低速碰撞过程中前保结构的改进设计研究

低速碰撞过程中前保结构的改进设计研究　李　政　王大志　李璧浩　杜汉斌（上海汽车集团股份有限公司技术中心，上海２０１８０４）　【摘要】　为降低保险费用，要求车辆的主要结构在低速碰撞过程中不会产生永久性破坏。因此，文章基　于ＲＣＡＲ试验标准，建立了某车型的低速正面碰撞有限元模型，并通过与试验结果的比较证实模型的有效性。　在此模型的基础上，针对该车型在低速碰撞过程中出现的问题，对其前保险杠的吸能盒进行了改进设计，通过系　统试验与整车试验，验证了设计结构的有效性，为相关设计提供重要的指导意义。　【Ａｂｓｔｒａｃｔ】Ｔｈｅｒｅ　ｓｈｏｕｌｄ　ｂｅ　ｎｏ　ｐｅｒｍａｎｅｎｔ　ｄａｍａｇｅ　ｏｎ　ｔｈｅ　ｋｅｙ　ｃｏｍｐｏｎｅｎｔ　ｄｕｒｉｎｇ　ｔｈｅ　ｌｏｗ　ｓｐｅｅｄ　ｉｍｐａｃｔ　ｉｎ　ｏｒｄｅｒ　ｔｏ　ｄｅｃｒｅａｓｅ　ｔｈｅ　ｉｎｓｕｒａｎｃｅ　ｃｏｓｔｓ．Ｂａｓｅｄ　ｏｎ　ｔｈｅ　ＲＣＡＲ　ｒｅｑｕｉｒｅｍｅｎｔ，ａ　ｖｅｈｉｃｌｅ　ｆｉｎｉｔｅ　ｅｌｅ—　ｍｅｎｔ　ｍｏｄｅｌ　ｄｕｒｉｎｇ　ｔｈｅ　ｌｏｗ　ｓｐｅｅｄ　ｉｍｐａｃｔ　ｉｓ　ｅｓｔａｂｌｉｓｈｅｄ，ｗｈｉｃｈ　ｉｓ　ｖａｌｉｄａｔｅｄ　ｔｈｒｏｕｇｈ　ｃｏｍｐａｒｉｎｇ　ｗｉｔｈ　ｔｈｅ　ｔｅｓｔ　ｒｅｓｕｌｔｓ．Ｂａｓｅｄ　ｏｎ　ｔｈｉｓ　ｍｏｄｅｌ，ｆｏｒ　ｉｍｐｒｏｖｉｎｇ　ｔｈｅ　ｖｅｈｉｃｌｅ　ｌｏｗ—ｓｐｅｅｄ　ｃｏｌｌｉｓｉｏｎ　ｐｅｒｆｏｒｍａｎｃｅ，ｉｔｓ　ｆｒｏｎｔ　ｂｕｍｐｅｒ　ｃｒａｓｈ　ｃａｎ　ｉｓ　ｍｏｄｉｆｉｅｄ．Ｔｈｅ　ｅｆｆｅｃｔｉｖｅｎｅｓｓ　ｏｆ　ｔｈｅ　ｉｍｐｒｏｖｅｄ　ｓｔｒｕｃｔｕｒｅ　ｉｓ　ｖｅｒｉｆｉｅｄ　ｔｈｒｏｕｇｈ　ｓｕｂ—ｓｙｓ—　ｔｅｒｎ　ｔｅｓｔ　ａｎｄ　ｖｅｈｉｃｌｅ　ｔｅｓｔ，ｗｈｉｃｈ　ｐｒｏｖｉｄｅｓ　ａｎ　ｉｍｐｏｒｔａｎｔ　ｇｕｉｄｅ　ｆｏｒ　ｔｈｅ　ｒｅｌｅｖａｎｔ　ｄｅｓｉｇｎ．　【关键词】低速碰撞保险杠汽车　ｄｏｉ：１０．３９６９／ｊ．ｉｓｓｎ．１００７－４５５４．２０１１．０５．０７　可修复特性而制定的特定碰撞环境下的碰撞测试　０　引言　低速碰撞是城市交通事故中最常见的碰撞形　式…，通常速度低于１５　ｋｍ／ｈ。研究车辆低速碰撞　性能对于降低维修成本，延长车辆的使用寿命有　重要意义。车辆前后保险杠可以吸收低速撞击的　能量，缓和外界对车身的冲击，在低速碰撞过程中　要求。主要以正面碰撞、尾部碰撞试验这两种碰　撞试验结果作为依据，再结合汽车和实验中损坏　零件的售价、维修工时、车辆性能等计算得到车辆　最终保险等级。　本文采用显式有限元法，基于ＲＣＡＲ正碰试　验要求，再现了整车正面低速碰撞过程。针对某　车型在保险杠低速碰撞过程中出现的问题，基于　建立的有限元模型，对保险杠结构进行改进设计。　通过系统试验与整车试验，验证改进方案的有效　性，并证实有限元模型的可靠性，为相关设计提供　重要的指导意义。　发挥举足轻重的作用　Ｊ。针对保险杠的耐撞性设　计各国都制定了相应的标准　Ｊ，如美国保险杠技　术标准（ＣＦＲ５８１）、欧洲车辆前部防护装置法规　（ＥＣＥＲ２４）和我国汽车车前、后端保护装置评价标　准（ＧＢ　１７３５４－－１９９８）。此外，对于欧洲上市车型　的保险杠设计还应满足ＲＣＡＲ（Ｒｅｓｅａｒｃｈ　Ｃｏｕｎｃｉｌ　１　低速碰撞模型的建立　１．１　ＲＣＡＲ工况及其设计要求　ｆｏｒ　Ａｕｔｏｍｏｔｉｖｅ　Ｒｅｐａｉｒｓ）标准，该标准是欧洲保险机　构为评估车辆发生低速碰撞时车辆的损伤程度与　收稿日期：２０１１—０２—２８　上海汽车２０１１．０５　・３３・　ＲＣＡＲ前端碰撞　时，偏置刚性壁障位于驾　Ｂｅｌｙｔｓｃｈｋｏ—Ｔｓａｙ格式的　ＳＥＣＴＩＯＮ—ＳＨＥＬＬ单元　驶员侧，与车体前端呈４０％±２５　ｍｍ的重叠，试验　车以ｉ５（＋Ｉ／，０）ｋｍ／ｈ的速度撞向壁障。情况如　图１所示。　结构。在整个模型中针对不同结构的材料特性　采用多种材料模型，并施加以实测材料参数。对　于刚性壁障采用：Ｉ：ＭＡＴ—ＲＩＧＩＤ模型，整车板金　结构采用￥ＭＡＴ．ＰＩＥＣＥＷＩＳＥ　ＬＩＮＥＡＲ　ＰＬＡＳＴＩＣ．　ＩＴＹ模型，轮胎采用：ｌ：ＭＡＴ—ＯＲＴＨＯＴＲＯＰＩＣ—Ｅ—　ＬＡＳＴＩＣ模型，玻璃采用了：ｌ：ＭＡＴ—ＰＬＡＳＴＩＣ—ＫＩ—　车辆宽度　图１　ＲＣＡＲ一正碰试验　为满足ＲＣＡＲ的要求，要求车辆在１５　ｋｍ／ｈ低　速碰撞过程中尽可能少的受到破坏以降低消费者　的维修费用。因此在本车型的开发设计过程中，　针对该工况提出了如下的相关设计要求，见表１。　表１正面低速碰撞要求　维修要求　零件　可替换　前保蒙皮、泡沫隔栅总成、保险杠横梁、保险杠吸　能盒、雾灯与转向灯等　无不可维　发动机进气管、风扇、发动机罩盖、翼子板、大灯　修损坏　等　无损伤　发动机附件、催化器、动力总成、白车身、散热器、　冷却器、压缩机等　１．２有限元模型　本文基于某自主品牌车型结构的ＣＡＴＩＡ数　据，建立了正面低速碰撞有限元模型。由于正面　低速碰撞主要会对前舱结构产生损伤，同时为减　少模型的计算时间，实际采用了半车模型。其中　发动机舱结构是重点考核对象，建立精细有限元　模型，对于车辆后半部分仅考虑质量作用，通过　在整车质心位置施加质量点方式给整车配重。　由于车身结构主要为薄板结构，因此模型采用了　・３４・　ＮＥＭＡＴＩＣ模型，而防撞泡沫则采用了　ＭＡＴ—　ＬＯＷ—ＤＥＮＳＩＴＹ—ＶＩＳＣＯＵＳ—ＦＯＡＭ模型。同时为　了防止单元严重变形以影响计算速度，同时在实　体单元外增加一层　ＭＡＴ—ＮＵＬＬ空单元。此外，　由于防撞梁、前保吸能盒及车身纵梁等零件采用　了冲压结构，因此还在模型中考虑了其成型因素　的影响。　由于发动机舱结构复杂，在低速碰撞过程中　存在多种碰撞过程，本文采用了基于法函数的　ＡＵＴＯＭＡＴＩＣ～ＳＵＲＦＡＣＥ—ＴＯ—ＳＵＲ　ＦＡＣＥ接触模型　模拟。为减小单元畸变对计算速度的影响，并保　证计算的稳定性，模型采用了Ｆｌａｎａｇａｎ－Ｂｅｌｙｔｓｃｈｋｏ　粘性形式的沙漏控制方式。模型在ＨＰ刀片机进　行计算，基于商业有限元软件ＬＳＤＹＮＡ完成。　图２给出了模拟计算过程中的能量变化情　况，可见沙漏能与接触滑移能均在５％以下，证实　仿真结果的可信性。同时可见，随着碰撞的进行，　动能逐渐减小，内能逐渐增加，但总的能量不变，　说明结构通过变形吸收了动能，而保险杠横梁与　前保吸能盒无疑是最重要的吸能元件　。　图２能量变化　图３对比了仿真与试验后前保吸能盒的变　形，可见该模拟很好地再现了低速碰撞中其吸能　盒的压溃形式，进一步证明了模型的有效性。　上海汽车２０１１．０５　４　结语　将ＣＦＤ技术应用到进气歧管的设计流程中，　能够更细致地分析、研究气流在歧管内部的流动　情况，为歧管的优化设计提供理论指导。这样不　仅有利于减少样件的制作次数，从而节约了开发　成本，并且有利于缩短研发周期，是汽车工业设计　研发的发展方向。　气流速度　０　５　１０　ｌ５　２０　２５　参考文献　［１］王福军．计算流体动力学分析［Ｍ］．北京：清华大学出　版社．２００４，９．　图７中冷器前端气流速度分布（优化方案）　升，其中，最低的第一缸的速度均匀性系数　也达　到了０．８３，说明流动均匀性较好，这样气流进入中　冷器后，能够更好地被中冷器冷却，冷却效率比之　前有了较大提升。　［２］崔怡，高莹，李君等．进气歧管结构对进气不均匀性影　响的仿真研究［Ｊ］．小型内燃机与摩托车，２００９，（０２）．　［３］　许元默，帅石金，王建昕．进气歧管对电喷汽油机充气　效率的影响［Ｊ］．内燃机工程，２００４，（０１）．　（上接第３５页）　４　结语　本文准确再现了低速碰撞分析过程，并预测　了不同改进结构的效果，分别通过系统试验与整　车试验，验证了吸能盒的压溃形式与整车改进效　果，表明有限元分析方法在整车设计过程中可发　挥重要作用。　参考文献　图６吸能盒变形　［１］　杨永生．汽车保险杠系统低速碰撞性能研究［Ｄ］．哈尔　滨工程大学硕士论文，２００６：１－２．　［２］　Ｇｕｎｔｅｒ　Ｐ．Ｓ．Ｍａｒｋ　Ｎ．Ｂ．，Ｄａｖｉｄ　Ｊ．Ｋ．Ｃｈａｒａｃｔｅｒｉｓｔｉｃｓ　ｏｆ　３．２整车试验验证　Ｓｐｅｃｉｆｉｃ　Ａｕｔｏｍｏｂｉｌｅ　Ｂｕｍｐｅｒｓ　ｉｎ　Ｌｏｗ－Ｖｅｌｏｃｉｔｙ　Ｉｍｐａｃｔｓ［Ｊ］．ＳＡＥ　９３１９９３．　通过系统试验验证了模拟分析能够预测吸能　盒的变形形式，但仍需进行整车试验，以验证该改　［３］　上官文斌，屈求真．轿车保险杠系统的结构形式及其法　规要求［Ｊ］．汽车研究与开发。１９９７。（１）：３７－３９．　进设计的整体效果。基于新的设计方案，进行了　整车验证试验。试验表明，该设计完全达到设计　［４］Ｒｃａｒ　Ｔｅｓｔ　Ｐｒｏｔｏｃｏｌ　Ａｎｇｌｅｄ　Ｂａｒｒｉｅｒ［Ｒ］．Ｉｓｓｕｅ　２．１　ＲＣＡＲ，　Ｓｅｐｔｅｍｂｅｒ　２００６．　要求，吸能盒完全压溃，而车身无明显变形，同时　未发生气囊误爆等现象。　［５］基于ＲＣＡＲ试验的汽车低速碰撞性能设计［Ｊ］．汽车工　程，２００９，（３１）１２：１１６５．１１６．　上海汽车２０１１．０５　・５３・