韋孟洲，莫 毅，王彰云

(1.廣西工業(yè)職業(yè)技術(shù)學(xué)院 汽車工程系，廣西 南寧 530001；2.廣西工業(yè)職業(yè)技術(shù)學(xué)院 中興通訊網(wǎng)絡(luò)學(xué)院，廣西 南寧 530001)

汽車保險(xiǎn)杠是汽車的重要部件之一，它有美觀裝飾和安全保護(hù)等多項(xiàng)功能，其性能好壞直接關(guān)系到汽車的行駛安全[1-2]。低速碰撞性能是影響汽車保險(xiǎn)杠保護(hù)功能的關(guān)鍵因素之一，國(guó)內(nèi)專家對(duì)此進(jìn)行了大量研究[3-5]，例如清華大學(xué)依據(jù)汽車與行人碰撞安全性測(cè)試方法與規(guī)則，對(duì)汽車碰撞部件進(jìn)行了沖擊試驗(yàn)研究；湖南大學(xué)采用計(jì)算機(jī)仿真技術(shù)針對(duì)人車碰撞事故中行人下肢碰撞安全性保護(hù)評(píng)價(jià)進(jìn)行了改進(jìn)研究等。

目前，由于汽車保險(xiǎn)杠的吸能結(jié)構(gòu)存在成本過高、制造工藝復(fù)雜等問題，使得高性能吸能結(jié)構(gòu)在汽車保險(xiǎn)杠的設(shè)計(jì)制造中無法得到普及應(yīng)用[6-7]。金屬薄壁結(jié)構(gòu)其本身的比吸能值較高、結(jié)構(gòu)較為簡(jiǎn)單，同時(shí)在面臨汽車碰撞沖擊后依然能夠保持較穩(wěn)定的扭曲、彎曲變形效果[8]，因此成為近些年來世界各國(guó)針對(duì)汽車保險(xiǎn)杠的吸能結(jié)構(gòu)的一個(gè)新研究方向[9]。本項(xiàng)目以某乘用車的保險(xiǎn)杠為研究對(duì)象，針對(duì)原汽車保險(xiǎn)杠在人車碰撞時(shí)的小腿保護(hù)性能、低速碰撞性能進(jìn)行分析研究，然后結(jié)合研究結(jié)果以鋁合金薄壁管為基礎(chǔ)對(duì)其保險(xiǎn)杠的吸能結(jié)構(gòu)參數(shù)進(jìn)行設(shè)計(jì)優(yōu)化，為汽車保險(xiǎn)杠的保護(hù)功能改進(jìn)提供參考。

1 原汽車保險(xiǎn)杠的小腿保護(hù)性能及低速碰撞性能分析

1.1 原汽車保險(xiǎn)杠的結(jié)構(gòu)分析

以某乘用車為研究對(duì)象，其保險(xiǎn)杠系統(tǒng)組成內(nèi)容涵蓋蒙皮結(jié)構(gòu)、縱梁結(jié)構(gòu)、橫梁結(jié)構(gòu)、吸能泡沫等，該結(jié)構(gòu)系統(tǒng)的主要參數(shù)(材料密度、彈性模量、泊松比、屈服應(yīng)力)如表1所示。

表1 保險(xiǎn)杠主要零部件及相關(guān)參數(shù)Table 1 Main parts and related parameters of bumpers

1.2 原汽車保險(xiǎn)杠的行人小腿保護(hù)性能分析

本研究用有限元模型為分析方法、以歐盟行人保護(hù)法規(guī)EEVC為依據(jù)開展實(shí)物試驗(yàn)，所用實(shí)物為外覆泡沫剛性件組成的小腿沖擊器模型，其中小腿股骨為鋼質(zhì)剛性件、小腿脛骨為鋁質(zhì)剛性件、膝關(guān)節(jié)結(jié)構(gòu)為可變形鋼質(zhì)材料。小腿肌肉由25 mm厚度的泡沫材料組成、小腿皮膚則由6 mm橡膠層材料組成。研究中所用小腿沖擊器總重量為13.4 kg，包含小腿結(jié)構(gòu)4.8 kg、大腿結(jié)構(gòu)8.6 kg；小腿沖擊器模型總長(zhǎng)度為(926±5)mm，包括小腿直徑(70±1)mm、大腿直徑(70±1)mm。實(shí)物試驗(yàn)過程為人車碰撞過程。

通過仿真分析可得到小腿沖擊器在人車碰撞時(shí)所吸收的能量曲線，如圖1所示。

結(jié)合圖1可發(fā)現(xiàn)，本次實(shí)物試驗(yàn)中整個(gè)碰撞過程共產(chǎn)生了827 kJ能量，且能量保持較為穩(wěn)定的變化趨勢(shì)，同時(shí)碰撞過程中產(chǎn)生的沙漏能量為34.3 kJ，

占據(jù)變形吸能總量的4.1%，說明碰撞過程中對(duì)沙漏能量控制效果良好。此外，碰撞過程中產(chǎn)生的最大內(nèi)能為781.6 kJ，內(nèi)能變化趨勢(shì)為迅速增大并直至峰值后緩慢下降，后續(xù)變化過程中逐漸保持穩(wěn)定；碰撞過程中產(chǎn)生的最大動(dòng)能為802.4 kJ，動(dòng)能迅速下降至最低點(diǎn)后緩慢上升，后續(xù)變化過程中逐漸保持穩(wěn)定。

對(duì)本次實(shí)物試驗(yàn)中的碰撞過程進(jìn)行具體分析，小腿沖擊器模型與保險(xiǎn)杠蒙皮最先發(fā)生接觸，接觸時(shí)間為碰撞后0.006 s；碰撞后0.018 s小腿沖擊器模型與保險(xiǎn)杠發(fā)生碰撞，對(duì)保險(xiǎn)杠產(chǎn)生相應(yīng)的壓縮、擠壓反應(yīng)，此時(shí)保險(xiǎn)杠系統(tǒng)所承受的內(nèi)能為整個(gè)碰撞過程中的最高值；碰撞后0.04 s小腿沖擊器模型與保險(xiǎn)杠脫離，此時(shí)保險(xiǎn)杠所承受的內(nèi)能已經(jīng)下降至穩(wěn)定趨勢(shì)、動(dòng)能則增長(zhǎng)至穩(wěn)定趨勢(shì)。以小腿沖擊器模型在整個(gè)碰撞過程中的加速度g為基礎(chǔ)繪制時(shí)間曲線，可知小腿沖擊器模型在整個(gè)碰撞過程中其最大加速度峰值為151.3g，與歐盟行人保護(hù)法規(guī)EEVC要求對(duì)比明顯超出閾值，因此當(dāng)前汽車保險(xiǎn)杠在與行人發(fā)生碰撞的過程中可能導(dǎo)致行人小腿骨折等嚴(yán)重安全事故。

1.3 原汽車保險(xiǎn)杠的低速碰撞性能分析

本研究以我國(guó)汽車前后端保護(hù)裝置法規(guī)(GB17354)中規(guī)定的低俗碰撞評(píng)價(jià)法則為依據(jù)，同時(shí)以顧立強(qiáng)等人發(fā)表的汽車固定保險(xiǎn)杠簡(jiǎn)單碰撞等效轉(zhuǎn)換法則為基礎(chǔ)，通過有限元仿真方法構(gòu)建汽車低速碰撞模型，并進(jìn)行了仿真。仿真得到碰撞能量隨時(shí)間的變化曲線如圖2所示。

從圖2中可知，整個(gè)碰撞過程中碰撞系統(tǒng)所產(chǎn)生的總能量為508.5 kJ，其中內(nèi)能最大值為421.7.1 kJ、沙漏能最大值為6.9 kJ，沙漏能與內(nèi)能最大值的比例為1.4%，此過程中沙漏能符合GB17354中的規(guī)定要求。同時(shí)碰撞過程中在碰撞系統(tǒng)總能量始終未發(fā)生較大變化的基礎(chǔ)上，保險(xiǎn)杠在碰撞后其動(dòng)能減小時(shí)內(nèi)能增加、動(dòng)能升高時(shí)內(nèi)能降低。結(jié)合碰撞能量與時(shí)間的變化曲線可得知，碰撞后0.134 s碰撞系統(tǒng)與保險(xiǎn)杠蒙皮結(jié)構(gòu)開始接觸；碰撞后0.154 s保險(xiǎn)杠吸能泡沫開始產(chǎn)生擠壓反應(yīng)；碰撞后0.204 s保險(xiǎn)杠所承受的擠壓值達(dá)到最大。整個(gè)碰撞過程中，保險(xiǎn)杠蒙皮結(jié)構(gòu)產(chǎn)生的最大變形位移為54.7 mm，但在碰撞過程結(jié)束后0.3 s基本恢復(fù)原有形狀。結(jié)合有限元分析結(jié)果可知，有限元模型節(jié)點(diǎn)15631處為橫梁變形最大值，其位于有限元模型中間階段且最大變形位移為15.9 mm。另外結(jié)合原汽車保險(xiǎn)杠橫梁與散熱器等部件的距離來看，分析結(jié)果遠(yuǎn)小于70 mm的實(shí)際距離。由低速碰撞性能測(cè)驗(yàn)結(jié)果可知：當(dāng)前汽車保險(xiǎn)杠在發(fā)生低速碰撞時(shí)其保險(xiǎn)杠橫梁結(jié)構(gòu)不會(huì)對(duì)后續(xù)零部件產(chǎn)生破壞性影響，汽車低速碰撞性能符合法律規(guī)定。

2 以鋁合金薄壁管為基礎(chǔ)對(duì)其保險(xiǎn)杠的吸能結(jié)構(gòu)進(jìn)行優(yōu)化

依據(jù)原汽車保險(xiǎn)杠的小腿保護(hù)性能與低速碰撞性能的分析結(jié)果，同時(shí)以鋁合金薄壁管為基礎(chǔ)對(duì)其保險(xiǎn)杠結(jié)構(gòu)進(jìn)行優(yōu)化，在保證原汽車保險(xiǎn)杠的吸能低速碰撞性能的基礎(chǔ)上，提升原汽車保險(xiǎn)杠的小腿保護(hù)性能。結(jié)合原汽車保險(xiǎn)杠的結(jié)構(gòu)組成進(jìn)行分析，發(fā)現(xiàn)保險(xiǎn)杠中縱梁結(jié)構(gòu)為吸能部件，但剛度較高，與汽車保險(xiǎn)杠整體的小腿保護(hù)性能存在沖突之處；吸能泡沫是汽車保險(xiǎn)杠的主要吸能裝置，且直接影響到汽車保險(xiǎn)杠的小腿保護(hù)性能，由于其基本形狀和結(jié)構(gòu)均已確定，不利于進(jìn)行大幅度改造。因此本次研究決定采用以鋁合金薄壁橢圓管為基礎(chǔ)對(duì)保險(xiǎn)杠的吸能結(jié)構(gòu)進(jìn)行全面改進(jìn)和優(yōu)化。

2.1 吸能結(jié)構(gòu)的優(yōu)化

2.1.1 材料選擇

當(dāng)前汽車行業(yè)在保險(xiǎn)杠的吸能結(jié)構(gòu)的材料選擇中多以鋼鐵類金屬材料為主，而鋁合金材料因具有密度較低、吸能性好、延展性好等諸多優(yōu)點(diǎn)，是當(dāng)前汽車保險(xiǎn)杠在金屬薄壁結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中常用的材料類型。此外，鋁合金還具有較好的擠壓成型特性，能夠基于設(shè)計(jì)者的不同思路而制作成相應(yīng)的結(jié)構(gòu)形狀，因此，本研究選擇6061-T6鋁合金作為主要材料，其性能參數(shù)為：密度2.7×103kg/m3，彈性模量70 GPa、屈服強(qiáng)度110 N/mm2、抗拉強(qiáng)度213 N/mm2、伸長(zhǎng)率19%。

2.1.2 結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

本項(xiàng)目采用鋁合金薄壁管結(jié)構(gòu)作為吸能元件的主要結(jié)構(gòu)類型。同時(shí)選擇徑向沖擊薄壁鋁合金管結(jié)構(gòu)作為吸能緩沖結(jié)構(gòu)，以滿足對(duì)原保險(xiǎn)杠小腿保護(hù)性能的提升需求。結(jié)合前人對(duì)橢圓截面薄壁管的特性研究結(jié)果[8-9]，選擇長(zhǎng)半徑/短半徑為2的橢圓薄壁管長(zhǎng)徑方向裝置作為吸能結(jié)構(gòu)的主要結(jié)構(gòu)類型。

2.1.3 尺寸設(shè)計(jì)

原汽車保險(xiǎn)杠前端泡沫填充物體積測(cè)量結(jié)果為長(zhǎng)1 000 mm、寬120 mm、高120 mm。同時(shí)結(jié)合原汽車保險(xiǎn)杠前端泡沫填充物的實(shí)際安裝便捷性，于橢圓長(zhǎng)半徑方向設(shè)計(jì)上下兩端的安裝槽，最終保險(xiǎn)杠的吸能結(jié)構(gòu)如圖3所示。

2.2 吸能結(jié)構(gòu)的參數(shù)優(yōu)化

2.2.1 橢圓薄壁管設(shè)計(jì)參數(shù)對(duì)其性能的影響分析

本項(xiàng)目以鋁合金橢圓薄壁管的長(zhǎng)度數(shù)值、厚度數(shù)值作為具體的測(cè)試參數(shù)，結(jié)合汽車保險(xiǎn)杠碰撞沖擊測(cè)試結(jié)構(gòu)對(duì)其設(shè)計(jì)參數(shù)進(jìn)行全面分析。首先對(duì)橢圓薄壁管厚度與其碰撞性能的關(guān)系進(jìn)行分析測(cè)驗(yàn)，以橢圓薄壁管長(zhǎng)度50 mm為基礎(chǔ)數(shù)據(jù)，分別測(cè)驗(yàn)橢圓薄壁管在1 mm、1.2 mm、1.6 mm、2.0 mm厚度情況下的碰撞性能；其次針對(duì)橢圓薄壁管長(zhǎng)度與其碰撞性能的關(guān)系進(jìn)行分析測(cè)驗(yàn)，以橢圓薄壁管厚度0.8 mm為基礎(chǔ)數(shù)據(jù)，分別測(cè)驗(yàn)橢圓薄壁管在60 mm、80 mm、100 mm、120 mm長(zhǎng)度情況下的碰撞性能。碰撞過程中需要將橢圓薄壁管通過安裝槽安裝于剛性塊中，對(duì)其后端6個(gè)方向的自由度進(jìn)行固定約束，以前端為自由端并伴隨質(zhì)量塊的沖擊進(jìn)行碰撞。

結(jié)合橢圓薄壁管在碰撞試驗(yàn)中的變形情況可以得知：鋁合金橢圓薄壁管其長(zhǎng)軸方向受到撞擊時(shí)會(huì)以長(zhǎng)徑方向?yàn)閷?duì)稱軸出現(xiàn)彎曲、變形等現(xiàn)象。對(duì)于不同厚度、不同長(zhǎng)度的橢圓薄壁管的碰撞能量隨時(shí)間的變化曲線分別如圖4、圖5所示。

結(jié)合其仿真分析結(jié)果可知：本測(cè)試結(jié)果中鋁合金橢圓薄壁管最大吸能值隨薄壁管本身厚度與長(zhǎng)度的增加而不斷升高直至其最大吸能值，同時(shí)，單位時(shí)間內(nèi)橢圓薄壁管本身吸能環(huán)結(jié)構(gòu)的吸能值伴隨薄壁管厚度與長(zhǎng)度的增加而不斷升高。橢圓薄壁管內(nèi)能在升高至最大值后存在明顯下降趨勢(shì)，此時(shí)橢圓薄壁管在碰撞過程中出現(xiàn)回彈現(xiàn)象。而橢圓薄壁管內(nèi)能曲線發(fā)生小幅度波動(dòng)的原因在于薄壁管吸能環(huán)結(jié)構(gòu)在碰撞結(jié)束后自發(fā)出現(xiàn)振動(dòng)。

另外，在本測(cè)試中，橢圓薄壁管仍然處于可壓縮范圍的情況下其壓縮位移不斷增加，同時(shí)薄壁管的吸能值也處于上升趨勢(shì)，且薄壁管能量吸收效果在初始階段所引發(fā)的位移相較于后續(xù)階段更大。在橢圓薄壁管位移變化相同的情況下，薄壁管的厚度、長(zhǎng)度越大，則其在碰撞過程中能夠吸收的能量峰值越高。因此總體來說，提升橢圓薄壁管的長(zhǎng)度和厚度，是提升橢圓薄壁管碰撞能量吸收效果的有效措施。

2.2.2 仿真模型分析

對(duì)鋁合金橢圓薄壁管的參數(shù)設(shè)計(jì)如表2所示。對(duì)汽車保險(xiǎn)杠改進(jìn)后的小腿保護(hù)性能、配低速碰撞性能進(jìn)行仿真分析，以小腿沖擊器模型碰撞過程中的小腿加速度值、低速碰撞過程中的橫梁入侵位移數(shù)值作為基礎(chǔ)參數(shù)，以小腿沖擊器模型碰撞過程中的最大吸能值作為參考數(shù)據(jù)，同時(shí)針對(duì)橫梁位移、小腿加速度值、變形吸能值進(jìn)行擬合計(jì)算，提取小腿最大加速度值G、橫梁位移入侵值L、變形吸能值W、薄壁管長(zhǎng)度n，薄壁管厚度m得到相應(yīng)的擬合函數(shù)，針對(duì)計(jì)算結(jié)果結(jié)合橢圓薄壁管填充結(jié)構(gòu)的模型參數(shù)進(jìn)行優(yōu)化計(jì)算。其優(yōu)化目的在于使汽車保險(xiǎn)杠在碰撞過程中的比吸能值提升至最高、小腿加速度值符合規(guī)定、低速碰撞過程中橫梁位移入侵量低于之前原有保險(xiǎn)杠數(shù)值，因此其優(yōu)化計(jì)算公式模型如公式(1)所示。

表2 鋁合金橢圓薄壁管的參數(shù)設(shè)計(jì)Table 2 Parameter design of the aluminum alloy elliptical thin-walled tube

MaximizeW(m,n)

s.t.G(m,n)≤150g

L(m,m)≤160

1≤n≤2

50≤m≤120

(1)

最終上述函數(shù)擬合后通過Matlab優(yōu)化工具進(jìn)行最優(yōu)解計(jì)算，通過的優(yōu)化得到性能最佳時(shí)的m為2.34 mm，n為120 mm，W為582 kJ，L為4.00 mm。

對(duì)上述函數(shù)結(jié)果進(jìn)行圓整處理，由結(jié)果可知：當(dāng)吸能環(huán)厚度為2 mm、長(zhǎng)度為120 mm時(shí)，汽車保險(xiǎn)杠在碰撞過程中所獲得的緩沖吸能效果是最好的。此時(shí)汽車保險(xiǎn)杠系統(tǒng)在小腿沖擊器模型低速碰撞過程中吸收的能量為558.20 kJ，小腿沖擊器模型在低速碰撞中的加速度值為132g，但低于原汽車保險(xiǎn)杠低速碰撞試驗(yàn)中的152g，橫梁位移入侵量為3.98 mm低于原汽車保險(xiǎn)杠低速碰撞試驗(yàn)中的16.2 mm。由此可見，研究改進(jìn)后的汽車保險(xiǎn)杠吸能結(jié)構(gòu)在小腿保護(hù)性能、低速碰撞性能上均有顯著進(jìn)步，且均符合歐盟行人保護(hù)法規(guī)EEVC中的相關(guān)規(guī)定。

3 結(jié)束語

汽車保險(xiǎn)杠對(duì)汽車行駛過程中的行人保護(hù)功能、汽車零件保護(hù)功能等均有重要影響。對(duì)某乘用車保險(xiǎn)杠系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)組成、保護(hù)性能等進(jìn)行了分析測(cè)驗(yàn)，同時(shí)以鋁合金橢圓薄壁管為基礎(chǔ)對(duì)其保險(xiǎn)杠系統(tǒng)進(jìn)行了優(yōu)化改進(jìn)，將改造重點(diǎn)集中在保險(xiǎn)杠吸能泡沫結(jié)構(gòu)材料與結(jié)構(gòu)參數(shù)的改進(jìn)上，最終以鋁合金橢圓薄壁管長(zhǎng)度和厚度參數(shù)的分析優(yōu)化為基礎(chǔ)，得到新型保險(xiǎn)杠的結(jié)構(gòu)參數(shù)最優(yōu)解，仿真結(jié)果顯示經(jīng)過改進(jìn)后的新型保險(xiǎn)杠在小腿保護(hù)性能、低速碰撞性能上均有顯著改善。