貨車后置防撞墊輕量化設計

劉美剛

摘要：貨車后置防撞墊是針對養護公路專用車的一種外掛防撞裝備，主要用于減輕追尾碰撞帶來的傷害。本論文利用正交試驗法，以多工況碰撞下車體的x、y、z三方向的最大加速度作為評價指標，對后置防撞墊吸能盒截面參數進行尺寸優化。最后，進行多工況碰撞下優化前后后置防撞墊的仿真分析，結果表明優化后的后置防撞墊較優化前緩沖性能更優。

關鍵詞：后置防撞墊;有限元;正交試驗

中圖分類號：U272.6? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? 文獻標識碼：A? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? 文章編號：1674-957X（2021）14-0023-02

0? 引言

貨車后置防撞墊是外掛在汽車尾部的碰撞緩沖裝置，當發生追尾碰撞時，通過內部的吸能盒變形吸能，從而來保護追尾車輛及被撞車輛的財產和人員。康剛[1]通過對實物防撞墊進行建模及碰撞仿真研究，驗證了防撞墊的實際吸能效果。田應仲[2]等人設計了一種TS級可導向防撞墊，利用了有限元仿真以及實車試驗進行多工況測試，發現該防撞墊滿足TS級標準。為了節約能源，應在傳統材料的基礎上，對吸能盒的結構尺寸進行優化。

1? 后置防撞墊碰撞仿真模型的建立

1.1 后置防撞墊仿真模型的建立? 相比較于實車碰撞，計算機仿真可以大大減少研發周期和成本。本論文首先在三維制圖軟件UG中建立后置防撞墊三維模型，然后利用Hypermesh軟件對防撞墊各部件進行網格劃分、賦予材料和屬性。同時，設置接觸、約束和計算參數，最終得到由單元和節點構成的后置防撞墊CAE模型（如圖1所示）。

1.2 碰撞條件及評價指標? 本論文根據《公路護欄安全性能評價標準》JTG B05-01-2013，考慮到公路養護車輛使用工況多為城市道路，因此將防撞墊的防護等級選為TB級（60km/h），碰撞的工況選取正碰、斜碰、偏碰和正向側碰四個工況，碰撞車型選取1.5t小型汽車。評價防撞墊的耐撞性時，主要從兩方面進行評價，一方面是定性評價，指在發生碰撞過程中，防撞墊零部件不可以侵入駕駛室且不能翻車，另一方面是定量評價，碰撞過程中車輛質心處x、y、z三方向的最大加速度不得大于20g。

2? 正交試驗設計

作為一門工程化的科學設計方法，正交試驗法是借助正交表合理的將各因素水平進行組合，在不影響試驗質量的前提下減少試驗次數，從而得到最優的水平組合[3-4]。

2.1 因素和水平的選取? 本文所設計的吸能盒截面參數，如圖2所示，主要是截面的厚度A、截面的寬度B以及截面的長度C。改變這三個因素中的任意一個都會對試驗結果產生影響，因此正交試驗的三個因素選定為這三個變量。現有后置防撞墊截面尺寸約為厚度A=2mm、寬度B=400mm、長度C=550mm。根據單因素分析法，對車輛—后置防撞墊進行碰撞仿真試驗，以評價標準的測量值是否超過評價標準允許值來確定各因素水平的上下限，因素水平見表1。

2.2 試驗結果分析

依據正交表L16（43）提供的數據組合，根據評價標準，每次試驗分別對小車進行正碰、偏碰、斜碰、正向側碰四個工況，將四個工況中x、y、z三方向最大的加速度值作為正交試驗考核指標，試驗結果如表2所示。

對各試驗因素響應的目標值進行極差分析，其極差分析結果見表3。

極差越小說明該因素的水平變化對試驗的影響越小，表3數據說明三個因素對試驗的影響大小排序為C>A>B，得到本實驗最佳組合：A1B2C4，所以選取優化后截面厚度為A=1mm，寬度為B=400mm，長度為C=650mm。

3? 優化前后對比及最優組合驗證的仿真分析

基于上文提到的評價標準，以1.5t小型客車60km/h對吸能盒尺寸優化前后的后置防撞墊進行正碰、斜碰、偏撞、正向側碰多工況碰撞仿真進行分析，圖3為優化后仿真變形過程。

如圖3所示，通過對小車—后置防撞墊的仿真結果分析可知：車輛碰撞后車輛姿態良好，不會發生翻車、掉頭橫轉現象，滿足定性評價指標。

優化前后4種工況加速度曲線如圖4所示，峰值加速度數據如表4所示。

如圖4和表4所示，優化后的后置防撞墊在四種碰撞工況下，車體質心最大加速度均沒有超過法規要求的20g，滿足定量評價指標，且優化后的車體質心最大加速度均要小于優化前的車體質心最大加速度。

4? 結論

本文基于碰撞法規建立車-后置防撞墊碰撞仿真模型，并結合正交試驗設計方法對吸能盒截面尺寸優化設計，優化后的后置防撞墊滿足碰撞法規要求，與優化前相比較緩沖性能更優，能更好的保護乘員安全。

參考文獻：

[1]康剛.貨車后置防撞墊碰撞仿真研究[D].華北電力大學，2017.

[2]田應仲，吳志鵬，李龍，魏偉，張榮.基于加強型共面蜂窩的可導向防撞墊吸能特性探究[J].工業控制計算機，2020，33（06）：28-30.

[3]都軍民，孫卓.一種柵格形緩沖裝置結構設計方法研究[J].機械強度，2011，33（6）：850-854.

[4]雷正保，趙仕琪，李鐵俠.電動汽車頭部碰撞相容性拓撲構型的優化設計[J].中國科技論文，2015，10（7）：817-820.