賀鑫，董華東，朱浩

(奇瑞新能源汽車股份有限公司，安徽蕪湖 241000)

0 引言

根據最新數據統計，截止2019年底，我國機動車保有量達3.48億輛，同比增長6.4%。汽車在給人類生活帶來諸多便利的同時，也產生了很多安全問題。道路交通事故造成的人員傷亡占各類事故傷亡人數的首位，汽車碰撞安全技術越發(fā)引起世界各國關注[1]。汽車前端碰撞吸能結構作為碰撞安全技術中最重要的吸能結構，提高其吸能效率對于提高汽車的碰撞安全性具有重要意義[2]。根據不同車型，前端碰撞吸能結構略有不同，但主要包括前防撞橫梁、吸能盒、前后縱梁等基本結構[3]。其中前縱梁在碰撞時有軸向壓縮和彎折變形兩種吸能方式。彎折變形吸收的碰撞能量遠小于軸向壓縮[4]。現有的全鋁車身前端吸能結構中的承載縱梁因結構設計不合理、鋁合金難以焊接等問題，容易導致彎折變形，不僅會造成承載縱梁失穩(wěn)，而且極大降低吸能效率，從而造成過多碰撞能量流入乘員艙，危害乘員生命安全。

本文作者通過對某款全鋁車身的前端吸能結構進行碰撞試驗時，發(fā)現吸能盒壓縮不充分、前縱梁后端折彎、縱梁整體上翹、縱梁根部焊縫撕裂等情況。這些情況會極大降低吸能效率，從而造成過多碰撞能量流入乘員艙，危害乘員生命安全。在對碰撞視頻和焊縫分析后，發(fā)現存在設計缺陷，在和相關專業(yè)工程師討論后，對原有車身數據進行結構優(yōu)化、仿真分析，并進行碰撞試驗對標。發(fā)現新型前端碰撞吸能結構可以最大限度防止縱梁失穩(wěn)、保證焊接均勻，以實現導向性軸向壓縮的漸進式壓潰型吸能方式，從而極大提高吸能效率、增加前端吸能結構吸收碰撞能量值、保證乘員安全性，為全鋁車身的前端碰撞吸能結構設計提供重要依據。

1 縱梁失穩(wěn)問題分析

在對某款全鋁車身的前端吸能結構進行40 km/h的40%偏置剛性壁障碰撞試驗時，發(fā)現存在吸能盒壓縮不充分、前縱梁后端折彎、縱梁整體上翹、縱梁根部焊縫撕裂等問題，如圖1所示。

1.1 縱梁失穩(wěn)原因分析

通過查看圖2、圖3攝像機錄制的碰撞過程視頻可知，造成縱梁失穩(wěn)主要有以下幾個原因：

(1)前縱梁失穩(wěn)：前縱梁后端失穩(wěn)，局部壓潰導致縱梁彎曲。如圖2所示。

圖2 前縱梁后端折彎示意

(2)焊縫撕裂：前縱梁折斷后，能量未充分吸收，導致后縱梁承受較大能力，致使后縱梁上翹嚴重，焊縫撕裂。如圖3所示。

圖3 后縱梁上翹、根部焊縫撕裂示意

1.2 試驗對標結果

仿真、試驗加速度曲線對比如圖4所示。

圖4 仿真、試驗加速度曲線對比

根據仿真、試驗碰撞波形中的車體加速度曲線可知，試驗與仿真加速度基本一致，由于試驗在60 ms后縱梁根部完全失效，60 ms后加速度與仿真差異較大。

2 碰撞安全吸能理論

2.1 碰撞吸能公式

汽車在發(fā)生正面碰撞時，主要依靠車身前端“壓潰區(qū)”，即前端碰撞吸能結構的塑形變形來吸收碰撞時的動能[5]。前端吸能結構在實際碰撞中所吸收的總能量計算公式[6]為

(1)

式中：F(s)為撞擊力；δe為壓縮位移；Ed為碰撞吸收總能量。

由式(1)可知，碰撞吸收總能量與壓縮位移有關，在固定壓縮空間內能盡可能多地吸收碰撞能量，車體的耐撞性能就越好。

2.2 前縱梁抗撞性設計

為保證前端吸能結構在碰撞中能盡可能吸收足夠多的碰撞能量，關鍵在于車體前縱梁能夠產生合理的變形形態(tài)[7]。前縱梁在碰撞時有軸向壓縮和彎折變形兩種吸能形式。軸向壓縮為規(guī)則的呈手風琴狀規(guī)則的軸向皺褶變形，能夠緩解碰撞加速度，且變形穩(wěn)定性佳；而彎折變形容易造成前縱梁失穩(wěn)，且吸收的碰撞能量遠小于軸向壓縮[8]。

3 優(yōu)化方案及前端吸能結構設計

3.1 優(yōu)化方案

根據上述縱梁失穩(wěn)問題及碰撞安全吸能理論，提出以下3種優(yōu)化方案。

(1)增加壓潰孔(方案1)

在吸能盒、前縱梁上增加壓潰孔，弱化縱梁前端，引導壓潰。如圖5所示。

圖5 方案1

(2) 增加隔板(方案2)

在前、后縱梁連接處增加隔板，焊接過程中可以保證前后縱梁對中，避免上下表面錯動。如圖6、圖7所示。

(3) 增加坡口、封板(方案3)

后縱梁根部位置增加坡口，增加焊接的熔深；后縱梁根部位置增加封板。如圖8所示。

圖6 方案2

圖7 前、后縱梁連接隔板示意

圖8 方案3

3.2 前端吸能結構設計

結合上述3種優(yōu)化方案，在和相關專業(yè)工程師討論后，在原有前端吸能結構基礎上，設計出一種新型前端碰撞吸能結構。通過對前縱梁吸能盒、前縱梁增加壓潰孔，前后縱梁連接處增加連接隔板、后縱梁根部增加封板，可以最大限度防止縱梁失穩(wěn)、保證焊接均勻，以實現導向性軸向壓縮的漸進式壓潰型吸能方式，從而實現極大提高吸能效率、增加前端吸能結構吸收碰撞能量值、保證乘員安全性等目標。新型前端吸能結構示意圖如圖9所示。

圖9 新型前端吸能結構示意

4 仿真分析及結果對標

汽車碰撞安全研究主要依靠計算機仿真和實車試驗兩種方法。其中仿真分析作為設計階段工作，對碰撞安全研究具有指導意義；而實車試驗可以驗證仿真結果，評價整車碰撞的安全性能要求。作為碰撞安全設計人員，需要保證仿真分析結果與實車試驗結果的一致性，從而為汽車碰撞安全設計提供指導。

4.1 仿真分析

碰撞作為一種瞬時的復雜物理變化過程，是一種非線性動態(tài)接觸變形問題。而LS-DYNA利用中心差分法離散時間域，無需構造剛度矩陣即可求解節(jié)點的運動方程，可有效回避因非線性問題而引起的收斂問題[9]。因此碰撞安全的仿真分析中通常在Hypermesh中建立有限元網格模型，再將網格模型導入LS-DYNA中進行仿真分析。

首先將上述優(yōu)化設計中的新型前端碰撞吸能結構在Hypermesh中進行網格建模后，導入整車仿真模型，如圖10所示。

圖10 整車仿真模型

在Hypermesh中將整車仿真模型搭接完畢后，導入LS-DYNA中進行仿真分析，分析結果如圖11所示。

圖11 整車仿真分析結果

根據圖11可知，縱梁沒有發(fā)生失穩(wěn)，實現了導向性軸向壓縮的漸進式壓潰型吸能方式。

4.2 結果對標

將按照新型前端吸能結構生產的白車身總成安裝至移動臺車，在保證其他條件一致的基礎上，再次進行40 km/h的40%偏置壁障碰撞試驗。如圖12所示。

圖12 40%偏置壁障碰撞試驗前期準備

觀察試驗后的車身前端吸能結構變形方式，如圖13所示。發(fā)現與仿真預期變形一致，縱梁沒有發(fā)生失穩(wěn)，可以實現極大提高吸能效率、增加前端吸能結構吸收碰撞能量值、保證乘員安全性等目標。為全鋁車身的前端碰撞吸能結構設計提供重要依據。

圖13 40%偏置壁障碰撞試驗結果

5 結論

(1) 在對某款全鋁車身的前端吸能結構進行40 km/h的40%偏置剛性壁障碰撞試驗時，發(fā)現存在縱梁失穩(wěn)現象，需要進行結構優(yōu)化。

(2) 根據碰撞安全吸能理論，綜合3種優(yōu)化方案設計出一種新型前端碰撞吸能結構，以實現導向性軸向壓縮的漸進式壓潰型吸能方式。

(3) 通過仿真及實際試驗對標，發(fā)現該種新型前端碰撞吸能結構，可以實現極大提高吸能效率、增加前端吸能結構吸收碰撞能量值、保證乘員安全性等目標。為全鋁車身前端碰撞吸能結構的改進和優(yōu)化設計提供重要依據。