基于車身變形量的正面碰撞波形的分析與優化

韓玉環 曾祥義 劉志新 李向榮

摘要：結合樣車在碰撞試驗中的動態表現，對正面碰撞的加速度曲線進行分析，同時提出判斷車身入侵量是否合理的評價指標。通過對車身前端結構強度的調整，達到優化整車碰撞波形的目的，并使侵入量滿足指標要求Ⅲ。后期借助臺車試驗對優化后的波形進行驗證，使假人的各個傷害值滿足正面碰撞法規（GB 11551-2014）的要求，從而證明優化波形的有效性和正確性。

關鍵詞：車身變形；正面碰撞；波形優化；臺車試驗

1引言

近年來國內汽車的保有量逐年上升，交通事故也是呈明顯上升態勢。正面碰撞是發生頻率最高的交通事故，所以研究正面碰撞性能顯得尤為重要。為了促進汽車正面碰撞設計和耐撞性的提升，在總結分析汽車碰撞實驗數據的基礎上，利用LS-DYNA軟件模擬仿真汽車正面碰撞過程，在模型和試驗對標的基礎上，把相應的方案在模型中進行體現同時以侵入量為優化目標，對更新后的模型進行驗算，達到快速有效開發的目的。

本文以某款微車為研究對象，進行碰撞模擬仿真，并對正面碰撞的結果進行了研究分析。在整車平臺的開發中，充分考慮碰撞安全性能，滿足消費者日益增長的需求，已是衡量一個產品是否成功的標準。

2樣車碰撞摸底試驗

2.1碰撞試驗表現

碰撞試驗為一微型貨車，試驗后車門不能正常開啟，前端結構擠壓嚴重。乘員的生存空間已經無法保障，假人的指標各傷害值不太理想。駕駛室變形明顯，同時車架縱梁存在彎折，使假人在與駕駛室相對運動過程中與方向盤接觸位置產生偏差，導致假人的頭部傷害指標HPC>1000，不滿足法規要求。見圖1所示。

2.2各關鍵部位侵入量

目前在整車的碰撞安全性能開發前期都會為車身耐撞性的開發進行性能指標分解，包括能量分配、傳力路徑的規劃，車身結構的侵入量等內容。為了降低車型后期開發的成本，這里只對車身結構的侵入量進行控制，同時適當調整縱梁結構強度。通過控制車身各關鍵部位的侵入量，可以使乘員艙的生存空間得到保障，避免對假人造或過大的傷害。下表是侵入量的評價指標及各部位在碰撞試驗中的測量值：

由下表可以看出，各關鍵點的侵入量或后退量基本全部在指標要求的范圍之外，同時在結合樣車在摸底試驗中的碰撞表現，可以得出結論：（1）車架前縱梁前端吸收能量偏低，導致駕駛室變形嚴重；（2）車架中段強度過低，碰撞過程中彎折，駕駛室往后發生一定角度的翻轉，使假人傷害值增加。

2.3加速度波形分析

原始波形經過濾波通道頻率等級為60的低通濾波器濾波后，得到了CFC60波形，見下圖：

對上圖中的碰撞波形進行分析，主要有以下兩個問題：

（1）圖中碰撞的帶寬較長，一般碰撞時間在80ms左右就已經結束，此碰撞過程持續到lOOms左右。

（2）波形存在兩處比較明顯的尖狀波形（圖中圓圈處），說明在碰撞過程中縱梁的吸能過程不穩定，后期需對縱梁的整體剛度進行結構優化。

從以上幾方面的分析可以得出結論：車身前端結構的不合理導致吸能效果不理想，碰撞波形變化劇烈，車身整體變形量過大，各關鍵部位的侵入量較大，車身結構有很大的提升空間。

3有限元對標模型建立

3.1建立LS-DYNA環境下基礎模型

應用有限元法進行仿真分析幾何模型的建立是重要內容，也是求解的基礎。首先對模型進行網格劃分、設置約束、載荷和邊界條件，最后進行求解，得出仿真結果。

完成的仿真模型中沙漏能占模型總能量3.21%，小于目標要求5%；滑移界面能占模型總能量1.59%，小于目標要求5%；模型總質量增加1.59%，小于目標要求3%；模型總能量最大波動幅度為1.79%，小于目標要求3%。基于以上幾點，模型能量變化基本符合能量守恒定律，模型可用于對標。具體數值見下表2：

3.2有限元模型與碰撞試驗對標

3.2.1前端結構潰縮形式對標

根據摸底試驗中的碰撞表現對標碰撞模型。分別對車身前縱梁的前端和中段進行對標。圖2的第一個波峰是由前縱梁前端的撞擊潰縮產生的，加速度在30g左右；第二個波峰數值在44g左右，是縱梁中段彎折后整體作用產生的效果。

圖3中左面是仿真模型縱梁前端的潰縮形式，與試驗中的變形模式相接近。圖四中縱梁中段產生折彎現象，仿真模型也體現了相應效果。車身前端結構主要吸能件對標基本達到要求。

3.2.2侵入量對標

通過縱梁前端和中段的對標，可以保證模型與試驗在關鍵件的潰縮形式上保持一致；同時對車身各部位的入侵量對行對比，進一步保證模型與實車狀態的一致性。從而在此對標模型的基礎上提出改進方案，優化仿真的可信度極高。

4碰撞仿真模型優化

4.1結構加強方案

通過前面對樣車碰撞表現與加速度波形的分析，對車身結構做相應調整，以優化波形。經過多輪的驗算敲定車身結構的優化方案，其中前縱梁的材質由DC01調整到B210P1；縱梁內部增加加強板，料厚在1.2mm，材質B210P1；縱梁的后端需單獨加強，以增加整體的穩定性。加強方案見下圖5：

4.2碰撞仿真模擬

根據車架加強方案，同步更新有限元模型，并進行碰撞模擬仿真分析。

波形優化后，可以看出縱梁的變形趨于穩定，沒有大的尖峰產生，同時碰撞的時間帶寬也大幅減小，在60ms左右完成碰撞過程。總的來看，前端結構的剛度得到加強，車身前端的最大變形量相對基礎車型大幅減小，經過對比在132mm左右。碰撞波形見下圖6：

4.3關鍵部位侵入量

對仿真模型中各部位的侵入量進行統計，并與評價標準值進行對比，可以看到優化后的侵入量數值都滿足評價指標，優化后的波形初步可信。見表4。

5臺車試驗驗證優化波形

5.1模擬臺車試驗

波形優化后如在整車狀態實現，其周期較長，投入較大。模擬臺車試驗可以很好的解決這個問題，把白車身經過加工后安裝到試驗臺車上，可以快速準確的驗證波形的有效性，大大縮短了開發周期，同時也降低了開發成本。

試驗臺車由液壓伺服電機驅動，把優化后的波形做為pulse輸入到驅動系統中，完成沖擊試驗。同時白車身安裝好約束系統各部件，要求與實車的狀態一致。按照正面碰撞法規（11551-2014）的要求布置好假人，安裝好傳感器及數據采集等設備。圖7是試驗前的狀態：

5.2試驗結果

試驗后對假人的傷害值進行統計，具體數值見表5：

可以看出，假人的各個限值都滿足要求，試驗順利通過，從而證明了優化波形的正確性。

6結語

本文詳細闡述了一種在正面碰撞性能開發中基于車身變形量的正面碰撞波形的優化方法，利用碰撞試驗和有限元仿真相結合的方法快速有效的解決問題。在正面碰撞中，車身結構的設計、碰撞波形的形態、約束系統配置對假人傷害的影響較大，同時也是一個耦合關聯性較強的一個問題。通過這種優化方法可以使車身結構耐撞性和約束系統開發相獨立，從而使每個開發模塊的開發目標更明確。碰撞波形的優化，與整車各總成的結構形式、工藝的一致性等方面息息相關。此方法有助于進行車身結構安全性能設計，提高整車的耐撞性，減少碰撞對乘員的沖擊，并為平臺后續產品的開發提供參考和支持。