徐偉杰，李楚琳，田華

（1.湖北汽車工業(yè)學(xué)院 汽車工程學(xué)院，湖北 十堰 442002；2.東風(fēng)汽車股份有限公司 商品研發(fā)院，湖北 武漢 430056）

商用車前下防護(hù)裝置碰撞分析與輕量化研究

徐偉杰1，李楚琳1，田華2

（1.湖北汽車工業(yè)學(xué)院 汽車工程學(xué)院，湖北 十堰 442002；2.東風(fēng)汽車股份有限公司 商品研發(fā)院，湖北 武漢 430056）

應(yīng)用有限元法對某公司商用車的前下防護(hù)裝置進(jìn)行碰撞分析，研究不同材料下結(jié)構(gòu)變化對碰撞性能的影響，在國家標(biāo)準(zhǔn)GB26511的基礎(chǔ)上對前下防護(hù)裝置進(jìn)行改進(jìn)設(shè)計(jì)，提升其碰撞性能，達(dá)到輕量化的目標(biāo)。結(jié)果表明：改進(jìn)后的設(shè)計(jì)比原設(shè)計(jì)減重了54.8%，碰撞性能也優(yōu)于原設(shè)計(jì)。

前下防護(hù)裝置；碰撞分析；輕量化

隨著汽車普及率的大幅提高，交通事故也隨之增多，汽車交通事故已經(jīng)嚴(yán)重威脅到人們的生命和財(cái)產(chǎn)安全，成為了人類生存面臨的一個不容忽視的安全問題［1］。乘用車鉆入商用車前下部造成的重大事故時有發(fā)生，為了減少此類事故造成的損失，自2015年起國家對在生產(chǎn)車型開始強(qiáng)制性執(zhí)行前下防護(hù)裝置標(biāo)準(zhǔn)GB26511，該標(biāo)準(zhǔn)對商用車前下防護(hù)裝置的碰撞性能提出明確的要求。前下防護(hù)裝置開發(fā)成為企業(yè)的重要研究項(xiàng)目，結(jié)合國家輕量化技術(shù)戰(zhàn)略，文中基于HyperWorks和LS-DYNA軟件應(yīng)用有限元法對某公司商用車前下防護(hù)裝置進(jìn)行碰撞分析，并通過改變材料和結(jié)構(gòu)進(jìn)行輕量化研究，得到既滿足性能及成本要求又達(dá)到輕量化目標(biāo)的前下防護(hù)裝置。

1 商用車前下防護(hù)裝置標(biāo)準(zhǔn)簡介

GB26511適用于安裝在N2、N3（N2即最大設(shè)計(jì)總質(zhì)量超過3 500 kg，但不超過12 000 kg的載貨車輛；N3即最大設(shè)計(jì)總質(zhì)量超過12 000 kg的載貨車輛）類車輛上的前下部防護(hù)裝置，明確了前下防護(hù)裝置的技術(shù)要求和試驗(yàn)方法。法規(guī)要求以加載頭的方式對規(guī)定的3個加載點(diǎn)水平施加集中力，加載力平行于車輛的縱向中心平面。加載頭高度不大于250mm，寬度不大于400mm。文中商用車前下防護(hù)裝置的加載頭設(shè)置為200mm×200mm，根據(jù)法規(guī)確定加載點(diǎn)的位置如圖1所示。試驗(yàn)時對點(diǎn)P1～P3順次加載，盡可能快地分別對點(diǎn)P1～P2持續(xù)施加相當(dāng)于車輛最大總質(zhì)量的50%和100%的水平載荷，水平載荷最大不超過80 kN和160 kN。如果該裝置在點(diǎn)P2間斷裂或凹入橫切面內(nèi)，則對點(diǎn)P3施加同點(diǎn)P2的水平載荷。車輛或裝置應(yīng)經(jīng)受住至少0.2 s的作用時間，且在試驗(yàn)過程中及試驗(yàn)完畢后，前下部防護(hù)前端面各測試點(diǎn)與車輛最前端的水平距離應(yīng)不大于400mm。

圖1 加載點(diǎn)位置示意圖

2 顯性非線性有限元分析理論基礎(chǔ)

有限元法是通過離散化方法求解數(shù)學(xué)、物理問題的一種數(shù)值計(jì)算方法［2］。對于汽車在碰撞過程中涉及的大位移、大轉(zhuǎn)動、大應(yīng)變非線性問題，通常采用拉格朗日增量法。文中使用更新的拉格朗日格式（U.L格式），即所有動力學(xué)、靜力學(xué)和運(yùn)動學(xué)變量均參考于每一載荷步或時間步長開始時的構(gòu)形，在分析過程中參考構(gòu)形是不斷更新的［3］。采用U.L格式建立的非線性動力學(xué)有限元控制方程為

式中：M為質(zhì)量矩陣；C為阻尼矩陣；K為總剛；Fext為外力矢量；fc為接觸矢量。

在運(yùn)算的過程中采用顯式有限元法，利用中心差分離散時間域，有效地回避了因非線性問題引起的收斂性問題，算法簡單，但其時間步長很小，必須滿足準(zhǔn)則。考慮一個非線性結(jié)構(gòu)的動力相應(yīng)問題，其動力學(xué)微分方程為

式中：U為位移矢量。假定0，t1，t2，…，tn的節(jié)點(diǎn)位移、速度和加速度已知，求tn+1(t+Δt)的結(jié)構(gòu)響應(yīng)。對加速度、速度的導(dǎo)數(shù)采用中心差分代替，即

式中：t為有效質(zhì)量矩陣；為有限載荷向量；Ft為結(jié)構(gòu)載荷向量。求解線性方程組，可獲得（t+Δt）時刻的節(jié)點(diǎn)位移向量Ut+Δt，再代回幾何方程和物理方程中即可獲得（t+Δt）的應(yīng)力和應(yīng)變。中心差分法求解方程組通過迭代求解，直到滿足結(jié)束條件。

3 前下防護(hù)裝置的碰撞仿真分析

3.1 碰撞分析方法

進(jìn)行碰撞仿真分析時考慮了2種加載方案。首先考慮方案1，按標(biāo)準(zhǔn)在點(diǎn)P1～P2施加載荷，判斷前下防護(hù)裝置能否經(jīng)受住至少0.2 s的作用時間，事實(shí)上在仿真過程中難以定量評價分析結(jié)果。依據(jù)標(biāo)準(zhǔn)GB26511采用方案2分別對前下防護(hù)裝置點(diǎn)P1～P2利用壓板加載，施加1.5 m·s-1的速度，加載時間為0.2 s，以接觸力和變形位移的大小為評價標(biāo)準(zhǔn)，進(jìn)而判斷前下防護(hù)裝置是否滿足法規(guī)要求［4］。根據(jù)加載時間0.2 s和標(biāo)準(zhǔn)要求的位移不得大于400mm可知，所施加的速度應(yīng)小于2 m·s-1。試驗(yàn)中在1.0 m·s-1和2.0 m·s-1之間以0.1 m·s-1為增量做了10組不同速度下的碰撞分析，計(jì)算結(jié)果顯示差別不大，故文中加載速度取中間值1.5 m·s-1。

3.2 有限元建模

圖2 前下防護(hù)裝置有限元建模

有限元模型如圖2所示，首先對前下防護(hù)裝置進(jìn)行網(wǎng)格劃分，采用2D單元劃分，網(wǎng)格單元大小為10mm，單元類型為殼單元，局部網(wǎng)格采用加密處理，螺栓連接采用RBody單元進(jìn)行模擬，加載板的大小為200mm×200mm。

3.3 邊界條件和載荷

將約束施加在車架總成第一橫梁后端部及橫梁的定位螺栓上，約束6個方向自由度，分別在點(diǎn)P1～P2施加1.5 m·s-1的速度載荷，利用200mm×200mm的加載板進(jìn)行加載，通過接觸力大小（法規(guī)要求P1為80 kN，P2為160 kN）和變形位移（法規(guī)要求小于400mm）來判斷是否達(dá)標(biāo)。

3.4 不同材料的研究

現(xiàn)生產(chǎn)的前下防護(hù)裝置材料是DL510，由于過重，引進(jìn)了新的復(fù)合材料FRP（纖維增強(qiáng)型不飽和樹脂），以求達(dá)到輕量化的目的。通過拉伸試驗(yàn)要求對2種材料進(jìn)行試驗(yàn)得到其材料屬性和力學(xué)特性如表1所示：復(fù)合材料的密度遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于DL510鋼材，但是其拉伸強(qiáng)度低于鋼材。

表1 材料屬性與力學(xué)特性

利用2種材料分別作碰撞分析得到碰撞分析的界面（加載板與橫梁的接觸面）接觸力曲線，如圖3所示：針對現(xiàn)生產(chǎn)結(jié)構(gòu)，采用材料DL510時設(shè)計(jì)點(diǎn)P1的接觸力為7 kN，采用復(fù)合材料FRP時設(shè)計(jì)點(diǎn)P1的接觸力為3.3 kN，都遠(yuǎn)小于80 kN。因此，僅從整體材料的改變上不能達(dá)到法規(guī)要求，還需從結(jié)構(gòu)上進(jìn)行重新設(shè)計(jì)。

同時前下防護(hù)裝置僅使用復(fù)合材料時候，支架壓潰，變形嚴(yán)重。所以在材料使用上可以在支架的設(shè)計(jì)上使用剛度更大的DL510，而在橫梁的設(shè)計(jì)上，采用密度更低的FRP。

圖3 點(diǎn)P1碰撞分析接觸力曲線圖

4 新結(jié)構(gòu)改進(jìn)設(shè)計(jì)及碰撞分析

4.1 結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

企業(yè)的設(shè)計(jì)要求即以現(xiàn)生產(chǎn)結(jié)構(gòu)為參照，在不改變其整體布置結(jié)構(gòu)的情況下，減輕其質(zhì)量，且改進(jìn)后結(jié)構(gòu)的性能不能低于現(xiàn)生產(chǎn)結(jié)構(gòu)。通過對之前材料做的碰撞分析及以往的設(shè)計(jì)經(jīng)驗(yàn)，設(shè)計(jì)出新結(jié)構(gòu)，如圖4所示。

圖4 前下防護(hù)裝置結(jié)構(gòu)

在橫梁結(jié)構(gòu)上由于采取了更輕的FRP，其剛度減低，變形相應(yīng)增大，而需要滿足在試驗(yàn)過程前后加載點(diǎn)與車輛最前端距離不大于400mm，所以換成直梁可以有效避免由于剛度減小而導(dǎo)致不符合法規(guī)要求的問題。橫梁的橫截面積由開口改成了閉口，支架結(jié)構(gòu)上也發(fā)生了改變，有效減小無用面積，并且更改了支架的安裝方式。

4.2 新結(jié)構(gòu)的碰撞分析

圖5 碰撞分析接觸力、位移與時間曲線圖

基于新前下防護(hù)裝置的碰撞分析結(jié)果如圖5所示：加載點(diǎn)P1承載為85 kN，達(dá)到最大承載時的位移為280mm，加載點(diǎn)P2承載為125 kN，達(dá)到最大承載時的位移為255mm，均小于400mm。

4.3 優(yōu)化前后碰撞結(jié)果對比

原前下防護(hù)裝置與新結(jié)構(gòu)對比如表2～3所示。結(jié)果表明：相較于之前生產(chǎn)的前下防護(hù)裝置，新結(jié)構(gòu)在輕量化上取得了56%的巨大成果，性能上也取得了提升，由之前的7 kN和14 kN提高到了85 kN和125 kN，滿足了國家法規(guī)的要求。

表2 設(shè)計(jì)前后前下防護(hù)裝置質(zhì)量對比分析表

表3 設(shè)計(jì)前后前下防護(hù)裝置接觸力大小對比分析表

5 結(jié)論

通過對前下防護(hù)裝置的有限元分析，發(fā)現(xiàn)僅改變材料性能達(dá)不到國家要求，應(yīng)采用改善結(jié)構(gòu)和材料的方式。設(shè)計(jì)出的新前下防護(hù)裝置減重了56%，且點(diǎn)P1和點(diǎn)P2的承載分別為85 kN和125 kN，符合國家標(biāo)準(zhǔn)。文中設(shè)計(jì)完成了車廠既定目標(biāo)，對前下防護(hù)裝置的輕量化設(shè)計(jì)提供了思路，有一定的指導(dǎo)意義，為后續(xù)產(chǎn)品的研究開發(fā)打下了基礎(chǔ)，可以在一定程度上降低研發(fā)周期和成本。

［1］陸善斌，安月，方劍光，等.商用車被動安全性結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)研究［D］.長春：吉林大學(xué)，2009.

［2］李楚琳，張勝蘭，鄭冬黎，等.基于HyperWorks的結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)技術(shù)［M］.北京：機(jī)械工業(yè)出版社，2007.

［3］龔潔.汽車前保險杠碰撞的有限元仿真分析研究［D］.沈陽：東北大學(xué)，2010.

［4］王萍萍，夏湯忠，劉盼，等.基于RADIOSS保險杠低速碰撞性能仿真研究［C］//Altair2012 HyperWorks技術(shù)大會，2012.

Collision Analysis and Study on Lightweight of Front Underrun Protective Devices for Commercial Vehicles

Xu Weijie1,Li Chulin1,Tian Hua2
（1.School of Automotive Engineering,Hubei University of Automotive Technology,Shiyan 442002,China;2.Commercial Product R&D Institute,Dongfeng Automobile Co.Ltd.,Wuhan 430056,China）

The finite element method was used to analyze the collision of front underrun protective devic?es of a commercial vehicle,and the effects of different structures with different materials on the impact properties were investigated.On the basis of the national standard GB26511,the design of the front un?derrun protective device was improved to enhance the collision performance and achieve the goal of lightweight.The results show that the weight of the improved design is 54.8%less than the original one,and the collision performance is better than the original design.

front underrun protective devices;collision analysis;lightweight

U491.6；U462.2

A

1008-5483（2017）04-0036-04

10.3969/j.issn.1008-5483.2017.04.008

2017-06-04

徐偉杰（1993-），男，湖北十堰人，碩士生，從事商用車設(shè)計(jì)與優(yōu)化方面的研究。E-mail：20656420@qq.com