汽車前保各因素對碰撞吸能的影響及優化

徐 寬，王秋雨，呂 浩，趙 光,程加遠

(1.河鋼集團唐鋼公司技術中心, 河北 唐山 063016；2.燕山大學國家冷軋板帶裝備及工藝工程技術研究中心,河北 秦皇島 066004)

0 前言

隨著社會的發展，汽車作為主要的出行工具，汽車保有量的不斷提升。根據中國汽車工業協會的數據，2000年時，中國汽車的銷售量僅為210萬輛，而當2017年時，中國汽車銷售量達到2 915萬輛。汽車保有量的提升在帶來社會經濟效益以及便利的同時，伴隨而來的是環境與能源問題也隨之日益嚴峻。研究表明，整車質量的降低可有效降低碳排放及能源消耗[1]，因此國內外研究機構都將汽車輕量化技術研究作為重點研究項目。根據數據統計，我國汽車碰撞事故占總事故數的32%，是導致事故死亡人數最多的原因。前保系統是正面碰撞發生時汽車首先受到沖擊的部分，其主要由保險杠和吸能盒組成[2]。汽車前保系統在正面碰撞具有極其重要的作用，其性能優劣直接影響對車身和成員的保護效果[3]。因此，在保證汽車碰撞安全性的前提下，對汽車輕量化進行研究十分重要。

目前，對汽車前保的輕量化研究主要集中在新材料替換、基于仿真結果改進以及拓撲優化等方面[4-6]，并取得許多十分重要的成果。徐中明等人使用鋁合金材料代替鋼材制造前保，其鋁合金前保方案較鋼制前保方案減重31%，且正面100%重疊碰撞工況下總吸能增加7.2%[4]。李鳳宸等人對汽車前保險杠及吸能盒進行碰撞仿真，并通過hyperstudy對其進行優化，其優化后的保險杠系統質量降低了9.6%，縱梁前端截面力峰值略有降低，保險杠系統吸能略有增加，整車碰撞的安全性沒有下降[5]。何濤等人基于拓撲優化方法對重型卡車前保險杠進行優化設計，其優化設計后的前保險杠重量明顯下降，結構剛度、吸能效果等均達到安全要求[6]。這些研究成果為指導前保的優化設計及進一步研究十分重要的基礎。然而，由于研究側重不同，很少有學者研究汽車前保各部件的材料及厚度對前保吸能的影響并依此為依據進行前保輕量化工作。

本文基于有限元計算前保碰撞吸能，采用正交實驗法，以前保正面低速碰撞吸能作為性能指標，利用極差分析和方差分析，研究汽車前保各部件材料及厚度對其性能指標的影響。最后，基于各因素對吸能的影響，綜合分析得到汽車前保優化方案。

1 碰撞模型

碰撞過程屬于動態大位移和大變形問題，對于大變形問題，目前主要采用更新拉格朗日算法模型[7]。更新拉格朗日算法模型為

(1)任一質點的運動軌跡方程

xi=xi(Xj,t) (i,j=1,2,3)

(1)

式中，Xj為質點的初始位置。

(2)任意時刻質點X的空間坐標為

xi(Xj,t)=NiXIi(t)

(2)

式中，NI為節點I的形函數。

ui(X,t)=xi(X,t)-Xi=NI(X)uiI(t)

(3)

式中，uiI為節點I的位移。

同理，單元內任一點的速度、加速度、變形率和虛速度為

(4)

式中，BI為拉普拉斯變換式；Dij為變形率；δvi為質點X的虛速度；δviI為節點I的虛速度。

t0時刻的初始條件為

(5)

動量守恒方程為

(6)

滿足以下邊界條件:

(1)應力邊界條件。

(7)

(2)位移邊界條件。

(8)

式中，σij為歐拉應力；ρ為現時構形中的介質密度；bi為作用于單位質量上的應力。

取虛速度為加權系數，通過加權余量法及分步積分，式(6)可寫為

(9)

式中，v為瞬時速度；ti為面力；dA為物質面元。

將式(4)寫為矩陣形式，并帶入式(9)中，可得動力學微分方程

(10)

2 汽車前保模型

圖1為汽車前保模型，其由保險杠和吸能盒組成。為便于區分組成汽車前保的各個零件，在圖1中分別對各個零件進行命名。計算中所需參數見表1。

圖1 汽車前保模型

表1 計算參數

碰撞過程中，前保吸能盒底部約束全部自由度，剛性墻以恒定速度10 m/s與前保發生碰撞。圖2為汽車前保碰撞過程中各時刻的變形情況。圖3為剛性墻力-時間曲線。

圖2 汽車前保碰撞過程變化情況

圖3 剛性墻力-時間曲線

由圖2和圖3可知，碰撞開始后5 ms時，前保外橫梁中部首先與剛性墻接觸，后發生變形，變形過程中力由下橫梁傳遞給吸能盒，但由于此時碰撞侵入量較小，侵入能主要由前保外橫梁吸收，前保整體受力較小。碰撞開始后10 ms時，剛性墻侵入量增加，前保外橫梁變形量基本達到最大，吸能盒上部和下橫梁發生變形，以吸收侵入能。碰撞開始后15 ms時，前保下橫梁變形量基本達到最大，吸能盒上部變形量增大，此時侵入能主要由吸能盒吸收。碰撞開始后20 ms時碰撞結束，吸能盒變形基本達到最大，前保基本被壓潰，此時應為前保變形吸能最大位置。由此可發現，碰撞過程中汽車前保各部件所承擔的功能不一，且碰撞過程中變形情況也各有差異。因此，各部件對汽車前保的影響也存在差異。

為進一步研究汽車前保中各因素對碰撞吸能的影響，設計正交實驗分析各因素對碰撞吸能的影響。正交實驗設計為8因素2水平1中心點如表2所示。

表2 正交實驗設計表

3 結果與分析

完成正交實驗設計的仿真方案，對仿真數據進行計算處理，計算其標準化效應，所得結果如圖4所示。

圖4 標準化效應

由圖4可知，內吸能盒的材料及厚度和外吸能盒的材料及厚度對前保系統吸能存在顯著影響，而其他因素對前保系統吸能的影響不顯著。因此，汽車前保的輕量化，應重點關注內吸能盒和外吸能盒的材料及厚度。為進一步研究各因素對汽車前保系統吸能的影響規律，計算各因素對吸能的主效應，如圖5所示。

圖5 各因素對吸能的主效應

由圖5可知，內吸能盒的材料及厚度和外吸能盒的材料及厚度取上值時，汽車前保系統吸能較大，上橫梁材料、下橫梁材料、上橫梁厚度、下橫梁厚度取中值其吸能較大。

4 優化

基于本文研究結果，綜合考慮各因素對汽車前保系統吸能的影響，權衡吸能與重量之間的關系，得到優化方案如表3所示。該方案前保總重4.538 kg,原方案前保總重5.387 kg，減重15.7%。為對比兩方案吸能不同，計算優化前后兩方案汽車前保吸能，結果如圖6所示。

表3 優化方案

圖6 優化前后吸能-時間曲線

由如圖6可知，當碰撞0～8 ms時，兩方案的吸能-時間曲線基本一致，即該時間段內兩方案吸能基本一致，其原因為此時主要是橫梁發生變形，吸能盒基本未發生大變形。這也說明了上下橫梁的材料和厚度的變化對汽車前保吸能的影響很小。當碰撞開始10 ms后，隨著吸能盒出現大變形，兩方案的吸能差異逐漸顯現，最終可得優化后汽車前保方案較原方案吸能提升114%。

5 結論

通過對汽車前保的正交實驗設計，以前保正面低速碰撞吸能作為性能指標，利用極差分析和方差分析，研究汽車前保各部件材料及厚度對前保吸能的影響。內吸能盒的材料及厚度和外吸能盒的材料及厚度對前保系統吸能存在顯著影響，其中內吸能盒材料對前保吸能的影響最為顯著，其次為內吸能盒厚度，當內吸能盒的材料及厚度和外吸能盒的材料及厚度取上值時，汽車前保吸能最大。上橫梁和下橫梁的材料和厚度對前保吸能影響很小。最后，基于正交實驗仿真結果，綜合考慮各因素對汽車前保系統吸能的影響，權衡吸能與重量之間的關系，得到前保優化方案。與原方案相比，減重15.7%，吸能提升114%。