能量管理在碰撞仿真優(yōu)化中的運(yùn)用

周洋 樊海龍

摘 要：在目前的研究中，通過能量管理來分析汽車碰撞的過程和指導(dǎo)后期優(yōu)化，是一種比較有效的手段。文章以某車型為例，通過能量管理的方法對車體結(jié)構(gòu)部件進(jìn)行優(yōu)化，驗(yàn)證了優(yōu)化后的模型滿足吸能要求，同時(shí)也能有效滿足結(jié)構(gòu)耐撞性要求。

關(guān)鍵詞：能量管理;汽車碰撞;結(jié)構(gòu)耐撞性

中圖分類號：U467 ?文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A ?文章編號：1671-7988（2020）10-190-02

The application of energy management in collision simulation optimization

Zhou Yang，?Fan Hailong

（?Safety evaluation of electric vehicles chongqing key laboratory of industry and information technology，Chongqing 401122 ）

Abstract：?In the research， it is a effective method to analyze the process of vehicle impact and guide the optimization through energy management. This paper takes a certain vehicle model as an example， and optimizes some structural components of the body through the energy management method. It is verified that the optimized model can meet the energy absorption requirements and can also effectively meet the structural crashworthiness requirements.

Keywords：?Energy management;?Vehicle impact;?Structural crashworthiness

CLC NO.： U467 ?Document Code： A ?Article ID： 1671-7988（2020）10-190-02

前言

在分析汽車的有限元碰撞模型的過程中，常需要找出基礎(chǔ)模型中車體結(jié)構(gòu)薄弱的部分進(jìn)行改進(jìn)優(yōu)化，提高碰撞吸能的能力，從而提高汽車的結(jié)構(gòu)耐撞性。

本文介紹一種基于能量管理的研究方法，即在遵循能量守恒原則的基礎(chǔ)上，對某一種或多種仿真碰撞工況的吸能部件的結(jié)構(gòu)變形和吸能特性進(jìn)行改進(jìn)，優(yōu)化車體結(jié)構(gòu)的能量傳遞路徑，減少撞擊能量向乘員艙的傳遞^[1]。采用該方法，可以分析車體受碰撞部位的結(jié)構(gòu)耐撞性，進(jìn)一步揭示受撞擊結(jié)構(gòu)的吸能特性對整體結(jié)構(gòu)耐撞性影響的規(guī)律，達(dá)到更準(zhǔn)確地指導(dǎo)車體結(jié)構(gòu)耐撞性優(yōu)化設(shè)計(jì)的目的^[2]。

1?基礎(chǔ)模型碰撞吸能分析

如圖1所示，以1.25噸重的某車型的100%正面碰撞有限元模型為例，通過調(diào)用函數(shù)分析其仿真計(jì)算結(jié)果可得在碰撞過程中基礎(chǔ)模型的內(nèi)能總增加量，即碰撞沖擊能量，如圖2所示。基于能量管理的研究方法，本文提出基礎(chǔ)模型中需要改進(jìn)優(yōu)化的結(jié)構(gòu)部件，并將優(yōu)化前后的結(jié)構(gòu)件吸能特性進(jìn)行對比分析。

在仿真結(jié)果matsum文件中讀取每個(gè)part的內(nèi)能曲線，通過統(tǒng)計(jì)可得該工況下主要吸能部件的吸能量及比例，如表1。

經(jīng)過簡單統(tǒng)計(jì)，該基礎(chǔ)模型在碰撞過程中的主要吸能件均位于車體前端結(jié)構(gòu)部分，且吸能占比為43.20%。據(jù)以往學(xué)者的研究，在較為理想的汽車100%正碰工況中，前防撞橫梁、吸能盒以及前縱梁等主要吸能部件吸收的碰撞動能應(yīng)不低于47.7%^[3]。汽車與壁障的“一次碰撞”決定了人體與車體內(nèi)部“二次碰撞”的劇烈程度，而改進(jìn)車體結(jié)構(gòu)的吸能和耐撞特性對減小由“二次碰撞”引起的人體損傷具有重要意義^[4]。由于基礎(chǔ)模型中前端結(jié)構(gòu)的主要吸能部件吸能不足，未能達(dá)到吸能目標(biāo)，結(jié)合對碰撞過程進(jìn)行分析，將優(yōu)化目標(biāo)鎖定為吸能較差的前防撞橫梁以及前縱梁部件。最終確定改進(jìn)基礎(chǔ)模型的前防撞橫梁的厚度、前縱梁的厚度以及縱梁根部的結(jié)構(gòu)形式的優(yōu)化方案，并由此得到優(yōu)化模型。

2?優(yōu)化模型碰撞吸能分析及對比

經(jīng)過仿真計(jì)算后，優(yōu)化模型的整車內(nèi)能增加曲線如圖3所示。

可以看出優(yōu)化后的模型內(nèi)能增加曲線過渡平滑，且由于料厚的增加和縱梁結(jié)構(gòu)的改進(jìn)，總能量較優(yōu)化前略有增加。優(yōu)化前后模型主要吸能部件的吸能量如表2所示。

由上表可得，優(yōu)化后仿真模型的主要吸能部件總吸能量占比達(dá)到52.76%，與優(yōu)化前相比增加了9.56%，車體前端結(jié)構(gòu)吸能效果優(yōu)化明顯。而在結(jié)構(gòu)耐撞性方面，結(jié)合工程經(jīng)驗(yàn)，從B柱下端加速度、門框變形量、轉(zhuǎn)向管柱侵入量和前圍板侵入量四個(gè)指標(biāo)來評價(jià)該車型的結(jié)構(gòu)耐撞性，如下表3所示。從表中可以看出，通過能量管理優(yōu)化后的目標(biāo)模型在滿足能量吸收量的前提下也滿足結(jié)構(gòu)耐撞性的要求，可有效保護(hù)乘員安全。

3?總結(jié)

綜上所述，能量管理的研究方法，有利于分析車體結(jié)構(gòu)在碰撞過程中的能量傳遞路徑以及快速判斷各結(jié)構(gòu)部件的吸能情況，直觀有效地提供優(yōu)化方向，能夠?yàn)檠芯咳藛T在汽車碰撞有限元仿真中的分析和優(yōu)化提供一定指導(dǎo)意義。

參考文獻(xiàn)

[1] 周洋.某車型多種正面碰撞性能綜合優(yōu)化[D].重慶：重慶理工大學(xué)，2019.

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[3] 胡召闊，成思源，張雷.基于吸能目標(biāo)的汽車前端結(jié)構(gòu)剛度匹配性設(shè)計(jì)[J].機(jī)床與液壓.2019，47（9）：166-170.

[4] 許瀟瀟.汽車安全性指數(shù)系統(tǒng)研究[D].沈陽航空工業(yè)學(xué)院，2009.