基于新FMVSS301的汽車車體小重疊率追尾碰撞優化設計*

牟曉斌，牛麗芳，許鵬善，雒 琦，孫正興

(1.甘肅農業大學，機電工程學院，甘肅 蘭州 730070；2.甘肅省建投建設有限公司，甘肅 蘭州 730070；3.白銀礦冶職業技術學院，甘肅 白銀 730900；4.中石油昆侖燃氣有限公司甘肅分公司，甘肅 蘭州 730070)

0 引 言

汽車高速追尾是高速行駛的追尾車輛遇到緊急剎車或前方靜止的被追尾車輛而來不及避開時的碰撞，由于汽車保有量的快速增長，高速公路交通事故也隨之增加，根據2008年中國道路交通事故統計數據，在當年高速公路上發生的交通事故中，由汽車追尾所造成的事故次數所占比例高達44.86%[1]，而且發生事故率是普通公路的4倍[2]。目前，汽車追尾碰撞試驗的主要法規是歐洲的ECE R32《汽車追尾碰撞車輛結構性能技術要求》和聯邦機動車安全法規(Federal Motor Vehicle Safe Standard,FMVSS)修訂后的第301項《燃料系統的完整性》(以下簡稱新FMVSS 301)[3]。

近年來，隨著科學技術的進步，相關人士開始利用有限元建模技術對汽車追尾碰撞過程中的耐撞性及燃油系統的安全性等問題進行了研究，楊艷慶[4]等利用計算機軟件仿真分別分析了相關車輛的保險杠、前縱梁，得出了薄壁梁應用到汽車保險杠的碰撞分析中，提出了在不改變材料和形狀的前提下，提高保險杠吸能的有效方案；楊濟匡、唐超群[5]等根據新FMVSS301的要求，通過對所建立轎車整車追尾碰撞有限元模型的分析，得出了車尾后縱梁、后保險杠的優化設計結果。

考慮到實際中兩車不規則的碰撞也十分常見，因此此研究擬在筆者此前分析汽車側面柱碰位置與速度對車體安全性、小重疊正面斜角碰撞工況對車體耐撞性影響[6,7]的基礎上，利用數值仿真的方法對最差工況進行優化改進，得出最優解，從而使得乘員艙的侵入量降低，達到保護乘員的目的。

1 模型建立與有效性驗證

1.1 模型建立

選擇某運動型多功能車(sports utility vehicle，SUV)Explorer作為研究對象，該車各個關鍵部位裝有相關的傳感器，追尾車和被追尾車分別定義為A車和B車，如圖1所示，整車質量為2.24 t，該模型中總共有1 447 360個單元，對A、B兩車以速度為80±1.0 km/h的速度差且30%的重疊率進行模擬。整個仿真過程定義150 ms。

圖1 汽車追尾仿真模型

1.2 仿真結果的有效性驗證

1.2.1 車體速度的有效性驗證

取v1=80 km/h，重疊率η=70%時可得圖2所示B車在碰撞過程中尾部節點、中部節點和前部節點處速度-時間變化曲線，從中可以看出：B車后部在碰撞過程中速度的變化最為劇烈，這是由于B車后部最先和A車接觸，所以車體后部最先發生變形，并且在整個過程中變形量最大。隨著碰撞的繼續進行，最后車體變形基本停止，整體向前運動，兩車最終速度變為一致，設其整體速度為v2，從圖2可看出曲線走勢基本吻合。

圖2 追尾前車不同位置處的速度-時間曲線

由動量定理可得：

mv1=2mv2

(1)

式中：m是車體質量(kg)；v1是追尾后車速度(m/s)；v2是整體速度(m/s)。

將已知數據代入式(1)得出:v2=11.1 m/s。將計算結果與仿真曲線圖2結合可以看出整個碰撞過程其曲線走勢相吻合，其速度在11.1 m/s上下波動，所以證明整個仿真結果是合理有效的。

2 仿真結果分析

2.1 車體主要承力部件的能量轉移路徑

2.1.1 車體的主要承力部件

在追尾碰撞中，并不是車身所有部件都承受很大的作用力，如車頂橫梁、車頂及一些地板橫梁。所以在分析車體結構耐撞性的過程中找出一些主要承力部件，因為這些部件對車內乘員的安全起著關鍵性的作用，例如保險杠、B柱、C柱、D柱、車底后部地板、縱梁、及后部橫梁等，因此對該車主要受力零部件的分析顯得尤為必要。

2.2.2 主要承力部件的吸能量分析

碰撞過程中主要承力部件對能量的吸收與乘員的損傷有間接的關系，與車體的變形程度有直接關系，因此，合理的能量轉移路徑能夠提高車身結構的耐撞性，降低車內乘員的傷害值。設定重疊率φ=70%，初始碰撞速度v=80 km/h，通過仿真計算所得出追尾車與被追尾車主要承力部件的內能隨時間變化的曲線如圖3所示，其所吸收的最大能量Emax則被列于表1。

圖3 兩車主要承力部件的內能-時間曲線1.B車右縱梁后部 2.B車地板后部 3.B車左縱梁后部4.B車后保險杠

圖3是追尾碰撞兩車主要承力部件的能量時間變化曲線，隨著撞擊的進行，內能逐漸增大。最先開始吸收能量的是B車后保險杠，這是因為兩車保險杠最先接觸，從圖中可以看出符合實際情況，所以仿真過程合理。主要承力部件吸能最大值列于表1，從表2可以看出A車最大吸能量總值是B車的9.17%，撞擊能量主要由B車尾部吸收。

表1 兩車主要承力件的最大吸能量

在整個仿真實驗中，B車能量主要被右縱梁后部承擔。地板后部、后保險杠、左縱梁后部吸收的能量僅是右縱梁后部的51.60%、28.19%、26.03%；A車吸收的能量較B車小，故本文中不予考慮B車的分析。

3 小重疊率撞擊對評價指標的影響

在整個碰撞過程中，車身結構變形量可以直接反映乘員的損傷情況。前座椅下端加速度傳感器輸出的加速度歷程曲線，以及后備箱蓋的侵入速度曲線等都是用來間接評價乘員傷害程度的重要指標。加速度波形可以反映出車身在整個碰撞過程中接觸力的大小以及變化過程。然而在所有重疊率追尾碰撞中小重疊率碰撞對車體耐撞性影響最大。小重疊率碰撞是車與剛性壁障接觸面積不大于30%的碰撞，本文將小重疊率正面碰撞與新FMVSS301要求相結合，設置速度差Δv為80 km/h，重疊率η為30%，從而得出以下參數，并針對此工況進行優化設計。

3.1 前后乘員艙加速度的分析

圖4是B車乘員艙加速度的時間-曲線圖，a1、a2、a3、a4分別為駕駛位、副駕駛位、左后座椅和右后座椅處傳感器測出的加速度，可以看出，由于受到撞擊，從沖擊波形可看出不同座椅的峰值差異相對較大，右后座椅處比駕駛位、副駕駛位、左后座椅變化劇烈，相應的最大值列于表2。右后座椅a4為26 g，這是由于撞擊位置處于B車右側所致。

圖4 前乘員艙加速度曲線

3.2 車體結構變形量的分析

小重疊率高速碰撞會嚴重影響乘員艙乘員的生存空間、或影響事故之后乘員能否順利離開車體、或影響碰撞過程中能量的吸收，故取車門內層、車門立柱、后備箱內車體地板為研究對象，得出碰撞全過程中侵入量-時間曲線圖(見圖5)，利用時間曲線圖分析立柱、車門內層凹陷、后備箱地板的變形情況。相應的最大侵入量列于表2。

如圖5所示，D1是車門立柱在碰撞方向的變形量隨時間的變化曲線圖，從中可看出立柱在車體縱向的變形量隨著重疊率的減小而增大，后門立柱相對于中立柱在碰撞方向最大結構變形量約為330 mm，而且有可能會造成后車門在不用其他工具的情況下打不開，導致乘員不能方便快速的離開被撞車輛；D2是車門內層在車體橫向的位移-時間曲線圖，可看出車門內層侵入量最大值達到了404.9 mm，而車體側圍預留有效的安全緩沖空間僅為300 mm左右，因此，乘員艙的安全空間受到一定程度的擠壓，這將會導致車內乘員受到不同程度的傷害；D3、D4分別是后部地板的縱向、垂向侵入量，地板后部在縱向和垂向的侵入量比較大，直接影響后部乘員艙空間的大小。在整個撞擊過程中縱向、垂向侵入量最大達到638 mm、211 mm，如表2所列。

圖5 不同部件侵入量時間曲線圖

表2 各評價指標的最大值

4 優化分析

車身總成零部件數量眾多，同時車身不同部位零部件的優化設計可能需要考慮車身不同工況下的不同性能需求，為此將車身總成零部件進行組件劃分和制定不同優化設計策略具有重要意義。具體而言，有些零部件承擔著吸收能量、抵抗變形的重大作用，可以定義為主要承力部件；另外，相反，有些零部件對車身抗撞性能的影響較小，修改其結構參數并不會對車身抗撞性能帶來較大影響，將該類零部件稱作非承力部件。

進行主要承力部件與非承力部件劃分的目的，是將車身總成所有影響車身抗撞性能的零部件作為一個集合，通過上文得出：主要承力部件是車架縱梁、后保險杠，改進的目的是減小侵入量使生存空間得到有效地改善，運用新型材料是當今汽車行業的新趨勢，新材料不僅有性能好、質量輕等優勢，還能節約相應的鋼材料，基于此現狀，本文選取了高分子、鋁合金、長纖維增強熱塑性塑料等輕量化材料(見表3)，將不同材料和零件相匹配，仿真得出侵入量-時間曲線圖、加速度-時間曲線圖(見圖6)。

表3 縱梁、保險杠的材料參數

圖6 各材料參數下侵入量時間-曲線圖圖注：LFRT-長纖維增強熱塑性塑料；KLFRT-超強長纖維增強熱塑性塑料，GMT-玻璃纖維增強型熱塑性塑料，Aluminium-鋁合金

圖6是經過材料改進之后的各評價指標的時間曲線圖，相應的最大值列于表4，從圖6中可以看出優化改進之后碰撞開始時刻曲線走勢沒有太大的變化，等到撞擊進行到75 ms時，在GMT材料下關鍵部件的侵入量明顯低于其他材料，到碰撞結束時，即150 ms時，呈現出最大值，其最大值也遠遠低于其余高分子材料和原始材料，從表4可以看出，用GMT替換原來的材料后，車門立柱、車門內層、底板縱向的侵入量分別減小為原來的64.5%、14.3%、91.4%，由于底板縱向侵入量的減小，即使垂向侵入量增大，也不會影響后座椅乘員艙的生存空間。但是通過優化改進，對于沖擊加速度沒有太大的影響。

表4 優化前后各評價指標的對比

5 結 論

以兩輛某款SUV汽車為研究對象，建立車—車速度差為80 km/h、兩中心線夾角為0°、η=30%的重疊率追尾碰撞的模型，通過仿真分析，找出最差工況的主要承力部件，針對此零部件進行優化改進，選取當下應用最多的合成材料LFRT(長纖維增強熱塑性塑料)、KLFRT(超強長纖維增強熱塑性塑料)、GMT(玻璃纖維增強型熱塑性塑料)、Aluminium(鋁合金)，從仿真結果可以看出新型材料可以很好的抵抗來自A車的沖擊，使得乘員艙變形量處于安全范圍內；在以上4種材料中，效果最明顯的是合成材料GMT(玻璃纖維增強型熱塑性塑料),因此，改進后B車各項衡量指標下降明顯，提高了其車體結構耐撞性。通過此次的研究分析提出了單獨改變每一個變量對車體耐撞性評價指標的影響以及根據參數分析合理調整各部件剛度進行優化改進的思路。通過對優化結果的評價，驗證了優化方案的可行性，為提高追尾碰撞安全性、縮短汽車研發周期提供提供理論依據。