年汽车工程会集某车型正面碰撞安全性能轻量化改进研究

２０１５ＣＧ 某车型正面碰撞安全性能的轻量化改进研究ꎬ【】随着石油和环境污染的日益严重ꎬ轻量化已经成为汽车工业的一个热点研究课题ꎮ然而ꎬ汽车轻量化不可以盲目的减重ꎬ应当在汽车安全性不受影响的前提下ꎬ最大程度地减少汽车质量ꎮ本文以某车型的正碰性能开发为例ꎬ建立了正碰的有限元模型ꎬ提出了着眼于车身轻量化改进方案ꎬ对比了改进前后的质量和正碰性能的变化ꎬ从而验证了设计方案的有效性ꎮ【】轻量化ꎬ碰撞安全性ꎬ结构改ＲｅｓｅａｒｃｈｏｆＬｉｇｈｔｗｅｉｇｈｔＤｅｓｉｇｎｆｏｒｔｈｅＶｅｈｉｃｌｅＳｔｒｕｃｔｕｒｅｐｒｏｖｍｅｎＢａｓｅｄｏｎＦｒｏｎｔＣｒａｓｈＳａｆｅｔｙＹａｎｇＬｅｉꎬＷｕＸｉａｎＴｏｎｇＪｉＵｎｉｖｅｒｓｉｔｙｂｓｔｒａｔＬｉｇｈｔｗｅｉｇｈｔｈａｓｂｅｃｏｍｅａｈｏｔｒｅｓｅａｒｃｈｔｏｐｉｃｉｎａｕｔｏｍｏｔｉｖｅｉｎｄｕｓｔｒｙｄｕｅｔｏｔｈｅｓｅｖｅｒｅｐｒｏｂｌｅｍｏｆｆｕｅｌｃｒｉｓｉｓａｎｄｅｎｖｉｒｏｎｍｅｎｔｐｏｌｌｕｔｉｏｎＨｏｗｅｖｅｒꎬｃｒａｓｈｗｏｒｔｈｉｎｅｓｓｉｓａｎｉｍｐｏｒｔａｎｔｉｎｄｉｃａｔｏｒｏｆｔｈｅｖｅｈｉｃｌｅＬｉｇｈｔｗｅｉｇｈｔａｎｄｃｒａｓｈｗｏｒｔｈｉｎｅｓｓａｒｅｎｏｔａｌｗａｙｓｃｏｍｐａｔｉｂｌｅꎬｗｈｉｃｈｐｏｓｅｓａｇｒｅａｔｃｈａｌｌｅｎｇｅｔｏｎｅｗｖｅｈｉｃｌｅｄｅｓｉｇｎａｎｄｄｅｖｅｌｏｐｍｅｎｔＩｎｔｈｉｓｐａｐｅｒꎬａｆｉｎｉｔｅｅｌｅｍｅｎｔｍｏｄｅｌｏｆｄｉｒｅｃｔｉｍｐａｃｔｉｓｅｓｔａｂｌｉｓｈｅｄＴｈｅｌｉｇｈｔｗｅｉｇｈｔａｐｐｒｏａｃｈｉｓｐｕｔｆｏｒｗａｒｄａｎｄｃｏｍｐａｒｉｓｏｎｓａｅｒｍａｄｅｏｎｔｈｅｗｅｉｇｈｔａｎｄｄｉｒｅｃｔｉｍｐａｃｔｐｅｒｆｏｒｍａｎｃｅＫｅｙｏｒｄｓｌｉｇｈｔｗｅｉｇｈｔꎬｃｒａｓｈｗｏｒｔｈｉｎｅｓｓꎬｓｔｒｕｃｔｕｒａｌ ２０１４年年底ꎬ工业和信息化部发布２０１６~２０２０年乘用车消耗量标准»ꎬ该标准规定到２０２０年乘用车平均油耗消耗量目标为５Ｌ/１００ｋｍ研究表明１汽车质量每下降１０％ꎬ油耗下降８ꎬ各大汽车厂商为实现５Ｌ的油耗目标ꎬ汽车轻量化势在必行碰撞安全技术对汽车安全性做出强制性规定ꎬ因此汽车轻量化的同时碰撞安全性必须得到保证本文针对某车型进行ＣＮＣＡＰ正面碰撞仿真分析ꎬ建立满足精度要求的基础模型ꎬ并在此基础上进行满足正碰安全性的 本次建模是在双ＣＰＵ３２核的戴尔Ｔ７６００台式工作站上ꎬ应用前处理软件Ｈｙｐｅｒｍｅｓｈ完成的经过统计模型中包含１１９１０００个节点ꎬ单元数量为１２４０９３９个ꎬ车身焊点３５９８个单元平均尺寸为１０ｍｍ根据Ｃ正面碰撞标准ꎬ分别对整车进行正面１００％刚性墙碰撞(ＦＲＢ)和４０％偏置碰撞(ＯＤＢ)ꎬ车速分别为５０ｋｍ/ｈ和６４ｋｍ/ｈ图１

１００％刚性墙碰撞模型ꎬ图为在整车碰撞仿真中一般要求质量增加和能量变化不得超过ꎬ同时沙漏能要控制在总能量的以内ꎬ计图１１００％２４０％算结果的可信度才能得到保证正面刚性墙碰撞(ＦＲＢ)和４０％偏置碰撞(ＯＤＢ)仿真分析过程中的能量~所示可见质量增加和能量变化小于５％ꎬ同时沙漏能的控制也在总能量的以内ꎬ由此可以确定计算结果可信 ２０１５ＣＧ图 图图在正面碰撞中ꎬ加速度大小是导致乘员受伤或的主要因素ꎬ重要指标在正面碰撞中Ｂ柱下端与门槛梁交接位置刚度较大ꎬ受其他运动影响较小ꎬ因此选择此位置的加速度曲线来代表整车加速度前围板的变形反映了乘员舱前部的变形ꎬ既关系到乘员的生存空间ꎬ同样也是评价汽车碰撞性能的重要指标之一本次分析在保证Ｂ柱加速度和前围板侵入量这两项重要指标的前提下对整车前部结构进行了轻量化改进２目前车身设计中普遍将车为前中后三块吸能区前部吸能区主要有前杠总成发动机盖前端等ꎬ中部吸能区有上下纵梁翼子板副车架等ꎬ后部吸能区由强度和刚度较好的驾驶员舱构成本文方案通过对前中后三块区域各部件吸能的分析ꎬ着力对前部关键结构进行轻量化改进研究ꎬ减重目标为１５ｋｇ前杠总成(减重总计:１①前杠加强板堵板由４０ｍｍ改为２３ｍｍꎬ减重０②前杠左/右侧安装支架厚度减薄ꎬ右侧Ｔ＝４减到３５ｍｍꎬ左侧Ｔ＝４０ｍｍ减到２３ｍｍꎬ减重０③缩短吸能盒３０ｍｍꎬ减重０副车架总成减重总计５８８ｋｇ):去掉副车架前的小构及相关连接件减重８ｋｇ

②去掉左 右前纵梁加强板ꎬ减重１下沉区弹簧支座等减重总计①去掉前悬架梁左 右后安装加强板ꎬ减０去掉左右轮罩内加强板ꎬ减重前地板加强梁加强板和左前右前地板加强梁材料由改为ＤＰ５９０ꎬ去掉左前右前纵梁加强板ꎬ减重１７８１ｋｇ前边梁等减重①为避让传动轴ꎬ抬升左右边下表面ꎬ并在右前围板总成:去掉前围板左 右支撑梁外板ꎬ减重０８４４ｋｇ散热器框架总计减重约３５ｋｇ):新塑料散热器框架质量为６９６ｋｇꎬ原质量为１０５２ｋｇꎬ减重约ｋｇ３从图６中正面碰撞及图７中偏置碰撞结构改进能量曲线看ꎬ总能量基本稳定ꎬ沙漏能占总能量的比例小于５％ꎬ仿真结果均可信左侧柱速度、从图８正面刚性墙碰撞的Ｂ柱加速度看ꎬ基础方案加速度峰值为３８５９ｇꎬ优化模型的加速度峰值为３５００ｇꎬ优化模型较基础方案的加速度峰值下降３５９ｇ速度归零时刻后移ꎬ整车具有的吸能空间从图９偏置碰撞的Ｂ柱加速度看ꎬ基础方案加速度峰值为４５３３ｇꎬ优化模型的加速度峰值为４６４１ｇꎬ优化模型较基础方案的加速度峰值升高ｇ２０１５ＣＧ 图６１００％正面碰 图７４０％偏置碰图 特征点侵入量动态最大值

图 置碰撞侵入变形量改进前后对比值 对比改进后(Ｃａｓｅ)与改进前(Ｂａｓｅ)各测点侵入量减重后侵入１和表２分别为正面刚性墙碰撞和正面

２０１５ＣＧ表 １００％刚性墙碰撞侵入变形ＡＡＩＩＩＩＩＩＩＩ７５７０３４９９表 ４０％偏置碰撞侵入变形ＡＩＩ９５９６３５从图正面１００％刚性墙碰撞的前边梁变形动画可以看出:优化方案去掉副车架以及减弱前边的加强板ꎬ使得前边梁有了的压溃ꎬ而边梁根部并没有的后仰

从图１１正面４０％碰撞的前边梁变形动画可以看出:由于优化方案去掉副车架以及减弱前边的加强板ꎬ使得前边梁前后端都有明显的弯折ꎬ而前纵梁强度减弱也使得前边梁后仰角度变大ꎬ造成侵入量升高图１０１００％图 ４０％刚性墙碰撞的前边梁变加ꎬ除了转向处存在风险ꎬ其他位置均符合性能指标ꎻ正面１００％刚性墙碰撞结果:优化方案的Ｂ曲线峰值有所下降ꎬ加速度峰值出现时刻后移ꎻ

正面偏置碰撞结果优化方案的柱的加速度曲线峰值略微上升ꎻ侵入量整体增加ꎬ转向处的侵入量仍存在风险ꎬ离合器踏板过孔位置处侵入量提高较多ꎻ去掉副

车架ꎬ减少一条变形传递路径ꎬ但是通过减弱前边的加强板ꎬ使得前边梁有的压溃４整车前部耐撞性结构优化方案总减重约１７６５４ｋｇꎬ达到设计减重１５ｋｇ的要求与基础模型对比ꎬ１００％刚性墙正碰优化方案优于基础模型ꎬ主要原因在于前端变形模式及吸能效果优于基础模型ꎻ减重后侵入量有所上升ꎬ但在四星车２０１５