基于有限元法的多級吸能式防撞墊碰撞仿真分析

王新WANG Xin；張穎ZHANG Ying；高揚GAO Yang

（①天津職業大學汽車工程學院，天津 300410；②天津職業大學藝術工程學院，天津 300410；③中交華安科技（天津）有限公司，天津 300401）

0 引言

乘用車與專用汽車發生的追尾事故是最為嚴重的交通事故類型之一[1]，我國現行的施工、作業類專用汽車后下部防護裝置基本為鋼材或鋁材焊接而成的框架結構，此結構僅符合GB 11567-2017規定的靜態壓力測試，但在實際追尾事故中，此結構難以有效吸收碰撞能量并阻止乘用車侵入車底，從而造成嚴重的人員傷亡和車輛損毀[2]。

近年來，國家及地方相關部門相繼出臺文件，嚴格要求從安全設施配備等方面強化道路施工、作業安全管理；依據法規中道路施工、作業車輛需加裝防撞墊的要求，以及危化品運輸車輛加裝防撞墊的需求，防撞墊產品迎來市場的爆發期。

同時，目前國內市場主流單級式防撞墊產品，由于只包含單一吸能箱體，即使在輕度碰撞后也需整體更換，其性能缺陷難以滿足市場多元化的應用需求，因此，多級吸能式防撞墊的研發與應用成為亟待解決的問題。

本文運用CAE碰撞仿真分析軟件LS-dyna進行所設計多級吸能式防撞墊的碰撞仿真分析及優化，驗證方案的碰撞性能參數并分析可行性。

1 吸能式防撞墊碰撞吸能原理

轎車追尾專用車輛造成乘員傷亡的原因包括擠壓傷害及二次碰撞傷害。其中造成擠壓傷害的原因為轎車過大的碰撞變形，導致發動機等剛性較大部件向后侵入駕駛室，乘員生存空間喪失；二次碰撞傷害是由于乘員與約束系統碰撞造成的，而二次碰撞傷害程度取決于碰撞加速度數值，過大的碰撞加速度將導致過大的傷害[3]。

吸能式防撞墊安裝在專用車輛尾部，當轎車追尾專用車輛時，通過防撞墊內部吸能單元的軸向壓潰變形吸收碰撞的能量，能夠有效降低轎車的變形量及碰撞加速度，進而保護車內乘員的安全。

在被動安全領域，壓潰變形是最有效的碰撞吸能方式，以下以單級吸能式防撞墊為例說明其結構及碰撞吸能原理，防撞墊包體內設置多層吸能單元，在碰撞過程中通過吸能單元的壓潰變形吸收碰撞能量，通過多排吸能單元組合形成不同防撞等級系列化產品，吸能式防撞墊幾何模型如圖1所示，吸能式防撞墊內部吸能單元結構如圖2所示。

圖1吸能式防撞墊幾何模型

圖2吸能式防撞墊內部結構

2 多級吸能式防撞墊結構原理

目前，為保證乘員碰撞安全，乘用車正面碰撞過程中，車輛加速度一般控制在40g以下，避免乘員在二次碰撞過程中造成嚴重損傷。

同時，GB 11567-2017《汽車及掛車側面和后下部防護要求》國家標準[4]、QC/T 1129-2019《特種車輛后部防撞吸能裝置》行業標準[5]，均規定碰撞試驗臺車加速度不大于40g，以降低后方追尾車輛乘員的傷害。

多級吸能式防撞墊能夠提供多級碰撞緩沖保護，低速、中速、高速追尾碰撞時，一級、二級、三級碰撞緩沖裝置分別起主要的緩沖吸能作用，低速度等級追尾碰撞時，不得損傷高等級吸能裝置，以保證維修經濟性。所設計多級吸能式防撞墊分三級吸能緩沖裝置，分別在低速（速度≤10km/h）、中速（10km/h＜速度≤30km/h）、高速（速度≥30km/h）追尾碰撞時起到主要的緩沖吸能作用，中、低速等級追尾碰撞時，碰撞加速度不得大于40g，高速追尾碰撞時，通過增減三級碰撞吸能裝置的縱向尺寸，實現不同防撞速度等級產品的研發，同時滿足QC/T 1129-2019法規要求的加速度不大于40g的要求。

支撐框架的設計需滿足低速追尾碰撞時，支撐框架能夠提供可靠支撐；中速追尾碰撞時，支撐框架能夠可靠支撐二級碰撞緩沖裝置，保證其內部吸能單元的穩定壓潰變形，并且當超過支撐框架的極限剛度時，在誘導結構的作用下發生折彎變形，避免由于支撐框架的剛度過大導致碰撞加速度過高；高速碰撞時，支撐框架在有效支撐二級碰撞緩沖裝置充分壓潰吸能后發生彎折變形，進而不影響三級碰撞緩沖裝置的緩沖吸能效果，多級吸能式防撞墊結構如圖3所示，其結構主要包含一級碰撞緩沖裝置、二級碰撞緩沖裝置、三級碰撞緩沖裝置，以及用于支撐一、二級碰撞緩沖裝置的支撐框架，同時支撐框架設置變形誘導結構，當超過其承壓極限時，支撐框架發生折彎變形，本文所述支撐框架采用帶弧度的型材，以其弧度作為變形誘導結構。

圖3多級吸能式防撞墊示意圖

3 有限元碰撞仿真模型搭建

目前，有限元碰撞仿真分析已成為汽車被動安全領域最主要的研發手段，能夠有效縮短研發周期，降低試驗費用。有限元仿真模型能夠準確模擬結構特征、材料特性、連接關系、仿真工況等，并得到高精度的仿真模型。

一級碰撞緩沖裝置為樹脂防護罩，二級、三級碰撞緩沖裝置為鋁合金材質，支撐框架采用Q235方鋼管及圓管焊接而成；應用Hypermesh作為前處理軟件進行有限元模型的搭建，采用四邊形殼單元進行各部件的網格劃分，為保證計算精度，單元邊長定義為10mm，關鍵部位定義為8mm，根據材料拉伸試驗曲線定義各部件材料屬性，二保焊及鉚接采用RBE2單元模擬[6]。

碰撞臺車選用QC/T 1129-2019法規碰撞試驗規定的1.5T全寬臺車，臺車框架采用mat20剛性單元定義，輪胎采用橡膠材質并模擬標準氣壓，臺車框架左右分別設置加速度傳感器，用于測量碰撞加速度，臺車前端剛性避障表面采用20mm厚度膠合板材質模擬，定義完成的有限元碰撞仿真模型如圖4所示。

4 吸能式防撞墊碰撞性能分析

4.1 低速碰撞分析

低速碰撞臺車初始速度設定為10km/h，要求低速碰撞過程中，一級碰撞緩沖裝置，即前端樹脂防護罩能夠吸收碰撞能量，不得損傷二級鋁合金吸能裝置。

圖4多級吸能式防撞墊碰撞仿真模型

臺車以時速10km/h撞擊吸能式防撞墊，碰撞加速度出現單一峰值，最大值18g，加速度曲線如圖5所示。

圖5低速碰撞加速度曲線

圖7低速碰撞臺車最大侵入位置

碰撞過程中，僅一級碰撞緩沖裝置，即樹脂防護罩發生碰撞變形，碰撞開始及最大侵入位置如圖6所示；二級碰撞緩沖裝置碰撞過程中未發生明顯變形，最大侵入位置二級碰撞緩沖裝置變形如圖7所示，因此，在10km/h及以下低速碰撞時，僅需更換樹脂防護罩。

4.2 中速碰撞分析

多級吸能式防撞墊研發的關鍵在于支撐框架的剛度設計，需保證支撐框架能夠有效支撐一級、二級碰撞緩沖裝置，以保證其在低、中速碰撞過程中充分吸能。因此，支撐框架引入塑性鉸的設計理念，中速碰撞后期，支撐框架應產生塑性鉸變形，進而剛度迅速降低，以避免剛度過大導致加速度過高，同時，支撐框架的縱向變形量不應過大，導致中速碰撞過程中二級碰撞緩沖裝置接觸三級碰撞緩沖裝置，影響維修經濟性。

支撐框架采用彎曲的圓管，當碰撞力達到其屈服極限時，圓管中間位置產生塑性彎折。采用DOE分析方法對鋼管的外徑及壁厚進行2因子3水平試驗設計[7-8]，優化目標為臺車碰撞加速度最大值最小，優化約束條件為支撐框架縱向變形量，其變形量應滿足中速碰撞過程中，不得使二級碰撞緩沖裝置接觸三級碰撞緩沖裝置。

鋼管外徑系列為50mm、80mm、100mm，鋼管壁厚系列為3mm、4mm、5mm，共進行9次全因子仿真分析，在最大位移約束條件下，選擇碰撞加速度最大值最小的設計方案，最優方案為鋼管外徑80mm，壁厚4mm，以下就該方案的碰撞仿真結果進行分析。

中速碰撞，臺車以時速30km/h撞擊吸能式防撞墊，碰撞加速度最大值22.8g，加速度曲線呈現前高后低走勢，前期二級碰撞緩沖裝置壓潰變形，充分吸收碰撞能量；碰撞后期，當碰撞力超出支撐框架的承載極限時，支撐框架在26ms時發生折彎變形，隨著碰撞能量的降低及支撐框架的折彎變形，碰撞加速度隨之降低，碰撞加速度曲線如圖8所示。

圖6低速碰撞過程

圖8中速碰撞加速度曲線

中速碰撞過程前期，二級碰撞緩沖裝置充分壓潰變形吸收碰撞能量，支撐框架能夠有效支撐一級、二級碰撞緩沖裝置，碰撞過程前期變形情況如圖9所示；碰撞后期，支撐框架在誘導變形結構處產生塑性鉸變形，參與吸能并防止由于支撐剛度過大導致碰撞加速度的增加，碰撞最大侵入位置如圖10所示，可以看出三級碰撞緩沖裝置未發生變形，因此，在30km/h及以下低速碰撞時，僅需更換一級、二級碰撞緩沖裝置。

圖9中速碰撞過程前期

圖10中速碰撞最大侵入位置

4.3 高速碰撞分析

高速碰撞，以臺車時速80km/h撞擊吸能式防撞墊為例進行仿真分析，該工況下，碰撞加速度最大值38.2g，加速度曲線呈現前后高、中間低走勢，0.18s之前為一、二級碰撞緩沖裝置壓潰變形并吸收碰撞能量，當碰撞力超出支撐框架的承壓極限時，支撐框架產生折彎變形，加速度迅速下降；隨著三級碰撞緩沖裝置參與碰撞吸能，加速度曲線迅速攀升，碰撞后期加速度穩定在22g左右，高速碰撞加速度曲線如圖11所示。

圖11高速碰撞加速度曲線

高速碰撞過程中，一級、二級、三級碰撞緩沖裝置充分壓潰變形吸收碰撞能量；碰撞初期，支撐框架能夠有效支撐一級、二級碰撞緩沖裝置，使其能夠充分變形吸能，碰撞過程前期變形情況如圖12所示；碰撞后期，支撐框架在誘導變形結構處產生塑性鉸變形，進而支撐剛度迅速降低，避免由于剛度過大導致碰撞加速度過大；碰撞最大侵入位置如圖13所示，此時三級碰撞緩沖裝置參與碰撞吸能，通過內部吸能單元的壓潰變形吸收碰撞能量，直至完全吸收臺車動能。在高速碰撞時，需更換一級、二級、三級碰撞緩沖裝置。

圖12高速碰撞過程前期

圖13高速碰撞最大侵入位置

5 結論

針對所設計的多級吸能式防撞墊，建立其有限元碰撞仿真分析模型，以QC/T 1129-2019法規為依據進行10km/h、30km/h、80km/h正面臺車碰撞仿真分析，得出碰撞加速度、碰撞變形模式數據，通過數據分析發現，在低速、中速、高速碰撞過程中碰撞加速度均不大于40g，能夠有效保護追尾乘用車乘員的安全；同時，低速度等級追尾碰撞時，未損傷高等級吸能裝置；通過仿真分析研究，驗證了多級吸能式防撞墊設計的合理性，為多級吸能式防撞墊的研發提供了設計思路及理論支持。