基于载荷传递模型的汽车耐撞性研究

陈冬民，张雅萍，侯聚英，王丽娟，陈宗渝

（1.江铃汽车股份有限公司，江西 南昌 330052；2.南昌大学 先进制造学院，江西 南昌 330031）

由于汽车保有量越来越多，汽车的安全越来越受到重视。汽车碰撞事故中正面碰撞最为普遍，且造成的死亡人数最多。因此，研究汽车正面碰撞安全性能有着重要的现实意义。国内外汽车行业高度重视汽车耐撞性的研究，而基于碰撞载荷传递的汽车耐撞性设计是提高整车被动安全性的重要途径。刘钊对正面碰撞时汽车碰撞载荷的传递路径进行了深入的分析，并针对车体结构传递载荷能力不足的缺陷，提出了改进意见。王大志通过理论分析，对碰撞过程中载荷传递路径进行规划，通过计算得到传力部件的截面力设计要求。简晓春基于能量吸收理论对汽车正面碰撞耐撞性进行了优化设计。

本文首先以某款SUV为研究对象，根据车体结构建立64 km/h正面40%偏置碰撞工况下的载荷传递模型。随后，对模型进行分析，以降低侵入量为目标，对车体结构进行优化改进。

1 整车正面碰撞CAE分析

为了建立载荷传递模型，通过整车64 km/h正面40%偏置碰撞CAE分析获得碰撞车体各部位冲击载荷。整车正面碰撞有限元模型如图1所示，单元总数为847 060，其中壳单元总数为593 609，实体单元总数为15 624，单元的平均尺寸为10 mm。根据欧洲新车评价规程（European New Car Assessment Program, ENCAP）正面碰撞标准，对整车进行64 km/h正面40%偏置碰撞安全性仿真分析。图2为相应碰撞工况下的整车变形情况，相关侵入量如表1所示，分析结果表明，基础车型侵入量不满足ENCAP 5星设计目标。

图1 整车有限元模型

图2 偏置碰撞工况变形

表1 基础车型仿真结果

2 冲击载荷传递及能量吸收模型

汽车的正面碰撞过程实质上是一个包含着载荷传递和能量转化的过程，碰撞载荷通过汽车的承载部件进行传递，汽车的动能转化为车身部件的塑性变形能。图3为本文所研究的SUV的前部车体结构，在正面偏置碰撞过程中，碰撞载荷是由前悬上边梁、前纵梁以及副车架来进行传递；汽车的动能转化成了前悬上边梁，前纵梁以及副车架的塑性变形能。

图3 SUV的前部车体结构

为了能够对正面偏置碰撞过程中的载荷传递进行更加深入的分析，需要建立载荷传递模型。在所建立的模型中，连线的箭头方向为部件之间的载荷流向。结合具体的车体结构，得到车辆在正面40%偏置碰撞工况下的载荷传递模型框图（图4），图中的虚线框内部件为关键部件，这些部件的变形、侵入的大小直接决定了表1中的指标是否满足设计要求。图中的绿色路径为偏置碰撞时，汽车正面所受的外部载荷。

3 模型分析及改进方案

由图4中的模型可知，正面偏置碰撞工况下汽车所受的外界载荷主要来自两个方面：

（1）壁障与前防撞梁的部分结构相接触，经过前防撞梁分流之后，载荷被重新分配，形成了新的3条路径：碰撞壁障与前防撞梁接触通过冷却系统、发动机总成传递到前围的冲击载荷，图4中的A路径；碰撞壁障与前防撞梁接触通过左前纵梁传递到地板，图4中的B路径；碰撞壁障与水箱上横梁接触沿前悬上边梁传递到A柱与门槛梁，图4中的C路径。

（2）壁障与左前车轮相接触，左前轮受到挤压后移，将载荷传递到A柱与门槛梁，图4中的D路径。

3.1 载荷优化分析

侵入量的具体指标为门框变形量、防火墙侵入量、方向盘移动量、制动踏板移动量、加速踏板移动量。为了满足设计要求，必须对上述指标所涉及部件的变形量进行控制，控制部件变形的方法可以从两个角度来考虑：主动控制和被动控制。主动控制旨在通过减小作用在部件上的载荷来达到较小变形的目的；被动控制旨在通过增加部件的自身刚度来减小变形。不难发现，基于前者的改进方法在汽车耐撞性优化设计中更为有效，更易获得低成本、高性能的方案。基于此， 结合载荷传递模型，提出一种载荷优化分析思路：首先在图4中找到对应的部件（虚框中的部件），即为受载部件。其次根据载荷路径找到受载部件前一级的一级施载部件。对于主动控制而言，即控制受载部件的受力，可以通过两条思路来实现：（1）减少一级施载部件的受力；（2）对一级施载部件和受载部件之间的载荷进行一级载荷分流；其中思路（1）可进一步循环分析一级施载部件自身前一级的二级施载部件，以此类推，最终得到优化结果。具体的流程如图5所示。

图4 载荷传递模型

图5 载荷优化分析思路

3.2 侵入量的控制

对图4所示模型进行必要的简化，得到图6。

根据图6可知，为了减小加速、制动踏板所 受到的载荷、，有两条改善思路：（1）减小防火墙的受力；（2）对防火墙传递的载荷进行分流，即增加大小。对思路（1）进一步分析：减少防火墙受力的两条思路：减少发动机总成受力；对发动机总成传递的载荷进行分流，即增加大小，新增载荷路径。更深入分析，要减少发动机总成受力，可减少水箱防撞梁梁系受力或者对水箱防撞梁梁系传递的载荷进行分流，对于前者，受限于测试要求的限制，很难实现；而对于后者，可以通过增加、的大小来实现。

图6 踏板所受载荷路径分析

进一步对图4进行简化得到图7。

图7 A柱下部载荷路径分析

利用3.1中的分析思路结合图8可知，转向管柱的移动量最终也取决于防火墙的受力。通过对结构分析可知，A柱下部及A柱上边梁受力产生变形是车门门框发生变形的主要原因。那么为了减小门框的变形，就必须减小A柱下部与A柱上边梁的变形，即减小所受到的载荷。两条思路：减少左前车轮的受力以及对进行分流，前者受限，后者可以通过新增3条载荷路径实现，即增大。

图8 工程方案图

对上述分析思路汇总后得到车体结构的整体优化思路，如表2所示。将其工程化后得到图8所示的工程方案。将改进方案更新到有限元模型中，计算出各路径传递的载荷值，如表3所示。基础方案和改进方案门框变形、前围变形、整车变形对比如图9、图10、图11所示。

表2 优化思路工程方案

表3 载荷传递值/kN

图9 门框变形对比

图10 前围变形对比

图11 整车变形对比

为了验证改进方案的有效性，进行了实车碰撞试验，图12(a)(b)分别为碰撞试验前后车体变形，图12(c)(d)分别是车辆前端变形和主驾前围板位置变形。侵入量的试验结果如表4所示。试验结果表明，该SUV车体结构满足ENCAP五星车体结构要求。

图12 碰撞试验对比图

表4 侵入量对比

移动量 ≤50 47 23 20 加速踏板 移动量 ≤50 67 52 51 ≤50 64 42 47 方向盘 移动量 ≤40 64 33 29 ≤40 35 25 30 防火墙 侵入量 ≤150 182 137 142

4 结论

本文对碰撞载荷在车身结构中的传递路径进行了深入研究，总结了基于载荷传递路径的汽车碰撞安全性优化思路和方法。结合具体车身结构，建立了整车正面偏置碰撞的载荷传递模型。以侵入量为优化目标，载荷传递路径为根本，结合所建模型，提出了相应的改进方案。通过正面偏置碰撞仿真以及试验结果对比分析，验证了改进后的车体结构满足ENCAP五星车体结构要求，说明提出的改进方案是合理、有效的，提高了整车的碰撞安全性能。本研究为提高车辆车身结构耐撞性提供了可借鉴的方法。