安超群，陳　剛，武　蕾，劉建軍

（1.上海汽車集團股份有限公司商用車技術中心，上海，200438 2.三明學院 機電工程學院，福建 三明　365004）

某車型吸能盒式前防撞橫梁總成設計及高速碰撞性能優(yōu)化

安超群1，陳剛2，武蕾2，劉建軍2

（1.上海汽車集團股份有限公司商用車技術中心，上海，200438 2.三明學院 機電工程學院，福建 三明365004）

首先對某車型的吸能盒式前防撞橫梁總成進行了概念結構設計，針對整車正面40%重疊偏置可變形壁障碰撞和正面100%重疊剛性壁障碰撞，建立了吸能盒式前防撞橫梁總成碰撞等效有限元模型，然后選取橫梁的截面形狀和厚度、吸能盒的截面形狀、厚度及材料作為設計因素，碰撞吸能量作為響應，進行了試驗設計研究和分析。

前防撞橫梁；吸能盒；試驗設計；有限元

汽車前防撞橫梁總成作為車體結構的重要組成部分，不僅在低速碰撞中起著關鍵性作用，同時在高速碰撞中，如64 km/h正面40%重疊可變性壁障碰撞（ODB）和50 km/h正面100%重疊剛性壁障碰撞（FRB）（下文統(tǒng)稱為正面高速碰撞），也起著碰撞傳力和吸能的關鍵作用，對于整車結構耐撞性能具有重要影響。

本文首先對某車型前防撞橫梁總成進行了整體結構概念設計，基于有限元動力學仿真軟件LS-DYNA建立了前防撞橫梁總成碰撞的等效有限元模型，在此基礎上進行試驗設計，研究了橫梁截面、橫梁厚度、吸能盒截面、吸能盒厚度和吸能盒材料對于前防撞橫梁總成在正面高速碰撞中對吸能特性的影響，最終通過實驗設計的直觀分析法尋求得到了前防撞橫梁總成的優(yōu)化方案。

1　吸能盒式前防撞橫梁總成結構概念設計

汽車的耐撞性能一直是汽車設計的重點之一，其直接關系到乘員在發(fā)生碰撞事故后的受傷程度與生存概率［1］。對于汽車前防撞橫梁總成結構設計，通常需要從架構布置、維修方便性、高速碰撞力傳遞及吸能3個方面進行設計。為滿足低速碰撞強制法規(guī)，需要前防撞橫梁與碰撞器具有一定的碰撞重疊量，為便于維修拆卸，前防撞橫梁總成與車架的連接通常設計成螺栓連接。對于前防撞橫梁總成的高速碰撞吸能特性則與其多個結構參數或屬性有關，例如橫梁截面形式、吸能盒截面形式、吸能盒板材厚度等。

從以上3個角度考慮，本文設計的前防撞橫梁總成包括橫梁、吸能盒和連接板，吸能盒前端與橫梁焊接、后端與連接板焊接，總成通過連接板用螺栓固定到車架縱梁上。最終設計的概念結構如圖1所示。

圖1　前防撞橫梁總成概念結構

2　前防撞橫梁總成正面高速碰撞等效有限元模型

在車型開發(fā)前期，無整車結構詳細設計的CAD數據情況下，建立前防撞橫梁總成碰撞等效有限元模型進行仿真分析和優(yōu)化是一種十分有效的方法。應用有限元動力學仿真軟件LS-DYNA建立了前防撞橫梁的正面高速碰撞等效有限元模型。為了使碰撞總能量一致，通過LS-DYNA關鍵字卡片*ELEMENT_MASS_PART將整車設計質量配重到連接板上，建立的正面高速碰撞等效有限元模型如圖2所示。

圖2　前防撞橫梁總成正面高速碰撞等效有限元模型

3　吸能盒式前防撞橫梁總成正交試驗設計及優(yōu)化

試驗設計（design of experiment，DOE）方法是以概率論與數理統(tǒng)計為基礎，通過高效經濟地獲取試驗數據、科學地分析處理，最終得出最優(yōu)組合方案的一種試驗方法［2］。正交試驗設計是試驗設計方法的一種，在實際經驗和理論認識的基礎上，利用正交表來安排“均衡分散”的試驗，通過盡量少次數的試驗，找到最優(yōu)方案［3］。

使用正交實驗設計方法對上文設計的吸能盒式前防撞橫梁總成，針對影響其吸能特性的關鍵參數和屬性進行試驗設計，通過有限元分析手段進行模擬碰撞試驗以獲取試驗方案的吸能結果，再對試驗結果數據進行直觀分析以尋求關鍵參數和屬性的優(yōu)化組合方案。

3.1響應指標的確定

從能量角度來看，汽車高速碰撞過程也就是車體與乘員初始動能被吸收和耗散的過程。在高速碰撞發(fā)生時，為有效保護乘員，主要由車身前部 “壓潰區(qū)”的塑性變形來緩和沖擊和吸收碰撞動能［4］，對于前防撞橫梁總成來說，其在高速碰撞過程中吸能越多也就越有利于車體動能的吸收和耗散，越有利于保護車內乘員。因此，確定正面高速碰撞試驗響應指標為吸能盒式前防撞橫梁總成碰撞吸能量最大，屬于望大特性。

3.2因素及其水平選取

DOE試驗設計是在實際經驗和理論認識的基礎上，利用正交表來安排“均衡分散”的試驗，通過盡量少次數的試驗，找到最優(yōu)方案［5］。在正交試驗設計時，因素及其水平常常需要根據工程或者實際生產經驗選取，當然也可以根據理論分析選取關鍵參數作為試驗因素，但需要考慮到所選取的關鍵參數應當便于測量和實際試驗操作。因素及其水平數也不易選取太多，否則會造成試驗矩陣十分龐大，使所需進行的試驗次數多到難以承受。因素個數一般不多于5個，其水平數通常以3水平為宜。根據以往工程實踐經驗和實際工程設計邊界選取“橫梁截面”、“橫梁厚度”、“吸能盒截面”、“吸能盒厚度”和“吸能盒材料”共5個試驗因素，每個因素選取3個水平，其中“橫梁截面”和“吸能盒截面”的3個水平都是汽車中常用和具有代表性的3種截面形式。正交試驗設計制定的因素及其水平表如表1所示。

表1　設計因素及其水平表

3.3正交試驗表頭設計

由設計因素及其水平表可知，這是一個5因素3水平的正交試驗，因此可以選擇L18（37）正交試驗矩陣表安排試驗。由于不考慮因素間的交互作用，把各個因素依次排在正交表表頭的適當列上，得到本次試驗設計的表頭設計如表2所示。

表2　表頭設計

3.4實驗方案和試驗

表頭設計之后，將因素及其水平填入選取的L18（37）正交試驗矩陣表中得到試驗方案，然后按試驗編號依次進行試驗仿真計算得到實驗結果數據，表3為本文實驗設計的方案和試驗結果數據。

表3　試驗方案和結果數據

3.5數據分析和優(yōu)化方案選取

使用直觀分析法對仿真實驗所得的數據進行分析，正交試驗的直觀分析法是通過計算各因素水平對實驗結果的影響，并用圖表形式表示出來，通過極差分析，綜合比較，最后確定優(yōu)化方案。對實驗矩陣和實驗結果進行直觀分析，計算各因素相應水平的響應均值及響應均值的極差如表4所示。

由表4繪制出因素-響應極差柱狀圖，如圖3所示，由此可知各因素對響應影響顯著性的排序為：ODB工況—B、D、E、C、A；FRB工況—D、A、B、E、C。對于ODB工況，B因素，即橫梁厚度對前防撞橫梁總成正面碰撞吸能量影響最顯著，而A因素，即橫梁截面，最不顯著。對于FRB工況，D因素，即吸能盒厚度，對前防撞橫梁總成正面碰撞吸能量影響最顯著，而C因素，即吸能盒截面，最不顯著。

表4　正交試驗數據分析

由表4繪制ODB和FRB工況響應均值如圖4～5所示。因為響應為望大特性，對于ODB工況，最優(yōu)的組合方案應當是A3-B1-C1-D3-E2，對于FRB工況，最優(yōu)的組合方案應當是A1-B3-C3-D3-E3。

對于ODB和FRB工況的優(yōu)化組合方案，A、B、C、E因素所取得水平不同，應當通過綜合平衡法，依據因素對響應影響的顯著性排序以及成本和重量等方面綜合評估，最終確定唯一的優(yōu)化組合方案。

圖3　因素-響應極差柱狀圖

A因子對于ODB為最不重要影響因子，對于FRB為次最重要影響因子，故選擇A1；B因子對于ODB為最重要影響因子，對于FRB為中等重要影響因子，故選擇B1；C因子對于ODB為次最不重要影響因子，對于FRB為最不重要影響因子，故選擇C1；E因子對于ODB為中等重要影響因子，對于FRB為次最不重要影響因子，故選擇E2；因此，最終確定的前防撞橫梁總成正面碰撞性能的優(yōu)化組合方案是：A1-B1-C1-D3-E2。

4　優(yōu)化組合方案驗證

經正交試驗及直觀分析，應用綜合平衡法最終確定了前防撞橫梁正面碰撞性能的優(yōu)化組合方案，根據優(yōu)化方案重新建立CAE模型，利用LS-DYNA對其分別進行ODB和FRB兩個工況的仿真驗證，驗證結果如表5所示。

圖4　ODB工況響應均值圖

圖5　FRB工況響應均值圖

由優(yōu)化方案的驗證結果可以看出，ODB和FRB兩種工況下前防撞梁的吸能率較優(yōu)化前分別提高了57.5%和42.2%，這將相應地使車體碰撞加速度得到下降，對減小乘員頭部加速度、胸部加速度具有積極作用，能夠更好地保護乘員安全。

表5　優(yōu)化組合方案

5　結束語

首先對前防撞橫梁總成進行了整體結構概念設計，基于有限元動力學仿真軟件LS-DYNA建立了前防撞橫梁總成碰撞的等效有限元模型，在此基礎上進行試驗設計，研究了橫梁截面、橫梁厚度、吸能盒截面、吸能盒厚度和吸能盒材料對于前防撞橫梁總成在正面高速碰撞中對吸能特性的影響。結果表明，對于ODB工況，橫梁厚度對前防撞橫梁總成正面碰撞吸能量影響最顯著，而橫梁截面，最不顯著；對于FRB工況，吸能盒厚度，對前防撞橫梁總成正面碰撞吸能量影響最顯著，而吸能盒截面，最不顯著。最終本文通過實驗設計直觀分析法得到了前防撞橫梁總成的優(yōu)化組合方案，該優(yōu)化方案確保了所設計的前防撞橫梁總成在ODB和FRB工況試驗下均具有比較大的碰撞吸能量?；贒OE的前防撞橫梁總成優(yōu)化設計具有很強的工程實用性，對實際設計、生產具有一定的指導意義，為汽車前防撞橫梁總成的設計及高速碰撞性能優(yōu)化提供了指導和借鑒。

［1］雷剛，譚皓文.基于汽車正面碰撞的吸能盒設計及優(yōu)化［J］.重慶理工大學學報：自然科學版，2013（3）：1-5.

［2］欒軍.現代試驗設計優(yōu)化方法［M］.上海：上海交通大學出版社，1995.

［3］茆詩松，周紀薌，陳穎.試驗設計［M］.北京：中國統(tǒng)計出版社，2012.

［4］李建功，李三紅.正面碰撞加速度波形與傷害指標相關性研究［C］//中國汽車工程學會年會論文集，2007：284-287.

［5］王玉正.基于DOE的電磁吸盤優(yōu)化設計［D］.上海：上海交通大學，2007.

（責任編輯：朱聯(lián)九）

Design and High-speed Collision Performance Optimization of an Energy Absorption Crash Box Bumper Beam Assembly

AN Chao-qun1，CHEN Gang2，WU Lei2，LIU Jian-jun2

（1.Saicmotor Commercial Vehicle Technology Center，Shanghai 200438，China；2.School of Mechanical&Electronic Eng.，Sanming University，Sanming 365004，China）

The energy absorption crash box bumper beam assembly concept structure for a specified vehicle model is designed at first.The requirements for this model is vehicle frontal crash 40%overlap offset with deformable rigid walls upon impact，and the frontal 100%overlap collision.Based on the requirements，the crash beam assembly's equivalent finite element model is established.The experimental design has been researched and analyzed after the beam cross section，thickness and material properties of the crash beam as well as crash box are selected as design characteristics and the collision energy absorption as response.

bumper beam；crash box；DOE；finite element analysis

U463.326

A

1673-4343（2016）02-0082-06

10.14098/j.cn35-1288/z.2016.02.013

2015-12-19

福建省中青年教師教育科研項目（JA15481）；福建省自然科學基金項目（2016J01741）

安超群，男，安徽蕪湖人，助理工程師。主要研究方向：整車結構。