基于薄壁梁力學(xué)分析的車(chē)身吸能結(jié)構(gòu)快速預(yù)測(cè)模型

游 潔，陳 東，耿富榮

（廣州汽車(chē)集團(tuán)股份有限公司 汽車(chē)工程研究院，廣東 廣州 511434）

前言

在車(chē)身前期概念設(shè)計(jì)階段，汽車(chē)設(shè)計(jì)的重要任務(wù)就是完成各個(gè)零部件、系統(tǒng)的選型，并滿(mǎn)足他們的布置和造型要求的工程結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)轉(zhuǎn)化，此階段的設(shè)計(jì)如同一張白紙，其輸入會(huì)頻繁發(fā)生變化，并且需要結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)能快速響應(yīng)，確定方案可行性[1]，因此如何提升布置造型的碰撞吸能空間可行性校核并快速獲取車(chē)身碰撞結(jié)構(gòu)參數(shù)是提升前期碰撞結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)效率的關(guān)鍵。

目前國(guó)內(nèi)外已有大量車(chē)身正面碰撞的基礎(chǔ)設(shè)計(jì)要素相關(guān)的研究，文獻(xiàn)列舉了某款車(chē)的前端碰撞各時(shí)刻下的車(chē)速和車(chē)體變形及碰撞壁障載荷的變化趨勢(shì)，能直觀體現(xiàn)各時(shí)刻下車(chē)體的變化和布置的變化，導(dǎo)致速度的變化等[2]。文獻(xiàn)詳細(xì)闡述了車(chē)體正碰下的基礎(chǔ)動(dòng)力學(xué)模型，將車(chē)體視作一個(gè)質(zhì)點(diǎn)，構(gòu)建出速度、加速度和變形的相關(guān)數(shù)學(xué)公式[3]。文獻(xiàn)對(duì)薄壁梁結(jié)構(gòu)進(jìn)行正碰壓潰力的研究，描述了薄壁梁在軸向壓潰下的載荷變化[4]。文獻(xiàn)對(duì)薄壁梁的翻邊設(shè)計(jì)、截面的寬高比、動(dòng)靜態(tài)壓潰速率對(duì)于薄壁梁的軸向壓潰力的影響進(jìn)行研究分析和經(jīng)驗(yàn)匯總[5]。

本文結(jié)合薄壁梁設(shè)計(jì)理論和車(chē)身正碰設(shè)計(jì)流程，制定車(chē)身前端吸能結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)技術(shù)路線(xiàn)，通過(guò)梳理歸納車(chē)身吸能正碰結(jié)構(gòu)的影響因素和設(shè)計(jì)要素，提煉出薄壁吸能結(jié)構(gòu)預(yù)測(cè)模型的輸入輸出變量及其相關(guān)關(guān)系，最終構(gòu)建預(yù)測(cè)模型，并通過(guò)實(shí)例驗(yàn)證完成車(chē)身吸能結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)。

1 技術(shù)路線(xiàn)

車(chē)身正面碰撞結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)優(yōu)先基于全正碰工況進(jìn)行分析，在滿(mǎn)足全正碰工況要求下，設(shè)定碰撞吸能空間和最大加速度要求，其他工況則基于全正碰工況下的碰撞吸能空間要求，通過(guò)加速度和結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的匹配達(dá)成相關(guān)要求。

車(chē)身正面碰撞結(jié)構(gòu)主要包括前端吸能結(jié)構(gòu)、中、后部抵 抗變形結(jié)構(gòu)組成，前端吸能結(jié)構(gòu)通過(guò)結(jié)構(gòu)變形分散能量，中、后部抵抗變形結(jié)構(gòu)則需盡量避免變形保證乘員艙中人體的安全。

車(chē)身碰撞吸能結(jié)構(gòu)主要包括機(jī)艙縱梁前端、上邊梁前端、防撞梁本體及其吸能盒等結(jié)構(gòu)，在碰撞過(guò)程中承擔(dān)主要吸能作用，減少后部能量傳遞到乘員艙影響人體安全。步驟如下：

（1）基于全正碰工況下乘員傷害要求設(shè)定碰撞過(guò)程中的最大加速度要求；

（2）基于碰撞結(jié)構(gòu)傳力路徑選定碰撞吸能效率；

（3）基于布置和造型約束計(jì)算分析碰撞吸能空間；

（4）基于最大加速度要求和碰撞性能效率系數(shù)獲得平均碰撞力；

（5）基于整車(chē)分配碰撞力占比后的機(jī)艙前端結(jié)構(gòu)碰撞力；

（6）基于車(chē)身前端結(jié)構(gòu)碰撞力需求獲得結(jié)構(gòu)尺寸參數(shù)設(shè)計(jì)。

基于上述步驟，確定技術(shù)路線(xiàn)圖如下：

圖1 預(yù)測(cè)模型技術(shù)路線(xiàn)圖

2 構(gòu)建預(yù)測(cè)模型

2.1 輸入和輸出分析

基于預(yù)測(cè)模型構(gòu)建的技術(shù)路線(xiàn)圖，車(chē)身吸能結(jié)構(gòu)參數(shù)預(yù)測(cè)模型的輸入包括車(chē)身碰撞設(shè)計(jì)參數(shù)和吸能結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)變量，具體如表1所示。

表1 預(yù)測(cè)模型各參數(shù)及變量說(shuō)明

基于預(yù)測(cè)模型構(gòu)建的技術(shù)路線(xiàn)圖，車(chē)身吸能結(jié)構(gòu)參數(shù)預(yù)測(cè)模型的輸出包括薄壁梁吸能結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)參數(shù)和截面重量，具體如表2所示。

表2 預(yù)測(cè)模型各輸出及相關(guān)說(shuō)明

2.2 搭建數(shù)學(xué)模型

基于上述模型的輸入和輸出分析，預(yù)測(cè)模型如下：

目標(biāo)函數(shù)：

其中m基于設(shè)計(jì)變量截面寬度w，截面高度h和截面厚度t及材料密度ρ計(jì)算獲得，相關(guān)計(jì)算分析具體如下：

基于吸能空間校核分析，若amax1≤amax2則吸能空間滿(mǎn)足要求，若不滿(mǎn)足則需通過(guò)優(yōu)化布置，提升吸能空間，或通過(guò)調(diào)整約束系統(tǒng)要求，提高amax2以達(dá)到相關(guān)要求，在amax1=amax2下，布置空間與性能需求達(dá)到平衡。

結(jié)合上述計(jì)算分析和相關(guān)要求可知車(chē)身前端碰撞力Favg2為：

基于薄壁梁壓潰理論分析，薄壁梁壓潰力曲線(xiàn)中Pm是薄壁梁的靜態(tài)壓潰平均力，Pmax是薄壁梁的靜態(tài)壓潰最大力，P1和P2是薄壁梁壓潰過(guò)程中的高峰值和低谷值，t是薄壁梁材料料厚，b是薄壁梁的邊長(zhǎng)，σy是薄壁梁材料的屈服強(qiáng)度，相關(guān)計(jì)算公式如下：

基于薄壁梁壓潰效能的提升，一般薄壁梁壓潰過(guò)程中的碰撞吸能效率如下：

其中w，h和σy其需在一定設(shè)計(jì)輸入范圍內(nèi)選取，假定如下：

2.3 實(shí)現(xiàn)快速預(yù)測(cè)模型

基于EXCEL和ACCESS辦公軟件實(shí)現(xiàn)預(yù)測(cè)模型的自動(dòng)優(yōu)化迭代和快速分析，輸入界面如下圖所示：

圖2 快速預(yù)測(cè)模型輸入界面示意圖

圖中藍(lán)色區(qū)域?yàn)樵O(shè)計(jì)定義區(qū)域，其中結(jié)構(gòu)參數(shù)和材料參數(shù)中的厚度、強(qiáng)度均為一定范圍的變量，需迭代優(yōu)化出最佳結(jié)果。

結(jié)果輸出界面如下圖所示：

圖3 快速預(yù)測(cè)模型輸出界面示意圖

圖中綠色區(qū)域?yàn)檩敵鲱A(yù)測(cè)值，其中碰撞吸能空間和車(chē)身吸能結(jié)構(gòu)平均碰撞力為計(jì)算值，截面重量、寬度、高度、厚度和強(qiáng)度均為迭代優(yōu)化值，實(shí)現(xiàn)性能達(dá)標(biāo)下結(jié)構(gòu)最輕化。

3 案例應(yīng)用分析

利用上述預(yù)測(cè)模型在概念設(shè)計(jì)前期即可對(duì)車(chē)身關(guān)鍵吸能結(jié)構(gòu)進(jìn)行參數(shù)化結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，基于吸能空間的預(yù)測(cè)要求，分解到機(jī)艙內(nèi)的變形量為270 mm，前圍入侵量為50 mm，共320 mm（大于312 mm碰撞吸能空間要求），通過(guò)CAE驗(yàn)證分析結(jié)果如下：

表3 碰撞吸能結(jié)構(gòu)參數(shù)預(yù)測(cè)與驗(yàn)證結(jié)果匯總表

基于上述各項(xiàng)指標(biāo)對(duì)比，通過(guò)預(yù)測(cè)后的結(jié)構(gòu)參數(shù)設(shè)計(jì)的車(chē)身前端吸能結(jié)構(gòu)在后期設(shè)計(jì)中驗(yàn)證效果較好，滿(mǎn)足各項(xiàng)要求。

4 結(jié)論

本文結(jié)合薄壁梁壓潰基礎(chǔ)理論分析知識(shí)和項(xiàng)目應(yīng)用，證 明車(chē)身碰撞吸能結(jié)構(gòu)快速預(yù)測(cè)模型確實(shí)能在設(shè)計(jì)前期高效地平衡布置和性能，獲得最佳的設(shè)計(jì)參數(shù)，提高設(shè)計(jì)效率，規(guī)避后期的設(shè)計(jì)風(fēng)險(xiǎn)。模型的搭建、工具化和驗(yàn)證效果總結(jié)如下：

（1）結(jié)合基礎(chǔ)理論知識(shí)，提煉歸納設(shè)計(jì)輸入?yún)?shù)、變量和輸出變量。

（2）通過(guò)物理、力學(xué)公式構(gòu)建計(jì)算邏輯關(guān)系，搭建基礎(chǔ)數(shù)學(xué)預(yù)測(cè)模型。

（3）搭載Access數(shù)據(jù)庫(kù)工具，實(shí)現(xiàn)自動(dòng)迭代優(yōu)化功能，快速預(yù)測(cè)參數(shù)。

（4）模型設(shè)置輸入和輸出兩個(gè)界面，其中輸入界面可基于數(shù)據(jù)樣本的積累和變化，實(shí)現(xiàn)預(yù)測(cè)模型的更新完善。

（5）在案例應(yīng)用上，模型簡(jiǎn)單，輸入輸出明確，分析高效，前期概念預(yù)測(cè)與后期詳細(xì)設(shè)計(jì)分析驗(yàn)證結(jié)果符合度高，一致性好。