能量管理在碰撞仿真优化中的运用

周洋 樊海龙

摘 要：在目前的研究中，通过能量管理来分析汽车碰撞的过程和指导后期优化，是一种比较有效的手段。文章以某车型为例，通过能量管理的方法对车体结构部件进行优化，验证了优化后的模型满足吸能要求，同时也能有效满足结构耐撞性要求。

关键词：能量管理;汽车碰撞;结构耐撞性

中图分类号：U467  文献标识码：A  文章编号：1671-7988（2020）10-190-02

The application of energy management in collision simulation optimization

Zhou Yang， Fan Hailong

（ Safety evaluation of electric vehicles chongqing key laboratory of industry and information technology，Chongqing 401122 ）

Abstract： In the research， it is a effective method to analyze the process of vehicle impact and guide the optimization through energy management. This paper takes a certain vehicle model as an example， and optimizes some structural components of the body through the energy management method. It is verified that the optimized model can meet the energy absorption requirements and can also effectively meet the structural crashworthiness requirements.

Keywords： Energy management; Vehicle impact; Structural crashworthiness

CLC NO.： U467  Document Code： A  Article ID： 1671-7988（2020）10-190-02

前言

在分析汽车的有限元碰撞模型的过程中，常需要找出基础模型中车体结构薄弱的部分进行改进优化，提高碰撞吸能的能力，从而提高汽车的结构耐撞性。

本文介绍一种基于能量管理的研究方法，即在遵循能量守恒原则的基础上，对某一种或多種仿真碰撞工况的吸能部件的结构变形和吸能特性进行改进，优化车体结构的能量传递路径，减少撞击能量向乘员舱的传递^[1]。采用该方法，可以分析车体受碰撞部位的结构耐撞性，进一步揭示受撞击结构的吸能特性对整体结构耐撞性影响的规律，达到更准确地指导车体结构耐撞性优化设计的目的^[2]。

1 基础模型碰撞吸能分析

如图1所示，以1.25吨重的某车型的100%正面碰撞有限元模型为例，通过调用函数分析其仿真计算结果可得在碰撞过程中基础模型的内能总增加量，即碰撞冲击能量，如图2所示。基于能量管理的研究方法，本文提出基础模型中需要改进优化的结构部件，并将优化前后的结构件吸能特性进行对比分析。

在仿真结果matsum文件中读取每个part的内能曲线，通过统计可得该工况下主要吸能部件的吸能量及比例，如表1。

经过简单统计，该基础模型在碰撞过程中的主要吸能件均位于车体前端结构部分，且吸能占比为43.20%。据以往学者的研究，在较为理想的汽车100%正碰工况中，前防撞横梁、吸能盒以及前纵梁等主要吸能部件吸收的碰撞动能应不低于47.7%^[3]。汽车与壁障的“一次碰撞”决定了人体与车体内部“二次碰撞”的剧烈程度，而改进车体结构的吸能和耐撞特性对减小由“二次碰撞”引起的人体损伤具有重要意义^[4]。由于基础模型中前端结构的主要吸能部件吸能不足，未能达到吸能目标，结合对碰撞过程进行分析，将优化目标锁定为吸能较差的前防撞横梁以及前纵梁部件。最终确定改进基础模型的前防撞横梁的厚度、前纵梁的厚度以及纵梁根部的结构形式的优化方案，并由此得到优化模型。

2 优化模型碰撞吸能分析及对比

经过仿真计算后，优化模型的整车内能增加曲线如图3所示。

可以看出优化后的模型内能增加曲线过渡平滑，且由于料厚的增加和纵梁结构的改进，总能量较优化前略有增加。优化前后模型主要吸能部件的吸能量如表2所示。

由上表可得，优化后仿真模型的主要吸能部件总吸能量占比达到52.76%，与优化前相比增加了9.56%，车体前端结构吸能效果优化明显。而在结构耐撞性方面，结合工程经验，从B柱下端加速度、门框变形量、转向管柱侵入量和前围板侵入量四个指标来评价该车型的结构耐撞性，如下表3所示。从表中可以看出，通过能量管理优化后的目标模型在满足能量吸收量的前提下也满足结构耐撞性的要求，可有效保护乘员安全。

3 总结

综上所述，能量管理的研究方法，有利于分析车体结构在碰撞过程中的能量传递路径以及快速判断各结构部件的吸能情况，直观有效地提供优化方向，能够为研究人员在汽车碰撞有限元仿真中的分析和优化提供一定指导意义。

参考文献

[1] 周洋.某车型多种正面碰撞性能综合优化[D].重庆：重庆理工大学，2019.

[2] 梁锐.某乘用车小偏置碰撞结构耐撞性优化仿真[D].重庆：重庆理工大学，2018.

[3] 胡召阔，成思源，张雷.基于吸能目标的汽车前端结构刚度匹配性设计[J].机床与液压.2019，47（9）：166-170.

[4] 许潇潇.汽车安全性指数系统研究[D].沈阳航空工业学院，2009.