某款全鋁車身前端碰撞吸能結(jié)構(gòu)分析及優(yōu)化設(shè)計(jì)

賀鑫，董華東，朱浩

(奇瑞新能源汽車股份有限公司，安徽蕪湖 241000)

0 引言

根據(jù)最新數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)，截止2019年底，我國(guó)機(jī)動(dòng)車保有量達(dá)3.48億輛，同比增長(zhǎng)6.4%。汽車在給人類生活帶來(lái)諸多便利的同時(shí)，也產(chǎn)生了很多安全問(wèn)題。道路交通事故造成的人員傷亡占各類事故傷亡人數(shù)的首位，汽車碰撞安全技術(shù)越發(fā)引起世界各國(guó)關(guān)注[1]。汽車前端碰撞吸能結(jié)構(gòu)作為碰撞安全技術(shù)中最重要的吸能結(jié)構(gòu)，提高其吸能效率對(duì)于提高汽車的碰撞安全性具有重要意義[2]。根據(jù)不同車型，前端碰撞吸能結(jié)構(gòu)略有不同，但主要包括前防撞橫梁、吸能盒、前后縱梁等基本結(jié)構(gòu)[3]。其中前縱梁在碰撞時(shí)有軸向壓縮和彎折變形兩種吸能方式。彎折變形吸收的碰撞能量遠(yuǎn)小于軸向壓縮[4]。現(xiàn)有的全鋁車身前端吸能結(jié)構(gòu)中的承載縱梁因結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)不合理、鋁合金難以焊接等問(wèn)題，容易導(dǎo)致彎折變形，不僅會(huì)造成承載縱梁失穩(wěn)，而且極大降低吸能效率，從而造成過(guò)多碰撞能量流入乘員艙，危害乘員生命安全。

本文作者通過(guò)對(duì)某款全鋁車身的前端吸能結(jié)構(gòu)進(jìn)行碰撞試驗(yàn)時(shí)，發(fā)現(xiàn)吸能盒壓縮不充分、前縱梁后端折彎、縱梁整體上翹、縱梁根部焊縫撕裂等情況。這些情況會(huì)極大降低吸能效率，從而造成過(guò)多碰撞能量流入乘員艙，危害乘員生命安全。在對(duì)碰撞視頻和焊縫分析后，發(fā)現(xiàn)存在設(shè)計(jì)缺陷，在和相關(guān)專業(yè)工程師討論后，對(duì)原有車身數(shù)據(jù)進(jìn)行結(jié)構(gòu)優(yōu)化、仿真分析，并進(jìn)行碰撞試驗(yàn)對(duì)標(biāo)。發(fā)現(xiàn)新型前端碰撞吸能結(jié)構(gòu)可以最大限度防止縱梁失穩(wěn)、保證焊接均勻，以實(shí)現(xiàn)導(dǎo)向性軸向壓縮的漸進(jìn)式壓潰型吸能方式，從而極大提高吸能效率、增加前端吸能結(jié)構(gòu)吸收碰撞能量值、保證乘員安全性，為全鋁車身的前端碰撞吸能結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)提供重要依據(jù)。

1 縱梁失穩(wěn)問(wèn)題分析

在對(duì)某款全鋁車身的前端吸能結(jié)構(gòu)進(jìn)行40 km/h的40%偏置剛性壁障碰撞試驗(yàn)時(shí)，發(fā)現(xiàn)存在吸能盒壓縮不充分、前縱梁后端折彎、縱梁整體上翹、縱梁根部焊縫撕裂等問(wèn)題，如圖1所示。

1.1 縱梁失穩(wěn)原因分析

通過(guò)查看圖2、圖3攝像機(jī)錄制的碰撞過(guò)程視頻可知，造成縱梁失穩(wěn)主要有以下幾個(gè)原因：

(1)前縱梁失穩(wěn)：前縱梁后端失穩(wěn)，局部壓潰導(dǎo)致縱梁彎曲。如圖2所示。

圖2 前縱梁后端折彎示意

(2)焊縫撕裂：前縱梁折斷后，能量未充分吸收，導(dǎo)致后縱梁承受較大能力，致使后縱梁上翹嚴(yán)重，焊縫撕裂。如圖3所示。

圖3 后縱梁上翹、根部焊縫撕裂示意

1.2 試驗(yàn)對(duì)標(biāo)結(jié)果

仿真、試驗(yàn)加速度曲線對(duì)比如圖4所示。

圖4 仿真、試驗(yàn)加速度曲線對(duì)比

根據(jù)仿真、試驗(yàn)碰撞波形中的車體加速度曲線可知，試驗(yàn)與仿真加速度基本一致，由于試驗(yàn)在60 ms后縱梁根部完全失效，60 ms后加速度與仿真差異較大。

2 碰撞安全吸能理論

2.1 碰撞吸能公式

汽車在發(fā)生正面碰撞時(shí)，主要依靠車身前端“壓潰區(qū)”，即前端碰撞吸能結(jié)構(gòu)的塑形變形來(lái)吸收碰撞時(shí)的動(dòng)能[5]。前端吸能結(jié)構(gòu)在實(shí)際碰撞中所吸收的總能量計(jì)算公式[6]為

(1)

式中：F(s)為撞擊力；δe為壓縮位移；Ed為碰撞吸收總能量。

由式(1)可知，碰撞吸收總能量與壓縮位移有關(guān)，在固定壓縮空間內(nèi)能盡可能多地吸收碰撞能量，車體的耐撞性能就越好。

2.2 前縱梁抗撞性設(shè)計(jì)

為保證前端吸能結(jié)構(gòu)在碰撞中能盡可能吸收足夠多的碰撞能量，關(guān)鍵在于車體前縱梁能夠產(chǎn)生合理的變形形態(tài)[7]。前縱梁在碰撞時(shí)有軸向壓縮和彎折變形兩種吸能形式。軸向壓縮為規(guī)則的呈手風(fēng)琴狀規(guī)則的軸向皺褶變形，能夠緩解碰撞加速度，且變形穩(wěn)定性佳；而彎折變形容易造成前縱梁失穩(wěn)，且吸收的碰撞能量遠(yuǎn)小于軸向壓縮[8]。

3 優(yōu)化方案及前端吸能結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

3.1 優(yōu)化方案

根據(jù)上述縱梁失穩(wěn)問(wèn)題及碰撞安全吸能理論，提出以下3種優(yōu)化方案。

(1)增加壓潰孔(方案1)

在吸能盒、前縱梁上增加壓潰孔，弱化縱梁前端，引導(dǎo)壓潰。如圖5所示。

圖5 方案1

(2) 增加隔板(方案2)

在前、后縱梁連接處增加隔板，焊接過(guò)程中可以保證前后縱梁對(duì)中，避免上下表面錯(cuò)動(dòng)。如圖6、圖7所示。

(3) 增加坡口、封板(方案3)

后縱梁根部位置增加坡口，增加焊接的熔深；后縱梁根部位置增加封板。如圖8所示。

圖6 方案2

圖7 前、后縱梁連接隔板示意

圖8 方案3

3.2 前端吸能結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

結(jié)合上述3種優(yōu)化方案，在和相關(guān)專業(yè)工程師討論后，在原有前端吸能結(jié)構(gòu)基礎(chǔ)上，設(shè)計(jì)出一種新型前端碰撞吸能結(jié)構(gòu)。通過(guò)對(duì)前縱梁吸能盒、前縱梁增加壓潰孔，前后縱梁連接處增加連接隔板、后縱梁根部增加封板，可以最大限度防止縱梁失穩(wěn)、保證焊接均勻，以實(shí)現(xiàn)導(dǎo)向性軸向壓縮的漸進(jìn)式壓潰型吸能方式，從而實(shí)現(xiàn)極大提高吸能效率、增加前端吸能結(jié)構(gòu)吸收碰撞能量值、保證乘員安全性等目標(biāo)。新型前端吸能結(jié)構(gòu)示意圖如圖9所示。

圖9 新型前端吸能結(jié)構(gòu)示意

4 仿真分析及結(jié)果對(duì)標(biāo)

汽車碰撞安全研究主要依靠計(jì)算機(jī)仿真和實(shí)車試驗(yàn)兩種方法。其中仿真分析作為設(shè)計(jì)階段工作，對(duì)碰撞安全研究具有指導(dǎo)意義；而實(shí)車試驗(yàn)可以驗(yàn)證仿真結(jié)果，評(píng)價(jià)整車碰撞的安全性能要求。作為碰撞安全設(shè)計(jì)人員，需要保證仿真分析結(jié)果與實(shí)車試驗(yàn)結(jié)果的一致性，從而為汽車碰撞安全設(shè)計(jì)提供指導(dǎo)。

4.1 仿真分析

碰撞作為一種瞬時(shí)的復(fù)雜物理變化過(guò)程，是一種非線性動(dòng)態(tài)接觸變形問(wèn)題。而LS-DYNA利用中心差分法離散時(shí)間域，無(wú)需構(gòu)造剛度矩陣即可求解節(jié)點(diǎn)的運(yùn)動(dòng)方程，可有效回避因非線性問(wèn)題而引起的收斂問(wèn)題[9]。因此碰撞安全的仿真分析中通常在Hypermesh中建立有限元網(wǎng)格模型，再將網(wǎng)格模型導(dǎo)入LS-DYNA中進(jìn)行仿真分析。

首先將上述優(yōu)化設(shè)計(jì)中的新型前端碰撞吸能結(jié)構(gòu)在Hypermesh中進(jìn)行網(wǎng)格建模后，導(dǎo)入整車仿真模型，如圖10所示。

圖10 整車仿真模型

在Hypermesh中將整車仿真模型搭接完畢后，導(dǎo)入LS-DYNA中進(jìn)行仿真分析，分析結(jié)果如圖11所示。

圖11 整車仿真分析結(jié)果

根據(jù)圖11可知，縱梁沒(méi)有發(fā)生失穩(wěn)，實(shí)現(xiàn)了導(dǎo)向性軸向壓縮的漸進(jìn)式壓潰型吸能方式。

4.2 結(jié)果對(duì)標(biāo)

將按照新型前端吸能結(jié)構(gòu)生產(chǎn)的白車身總成安裝至移動(dòng)臺(tái)車，在保證其他條件一致的基礎(chǔ)上，再次進(jìn)行40 km/h的40%偏置壁障碰撞試驗(yàn)。如圖12所示。

圖12 40%偏置壁障碰撞試驗(yàn)前期準(zhǔn)備

觀察試驗(yàn)后的車身前端吸能結(jié)構(gòu)變形方式，如圖13所示。發(fā)現(xiàn)與仿真預(yù)期變形一致，縱梁沒(méi)有發(fā)生失穩(wěn)，可以實(shí)現(xiàn)極大提高吸能效率、增加前端吸能結(jié)構(gòu)吸收碰撞能量值、保證乘員安全性等目標(biāo)。為全鋁車身的前端碰撞吸能結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)提供重要依據(jù)。

圖13 40%偏置壁障碰撞試驗(yàn)結(jié)果

5 結(jié)論

(1) 在對(duì)某款全鋁車身的前端吸能結(jié)構(gòu)進(jìn)行40 km/h的40%偏置剛性壁障碰撞試驗(yàn)時(shí)，發(fā)現(xiàn)存在縱梁失穩(wěn)現(xiàn)象，需要進(jìn)行結(jié)構(gòu)優(yōu)化。

(2) 根據(jù)碰撞安全吸能理論，綜合3種優(yōu)化方案設(shè)計(jì)出一種新型前端碰撞吸能結(jié)構(gòu)，以實(shí)現(xiàn)導(dǎo)向性軸向壓縮的漸進(jìn)式壓潰型吸能方式。

(3) 通過(guò)仿真及實(shí)際試驗(yàn)對(duì)標(biāo)，發(fā)現(xiàn)該種新型前端碰撞吸能結(jié)構(gòu)，可以實(shí)現(xiàn)極大提高吸能效率、增加前端吸能結(jié)構(gòu)吸收碰撞能量值、保證乘員安全性等目標(biāo)。為全鋁車身前端碰撞吸能結(jié)構(gòu)的改進(jìn)和優(yōu)化設(shè)計(jì)提供重要依據(jù)。