汽車平臺化開發前艙空間的正向設計方法研究

侯延軍 楊帥 程豹 崔東

（中國汽車技術研究中心，天津 300300）

主題詞：前艙空間 G-S曲線 吸能率 平臺化 碰撞

1 引言

汽車安全性是汽車各項性能中最為重要的一項內容。各主機廠為了進一步控制開發成本，為了實現車型的家族化設計、并維持性能的高統一性，逐步推進了平臺化車型的設計。眾所周知，車型平臺化開發好處很多。例如可以實現平臺內各車型性能的高度一致性、傳承性；可以縮短開發周期，提升開發效率；可以提升零部件的應用率，進一步降低生產成本。平臺化概念最早的提出和踐行者應該是德國大眾集團，它在十幾年前就提出平臺概念并在產品開發上實施了平臺戰略，當年的PQ34/PQ35平臺也曾經是高品質的象征。如今的MQB平臺產品，已經占了大眾集團旗下銷量的一大半，是非常成功的平臺化典型案例。除了大眾集團以外，其它國外車企也紛紛實施了各自的平臺化戰略，比如寶馬的ULK平臺、通用的E2XX平臺、雷諾-日產CMF平臺，豐田甚至還拿出了超越傳統平臺概念的TNGA架構。國內外汽車研發的發展表明，平臺化將是當前乃至未來汽車界的主流技術方向。國內目前很多車企也加快了車型平臺化開發的步伐，如奇瑞的T1X、M1X平臺，吉利生產領克品牌的CMA平臺、長安提出的P1-P4平臺開發戰略等。

由于同平臺下車身架構基本一致，其生產的各車型，安全性能往往是處于強相關狀態：一旦此平臺架構出現安全性結構設計缺陷，就會導致同平臺各車型均出現安全性問題。因此在車型平臺化設計過程中，被動安全性能也將完成平臺化的開發，如何快速實現與車身強相關的安全性能的高質量開發，是擺在工程師面前的首要問題。而整車耐撞性安全性能的設計，關鍵是做好相關吸能空間的合理設計，以實現碰撞能量的合理吸收及碰撞力的合理傳遞[1]。前碰工況是道路交通安全事故的高發勢態，在前碰工況下，整車前艙結構是參與整車碰撞吸能的主要結構，在被動安全開發中需要充分考慮前艙結構及布置的設計。

在汽車前期設計開發中，找到合理的前艙空間需求至關重要，尤其在車身正向設計開發前期，車身架構是一個從無到有的過程，這使得建立前艙吸能空間模型非常困難。當前，機艙布置的研究集中在具體的部件布置間隙關系或整車尺寸的分析研究方面[2-3]，對前艙整體空間布置研究及空間布置和整車性能的關聯性影響分析比較少[4-5]。本文提出了一種基于能量統計的前艙空間設計及校核方法，基于此方法，可以在車型設計初期，幫助整車集成部門高效完成機艙的布置，輔助判斷當前車型規劃（如動總類型、質量分布、前艙布置設計）可滿足的安全性能覆蓋裕度。并為平臺化車型中各具體類型的車型安全目標設計提供指導。

2 前艙安全空間分析

2.1 前艙安全空間通用校核方法

當前，車型安全空間性能評估可通過幾個不同模式的典型碰撞工況進行：100%剛性墻碰撞、40%偏置碰撞、50%可變形壁障重疊碰撞、25%剛性小偏置碰撞。其中100%剛性墻碰撞工況，完全由評估車型的變形完成吸能，其能夠最大程度的體現前艙空間安全性能，且車身左右縱梁碰撞受力較為均衡[6]，適合對前艙空間評估進行研究，本文將基于100%正碰進行研究分析。

正面碰撞工況結構開發關鍵指標是整車加速度波形、乘員艙入侵[7]；理想的平臺化車身結構應實現以下2個功能：

（1）前機艙可充分吸收碰撞產生的能量；

（2）乘員艙不發生或者產生較小的變形；根據車型開發的不同階段，可通過以下3個技術方案進行整車結構安全性開發：

（1）預研與總布置階段，前艙安全空間評估與校核；

（2）詳細數據設計階段，仿真分析與優化；（3）整車集成驗證階段，實車摸底與優化。

機艙安全空間設計及布置設計，集中分布在第一個階段，此階段工作可以最大限度規避吸能空間不足導致的開發困難及開發失敗的風險；

常用的機艙變形空間評估方法如圖1所示。機艙安全空間計算方法是對S1/S2/S3進行累加，但是S1/S2/S3空間內，存在可變形體及接近于剛體的不可變形體，且各結構的變形模式不同，如圖2所示。其吸能效果也不盡相同，累加尺寸不能代表實際的有效安全空間。因此此方法雖然對碰撞安全性開發有一定的指導性，但是開發設計誤差較大。為了提高設計開發精度，需要找到一種更為合理的、精確的前機艙壓潰空間尺寸評估方法。

圖1 前艙空間統計示意

圖2 前艙中幾種典型的結構變形模式

2.2 一種全新的機艙空間統計方法

為了研究前機艙內各個空間段內結構變形吸能性能，我們將前艙結構劃分為以下6段，如圖3所示。

圖3 前艙空間區域劃分方案

圖3中，D1為防撞梁前端至吸能盒后端，主要的結構包括：防撞梁、吸能盒、前端模塊。D2為吸能盒后端至懸置前安裝點，主要結構包括縱梁前段、動總前段和發罩一部分。D3為懸置前安裝點至懸置后安裝點，主要為動總結構、輪胎和懸置。D4為懸置后安裝點至縱梁根部，主要結構為輪胎、輪轂、縱梁后段、發罩后段和副車架。D5為懸置后安裝點至縱梁根部，主要結構為A柱、前圍、指前梁結構。D6是地板前端至B柱，主要結構分布在乘員艙范圍內。

不同區域段的結構性能不同，在碰撞過程中變形模式不盡相同，其壓縮空間存在差異。同時，其變形吸能貢獻量也不盡相同?；趨^段特性進行統計數據分析，可以用于評估開發車型的前機艙吸能效果及指導各區段加速度波形的設計。

3 數據分析與擬合

3.1 前艙吸能空間數理分析

汽車碰撞中變形吸能過程是將汽車的動能轉化為變形能及其它形式能量的過程。為方便數據分析及統計，除去汽車碰撞后期的殘余動能，其剩余動能等同于碰撞過程中碰撞力所做的功。整車碰撞過程中，碰撞力、作用距離及結構變形吸能滿足如公式（1）。

式中，Ei為變形時刻的內能增量，Di為變形時刻的前艙壓潰量，Fi為變形時刻的碰撞力。

而整車加速度與碰撞力的關系滿足式（2）。

式中，mi為變形時刻的整車參與碰撞質量，ai是變形時刻的車身加速度。

通過公式1、2可以得出式（3）。

因此可以看出，當結構吸能一定時，增加壓潰空間Di可以有效的降低車體加速度，繼而緩解乘員受力，達到優化整車安全性的目的。

為了研究各截面段變形吸能效果及整車加速度關系，采用了多個成熟的整車結構耐撞性模型樣本，通過LS-DYNA有限元分析軟件進行數據分析[8]。樣本信息如表1所示。

表1 分析車型樣本信息

經過計算分析，對各個區域段內的所有參與變形結構的能量信息進行統計。在不同區段，其壓縮空間存在差異，如圖4所示。壓縮比例最大截面集中在D1D2段；D5/D6壓縮比例較小，符合乘員艙較小變形的規律。同時，其變形吸能貢獻量也不盡相同，如圖5所示。基于區段特性進行統計數據分析，可以用于評估開發車型的前機艙吸能效果及指導各區段加速度波形的設計。

圖4 不同區域段壓縮量統計

圖5 不同區域段吸能量統計

為了有效評估不同空間、布置對車型加速度的影響，結合式（3），提出了一種加速度波形的簡化處理方法，既采用加速度當量來代表各段車身加速度情況。如式（4）所示。

式中，WDi為相應截面的內能變化量，MDi為相應截面變形過程中的參與計算質量，SDi為相應截面的位移量。

為方便統計與評估，假設每一截面段壓潰過程壓潰力為一恒定值，每一截面段參與計算的質量為一恒定值，每一段參與計算的質量分解如圖6所示。

圖6 各截面段參與動能變化的質量分解

以D1段為例，加速度當量的計算過程如下：通過統計仿真結果中D1段所有參與結構的內能變化來確定WD1，通過模型測量D1段參與計算的質量來確定MD1，通過對仿真結果的測量來獲取D1截面段的壓潰量SD1。最后應用式4可計算出D1截面段的加速度當量aD1。

根據各樣本車型的計算結果，計算各車身各截面段加速度當量分布如圖7所示。D4/D5段加速度過高的車型，說明整車壓潰后期，碰撞能量仍然過大；此類車型，前艙空間較為有限；

圖7 各截面加速度當量

3.2 G-S曲線擬合方案

根據式（4），只要確定各截面段的內能吸收量、參與計算的質量、以及實際的壓潰量，就可以計算出其加速度當量，繼而獲取G-S曲線。

各截面段的壓縮量等效處理方法：統計所有車輛的每個區段的壓縮量均值、上限和下限。分析每個區段的壓縮占比及布置參數，擬合出不同區段的壓縮公式：預估壓縮量=a·區段長度·f(m，p，c）（函數與整備質量（m）、動總類型（p）和零部件特性（c）相關），a為修正系數。圖8例舉了7個車輛模型，有限元分析每個區段的壓縮量和擬合壓縮量的參數進行對比情況。圖8中100%處標線為理想情況下擬合結果，表示擬合結果和仿真結果完全一致。

圖8 各車型壓縮量擬合情況統計

各截面段吸能等效處理方法：統計所有車輛的每個區段的吸能比率均值、上限和下限。分析每個區段的主吸能和零部件類型，擬合出不同區段的吸能公式：預估吸能量=b·總動能·f(f，d，s）（函數與主吸能結構（f）、壓潰量（d）+零部件吸能特性參數（s）相關），b為修正系數。圖9是例舉7個車輛模型，有限元分析D1區段的吸能量和擬合的吸能量參數進行對比。

圖9 各車型D1截面段吸能擬合情況統計

各截面段參與碰撞質量的等效處理方法：統計所有車輛的每個區段的質量占比，以及對應的車體入侵量。根據車體總質量、每個區段的質量及區段特性，提出每個區段的質量密度，建立擬合公式：等效質量=總車重·（區段密度·區段長度）；計算質量=整車整備質量-（等效質量和）。圖10是例舉7個車輛模型，實測每個區段的質量和數學擬合質量的參數進行對比。

圖10 各車型等效質量擬合情況統計

根據以上等效數據的擬合情況，基于數學方法，并根據車型的信息，對G-S曲線進行了計算并修正，計算的G-S曲線和實車碰撞分析的G-S曲線對比如圖11所示。

圖11 數值分析G-S曲線和碰撞模型G-S曲線對比

4 總結及應用

在總布置及概念設計階段，通過主機廠提供的有限的物理參數信息，采用本文所述的擬合方案，可以基于經驗方案獲取其G-S曲線，如圖12所示。這樣就彌補了本階段由于數據狀態不足以完成仿真分析而無法獲取G-S曲線的缺陷，使得被動安全性能開發，更早一步的介入到整車開發中來。

圖12 G-S曲線評估方案

前文所述，不同截面段由于結構特性差異及變形差異，其吸能效果不盡相同。因此，提出了吸能率的概念用以表征各區域段的吸能效果，既單位長度的結構變形吸收能量的能力，吸能率可以用式（5）表示。

結合仿真統計結果，可以進一步定義本區域段的高吸能率及低吸能率，如圖13所示。以D1段為例，其吸能率平均值約為320 J/mm，最高吸能率為480 J/mm，最低吸能率為260 J/mm。

圖13 不同截面段吸能率統計

根據各截面段不同吸能率的情況，判斷出此截面段的加速度當量值，繼而判斷出此截面段的實際吸能性能：如處于高吸能率階段，則此截面段的吸能空間已經利用的較為完全，存在極小可進一步優化吸能的空間。如處于低吸能率階段，則說明此截面段的空間吸能還沒有很好的利用，存在進一步優化吸能空間。根據不同吸能率情況，圖14列舉了某款車的G-S曲線評估情況?？梢钥闯?，在D2D3階段，G-S曲線處于下限區間，說明在D2/D3階段，還存在加速度進一步優化的空間：為了提升此截面段的吸能性能，可以適當提升此截面段的加速度值。

圖14 不同吸能率情況下評估的G-S曲線

本方法應用總結如下。

（1）可以在車型規劃階段，評估車型結構耐撞性安全的優劣程度。

根據整備質量得到所需吸收總能量，只要主吸能結構吸能能力強，區塊長度尺寸充分，評估G-S曲線，減速度載荷適中，即可滿足要求。

（2）根據車身平臺結構初步規劃方案，應用此方法可以評估平臺車型的安全級別范圍。車身數據定義完成，調整整備質量范圍、動力總成特性、零部件布置等，評估G-S曲線，使曲線達到吸能極限上限，既為此平臺車型的結構耐撞性安全性能極限。

（3）如果車身碰撞性能不佳，可以判斷其前期規劃的吸能空間利用不足。整備質量確定，車型參數確定，評估G-S曲線，曲線在均值和最大值之間即達到吸能空間的充分利用，曲線在最小值附近，說明該空間沒有充分利用。