2 保險杠系統不同工況下吸收能量對比

3.2.3 截面力傳遞對比

在零部件碰撞仿真中，提取保險杠橫梁、吸能盒及固定塊的截面力曲線，與整車碰撞仿真中前縱梁前端的截面力曲線進行對比，如圖6所示。由圖6可看出，固定塊截面力曲線與前縱梁前端曲線形狀一致且3個峰值較吻合，因此，通過固定塊截面力曲線可獲得整車碰撞中通過保險杠橫梁、吸能盒及吸能盒后方部件的截面力信息。

在實際試驗中，保險杠橫梁最先彎折處及吸能盒的截面力峰值難以測得，但在固定塊后方布置力傳感器可測得通過固定塊的截面力曲線，因此，通過該零部件試驗對整車碰撞中截面力傳遞進行評價是可行的。

對于確定的整車系統，當改變保險杠系統參數時，整車碰撞性能的變化會通過零部件碰撞試驗反映在固定塊截面力曲線的3個峰值上，通過與原模型截面力峰值進行比較，可以對改進方案進行評價。

3.3 試驗數據對比

利用跌落塔裝置進行保險杠系統零部件碰撞試驗，試驗裝置如圖7所示。實際試驗中，落錘質量為422 kg，落錘速度為11.95 m/s，初始動能為30.13 kJ，與仿真模型的偏差在可接受范圍內。

試驗中，通過固定塊上布置的力傳感器獲得通過固定塊的截面力曲線，與仿真中的截面力曲線對比如圖8所示。由圖8可看出，固定塊截面力波形整體上與仿真結果相似。試驗中并沒有測得第1峰值，這可能是由于所用傳感器精度不足造成的。

4 應用零部件碰撞模型的保險杠系統輕量化研究

4.1 建立輕量化模型

優化前，保險杠系統總質量為8.1 kg，保險杠橫梁和吸能盒所用材料的屈服極限分別為420 MPa和400 MPa。在進行輕量化設計時，采用超高強度鋼（屈服極限為800 MPa）替換原材料。選取保險杠橫梁厚度tb和吸能盒厚度tc作為設計變量，通過改變tb和tc的大小，在保證整車碰撞安全性的前提下，使保險杠系統總質量M盡可能減輕。

根據所建立的零部件試驗模型，為保證優化前、后整車碰撞安全性一致，需滿足以下約束條件：在相同零部件試驗加載條件下，優化前、后固定塊截面力峰值相同。由于固定塊截面力曲線第1峰值相對于第2峰值和第3峰值較小，因此在設定約束條件時，主要考慮截面力曲線的第2峰值和第3峰值與優化前的偏差盡可能小。

將左、右兩側固定塊截面力第2峰值、第3峰值分別記為T2左、T2右、T3左、T3右，優化前、后截面力曲線的第2峰值、第3峰值的總偏差記為Δ，則Δ=比例因子根據經驗，δ一般不應超過8%。優化前零部件碰撞模型固定塊截面力峰值如表3所列。

表3 優化前零部件碰撞模型固定塊截面力峰值N

車輛碰撞是復雜的非線性問題，在此采用自適應響應面法（Adaptive Response Surface Methodology）進行求解[4]。

該保險杠輕量化問題的數學模型為：

輸出響應：M，Δ

約束條件：Δ＜（T2左+T2右+T3左+T3右）·δ

優化目標：Min（M）

根據仿真經驗，將約束條件中的比例因子δ設定為6%。根據優化前保險杠模型數據，設定初始值分別為tb=2 mm、tc=1.8 mm。

4.2 優化結果及驗證

利用HyperStudy軟件建立優化模型，經過25次迭代后結果收斂，優化結果如表4所列。

表4 優化結果

根據優化結果，考慮到制造工藝水平，取tb= 1.9 mm、tc=1.4 mm作為該保險杠系統輕量化設計的最終結果，此時M=7.3 kg。零部件碰撞工況下，優化前、后固定塊截面力曲線如圖9所示。

將優化后的保險杠系統模型安裝到優化前整車模型中進行整車碰撞驗證，優化前、后前縱梁前端截面力曲線如圖10所示，優化前、后整車碰撞工況下保險杠系統吸收能量對比如表5所列，優化前、后整車碰撞下B柱下端加速度曲線如圖11所示。

表5 優化前、后整車碰撞工況下保險杠系統吸收能量對比

由優化結果可知，采用了高強度鋼的保險杠系統質量從8.1 kg降為7.3 kg，減輕了9.6%。根據圖10、圖11和表5可知，與優化前模型相比，優化后前縱梁前端截面力峰值略有降低，保險杠系統吸收的能量略有增加，而B柱下端加速度曲線基本一致，整車的碰撞安全性沒有降低，而且計算時間大大減少。因此，利用零部件碰撞試驗進行保險杠系統輕量化設計的方法是可行的。

5 結束語

建立了保險杠系統零部件碰撞模型，在變形模式、能量吸收和截面力傳遞等方面將零部件試驗結果同整車碰撞結果之間建立了關聯性，提出了一種通過零部件試驗評價保險杠系統在整車碰撞中的性能特性的方法。應用該零部件碰撞模型進行了保險杠系統輕量化設計，并對優化后的系統進行了整車碰撞仿真，證明了該方法可在保證整車高速碰撞安全性能的前提下，實現保險杠系統的輕量化，并能節省大量的計算時間。

1劉海江,張夏,肖麗芳.基于LS-DYNA的7075鋁合金汽車保險杠碰撞仿真分析.機械設計,2011,28（2）:18～22.

2曹立波,陳杰.基于碰撞安全性的保險杠橫梁輕量化設計與優化.中國機械工程,2012,23（23）:2888～2893.

3劉維海,程秀生,朱學武,等.基于平均壓潰力的轎車前端結構優化方法.汽車技術,2011（7）:19～23.

（責任編輯文楫）

修改稿收到日期為2013年8月16日。

Lightweight Research of Bumper and Crash Box Based on Components Test

Li Fengchen1,Zhu Xichan1,Dong Xueqin1,Shen Jianping2,Miu Wenquan2
（1.AutomotiveSafetyTechnologyInstituteofAutomotiveCollege,TongjiUniversity;2.ShanghaiMotorVehicleInspection Center）

The correlation between vehicle crash test and component crash test is established in aspects of deformation mode,energy absorption and force transmission.Then a bumper-cash box crash simulation model is built and tested,hence a method to evaluate the performance characteristic of bumper-crash box during vehicle crash with components test is proposed.This component crash model is adopted in lightweight design of bumper-crash box.The optimization shows that the weight of bumper and crash box is reduced without risk of compromising crashworthiness performance,and a lot of time is saved for calculation.

Bumper-crash box,Components test,Lightweight

保險杠-吸能盒零部件試驗輕量化

U463.83

：A

：1000-3703（2014）03-0005-05

國家863計劃項目（2012AA111302）。