某商用車后下防護(hù)裝置碰撞仿真與設(shè)計(jì)改進(jìn)

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(1.青島理工大學(xué)機(jī)械與汽車工程學(xué)院，山東青島 266520；2.北汽福田奧鈴汽車廠技術(shù)中心，山東濰坊 262200)

0 引言

隨著時(shí)代的進(jìn)步和科技的發(fā)展，汽車已經(jīng)步入人們的日常生活中。隨著汽車數(shù)量的增多，交通事故也逐年增加。據(jù)調(diào)查[1]，追尾事故在交通事故中發(fā)生的頻率僅次于正面碰撞與側(cè)面碰撞，在追尾事故中傷害程度致死率與致傷率較高的為乘用車與商用車之間的追尾碰撞。本文作者對(duì)某商用車后下防護(hù)裝置在碰撞過(guò)程中侵入量的問(wèn)題進(jìn)行研究，對(duì)現(xiàn)有的后下防護(hù)裝置結(jié)構(gòu)作進(jìn)一步改進(jìn)設(shè)計(jì)，以提高汽車的被動(dòng)安全性和乘員的乘車安全性[2]。

1 加載點(diǎn)位置與試驗(yàn)載荷

根據(jù)GB 11567-2017要求，如果后下部防護(hù)裝置以車輛縱向中心平面為軸對(duì)稱，則兩點(diǎn)加載和三點(diǎn)加載的兩端加載點(diǎn)可以只測(cè)左右兩側(cè)中的一個(gè)點(diǎn)，此時(shí)兩點(diǎn)加載、三點(diǎn)加載的加載點(diǎn)應(yīng)位于同一側(cè)[3]。文中所研究的后下防護(hù)裝置符合上述法規(guī)要求，在靜態(tài)加載試驗(yàn)時(shí)只對(duì)同一側(cè)的3個(gè)點(diǎn)進(jìn)行靜態(tài)加載試驗(yàn)。

1.1 加載點(diǎn)位置的確定

靜態(tài)加載試驗(yàn)分為兩點(diǎn)加載和三點(diǎn)加載。兩點(diǎn)加載時(shí)，兩個(gè)作用點(diǎn)之間的距離在700～1 000 mm之間，兩個(gè)作用點(diǎn)相對(duì)于后下部防護(hù)裝置縱向中心線或車輛縱向中心線對(duì)稱，加載點(diǎn)位置如圖1中點(diǎn)P2所示。三點(diǎn)加載時(shí)，左右兩邊外側(cè)兩個(gè)作用點(diǎn)，分別距離車輛后軸車輪最外端(300±25) mm；第三個(gè)作用點(diǎn)位于上述兩點(diǎn)連線之間、并且處于車輛中心垂直平面上[4]。加載點(diǎn)位置如圖1中點(diǎn)P1、P3所示。

根據(jù)法規(guī)要求，加載點(diǎn)的位置由制造商在最初設(shè)計(jì)時(shí)給定，給定的左側(cè)點(diǎn)P1、P2、P3的位置坐標(biāo)分別為(3 920.5，-529，-300)、(3 920.5，-446，-300)、(3 920.5，0，-300)。

圖1 加載點(diǎn)位置示意

1.2 試驗(yàn)載荷的確定

兩點(diǎn)加載時(shí)，每點(diǎn)加載力為100 kN或者相當(dāng)于車輛最大設(shè)計(jì)總重力的50%的水平載荷，試驗(yàn)時(shí)取兩者中較小值。三點(diǎn)加載時(shí)，每點(diǎn)加載力為50 kN或相當(dāng)于車輛最大設(shè)計(jì)總重力25%的水平載荷，試驗(yàn)時(shí)取兩者中較小值[5]。

該車輛模型的總重力為45 kN，兩點(diǎn)加載時(shí)，取靜態(tài)加載載荷為22.5 kN；三點(diǎn)加載時(shí)，取靜態(tài)加載載荷為11.25 kN。

2 仿真模型的建立

根據(jù)車輛的結(jié)構(gòu)和法規(guī)中對(duì)于加載裝置的規(guī)定，應(yīng)用CATIA軟件建立了后下防護(hù)裝置和加載裝置的幾何模型，模型由支架、縱梁、尾梁、橫梁和加載裝置五部分組成。其中支架與縱梁之間用6個(gè)M12-10.9螺栓連接，支架與橫梁之間采用焊接，縱梁與尾梁之間用4個(gè)M12-10.9螺栓連接。利用HyperMesh仿真軟件建立后下防護(hù)裝置有限元仿真模型，該模型共有實(shí)體單元69 998個(gè)，殼單元514個(gè)，節(jié)點(diǎn)總數(shù)147 716個(gè)。仿真模型如圖2所示。

圖2 后下防護(hù)裝置有限元模型

3 試驗(yàn)方法的確定

原靜態(tài)加載試驗(yàn)方法為根據(jù)法規(guī)中的要求，以點(diǎn)P1、P2、P3為中心，對(duì)加載裝置施加不同的水平加載載荷，在后下防護(hù)裝置不發(fā)生整體脫落的情況下，判斷后下防護(hù)裝置的最大水平侵入量是否小于法規(guī)中的要求，最終判定后下防護(hù)裝置是否合格。

本文作者采用強(qiáng)制位移法進(jìn)行靜態(tài)加載試驗(yàn)。以點(diǎn)P1、P2、P3為中心對(duì)加載裝置在水平方向施加一定的強(qiáng)制位移，隨著仿真時(shí)間和位移的增加，加載點(diǎn)的受力也隨之增大[6]。如圖3所示，當(dāng)仿真時(shí)間運(yùn)行到t1時(shí)，加載點(diǎn)的受力等于法規(guī)規(guī)定的靜態(tài)加載載荷F1，設(shè)此時(shí)所測(cè)得的最大水平位移量為X1，此時(shí)后下防護(hù)裝置仍為彈塑性變形；當(dāng)仿真時(shí)間增加至t2時(shí)，加載點(diǎn)的靜態(tài)加載載荷為F2，設(shè)此時(shí)所測(cè)得的最大水平位移量為X2(X2>X1)，此時(shí)加載點(diǎn)的靜態(tài)加載載荷的值使后下防護(hù)裝置達(dá)到了抗拉極限，此后隨著仿真時(shí)間的增加，后下防護(hù)裝置將會(huì)出現(xiàn)整體脫落現(xiàn)象。若X2的值滿足法規(guī)要求，則后下防護(hù)裝置的防鉆撞性能更好。

圖3 加載點(diǎn)受力工況圖

反之，若加載點(diǎn)的加載載荷F2使后下防護(hù)裝置達(dá)到了抗拉極限，但加載點(diǎn)的加載載荷仍沒(méi)有達(dá)到法規(guī)規(guī)定值F1，即F2

后下防護(hù)裝置是否合格的判斷標(biāo)準(zhǔn)：若X1X2，F(xiàn)1>F2，則判定為不合格。

4 原方案后下防護(hù)裝置碰撞性能分析

根據(jù)廠商設(shè)計(jì)要求，后下防護(hù)裝置最大離地間隙為500 mm，加載裝置的運(yùn)動(dòng)方向?yàn)?x方向，加載時(shí)間為200 ms，加載時(shí)間步長(zhǎng)為2.5 ms，速度為1 mm/ms，其他方向速度均為0。在仿真過(guò)程中，后下防護(hù)裝置的主要變形為x方向，其他方向的變形量相對(duì)x方向較小，故在分析受力時(shí)，只分析左側(cè)P1、P2、P3三點(diǎn)在x方向的受力工況。由表1可知：進(jìn)行點(diǎn)P2加載時(shí)，使后下防護(hù)裝置達(dá)到抗拉極限的載荷值小于法規(guī)規(guī)定的載荷值，若使用法規(guī)載荷加載時(shí)，后下防護(hù)裝置容易出現(xiàn)整體脫落現(xiàn)象。

表1 原方案碰撞仿真結(jié)果

5 后下防護(hù)裝置設(shè)計(jì)改進(jìn)與重分析

5.1 后下防護(hù)裝置設(shè)計(jì)改進(jìn)

根據(jù)表1所示的原方案的碰撞仿真結(jié)果，在不改變后下防護(hù)裝置整體結(jié)構(gòu)的基礎(chǔ)上對(duì)橫梁進(jìn)行設(shè)計(jì)改進(jìn)。橫梁厚度由原來(lái)的2 mm增加為3 mm，改進(jìn)后的橫梁如圖4所示。

圖4 加載點(diǎn)受力工況圖

5.2 碰撞仿真分析

5.2.1 點(diǎn)P1加載和最大水平侵入量分析

圖5和圖6分別為改進(jìn)前后方案點(diǎn)P1加載后下防護(hù)裝置受力工況圖，加載點(diǎn)P1的法規(guī)加載載荷為11.25 kN，可知：使原方案和改進(jìn)方案達(dá)到抗拉極限所施加的載荷分別為19.83、23.41 kN，兩值均大于法規(guī)加載載荷11.25 kN。

圖5 原方案點(diǎn)P1加載受力工況圖

圖6 改進(jìn)方案點(diǎn)P1加載受力工況圖

圖7和圖8分別為改進(jìn)前、后下防護(hù)裝置仿真變形云圖，可知：仿真過(guò)程中后下防護(hù)裝置沒(méi)有發(fā)生整體脫落現(xiàn)象。改進(jìn)前、后最大變形部位均在橫梁位置，最大水平變形量分別為308.5、285.3 mm。對(duì)比分析可知，原方案與改進(jìn)方案的最大水平位移量均滿足法規(guī)要求。但優(yōu)化方案比原方案的鉆入量減少23.2 mm，對(duì)于鉆撞問(wèn)題能起到一定的阻擋作用。

圖7 原方案點(diǎn)P1加載變形云圖

圖8 改進(jìn)方案點(diǎn)P1加載變形云圖

5.2.2 點(diǎn)P2加載和最大水平侵入量分析

圖9和圖10分別為點(diǎn)P2改進(jìn)前、后下防護(hù)裝置受力工況圖，加載點(diǎn)P2的法規(guī)加載載荷為22.5 kN。由圖10可知：原方案使后下防護(hù)罩裝置達(dá)到抗拉極限的加載載荷為21.51 kN，小于法規(guī)加載載荷，即X1>X2，F(xiàn)1>F2，使用法規(guī)規(guī)定加載載荷時(shí)，后下防護(hù)裝置會(huì)出現(xiàn)整體脫落現(xiàn)象。原方案的后下防護(hù)裝置不滿足法規(guī)要求，不合格。由圖10可知，改進(jìn)方案使后下防護(hù)罩裝置達(dá)到抗拉極限的加載載荷為31.97 kN，大于法規(guī)加載載荷。

圖9 原方案點(diǎn)P2加載受力工況圖

圖10 改進(jìn)方案點(diǎn)P2加載受力工況圖

圖11為優(yōu)化方案后下防護(hù)裝置仿真結(jié)束后變形云圖，其最大變形部位在橫梁位置，最大位移量為336.8 mm，滿足法規(guī)要求。

圖11 改進(jìn)方案點(diǎn)P2加載變形云圖

5.2.3 點(diǎn)P3加載和最大水平侵入量分析

圖12和圖13分別為改進(jìn)前、后點(diǎn)P3受力工況圖。加載點(diǎn)P3的法規(guī)加載載荷為11.25 kN。由圖12和圖13可知，使原方案和優(yōu)化方案達(dá)到抗拉極限所施加的載荷分別為21.12、23.54 kN，兩值均大于法規(guī)加載載荷。

圖12 原方案點(diǎn)P3加載受力工況圖

圖13 改進(jìn)方案點(diǎn)P3加載受力工況圖

由圖14和圖15改進(jìn)前、后下防護(hù)裝置仿真變形云圖可知：改進(jìn)前、后最大變形部位均在橫梁，最大變形量分別為228.6、216.1 mm。對(duì)比分析可知，原方案與改進(jìn)方案的最大水平位移量均滿足法規(guī)要求。但優(yōu)化方案比原方案的鉆入量減少11.25 mm，對(duì)于鉆撞問(wèn)題能起到一定的阻擋作用。

圖14 原方案點(diǎn)P3加載變形云圖

圖15 改進(jìn)方案點(diǎn)P3加載變形云圖

6 結(jié)論

根據(jù)法規(guī)GB 11567-2017中對(duì)于后下防護(hù)裝置的有關(guān)要求，利用LS-DYNA軟件建立后下防護(hù)裝置的有限元仿真模型[8]。在對(duì)原方案進(jìn)行仿真分析的基礎(chǔ)上，將橫梁的厚度由原來(lái)的2 mm增加至3 mm，得到改進(jìn)方案，提高了汽車在追尾碰撞過(guò)程中的防鉆撞能力，有利于保證車內(nèi)人員的安全性，提高產(chǎn)品市場(chǎng)競(jìng)爭(zhēng)力。