低速碰撞过程中前保结构的改进设计研究

低速碰撞过程中前保结构的改进设计研究

李 政 王大志 李璧浩 杜汉斌(上海汽车集团股份有限公司技术中心,上海 201804)=摘要> 为降低保险费用,要求车辆的主要结构在低速碰撞过程中不会产生永久性破坏。因此,文章基

于RCAR试验标准,建立了某车型的低速正面碰撞有限元模型,并通过与试验结果的比较证实模型的有效性。在此模型的基础上,针对该车型在低速碰撞过程中出现的问题,对其前保险杠的吸能盒进行了改进设计,通过系统试验与整车试验,验证了设计结构的有效性,为相关设计提供重要的指导意义。

=Abstract> Thereshouldbenopermanentdamageonthekeycomponentduringthelowspeedipactinordertodecreasetheinsurancecostsm.BasedontheRCARrequiremen,tavehiclefiniteele-mentmodelduringthelowspeedimpactisestablished,whichisvalidatedthroughcomparingwiththetestresults.Basedonthismode,lforimprovingthevehiclelow-speedcollisionperformance,itsfrontbumpercrashcanismodified.Theeffectivenessoftheimprovedstructureisverifiedthroughsub-sys-temtestandvehicletes,twhichprovidesanimportantguidefortherelevantdesign.

=关键词> 低速碰撞 保险杠 汽车do:i1013969/j1issn.1007-45.2011.05.07

可修复特性而制定的特定碰撞环境下的碰撞测试

0 引言

低速碰撞是城市交通事故中最常见的碰撞形式

[1]

要求。主要以正面碰撞、尾部碰撞试验这两种碰撞试验结果作为依据,再结合汽车和实验中损坏零件的售价、维修工时、车辆性能等计算得到车辆最终保险等级。

本文采用显式有限元法,基于RCAR正碰试验要求,再现了整车正面低速碰撞过程。针对某车型在保险杠低速碰撞过程中出现的问题,基于建立的有限元模型,对保险杠结构进行改进设计。通过系统试验与整车试验,验证改进方案的有效性,并证实有限元模型的可靠性,为相关设计提供重要的指导意义。

,通常速度低于15km/h。研究车辆低速碰撞

性能对于降低维修成本,延长车辆的使用寿命有重要意义。车辆前后保险杠可以吸收低速撞击的能量,缓和外界对车身的冲击,在低速碰撞过程中发挥举足轻重的作用

[2]

。针对保险杠的耐撞性设

[3]

计各国都制定了相应的标准,如美国保险杠技

术标准(CFR581)、欧洲车辆前部防护装置法规(ECER24)和我国汽车车前、后端保护装置评价标准(GB173)1998)。此外,对于欧洲上市车型的保险杠设计还应满足RCAR(ResearchCouncilforAutomotiveRepairs)标准,该标准是欧洲保险机构为评估车辆发生低速碰撞时车辆的损伤程度与

收稿日期:2011-02-28

1 低速碰撞模型的建立

1.1 RCAR工况及其设计要求

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#33#设计研究

RCAR前端碰撞时,偏置刚性壁障位于驾驶员侧,与车体前端呈40%?25mm的重叠,试验车以15(+1/-0)km/h的速度撞向壁障。情况如图1所示。

[4]

Belytschko-Tsay格式的*SECTION_SHELL单元

结构。在整个模型中针对不同结构的材料特性采用多种材料模型,并施加以实测材料参数。对于刚性壁障采用*MAT_RIGID模型,整车板金结构采用*MAT-PIECEWISE_LINEAR_PLASTIC-ITY模型,轮胎采用*MAT_ORTHOTROPIC_E-LASTIC模型,玻璃采用了*MAT_PLASTIC_KI-NEMATIC模型,而防撞泡沫则采用了*MAT_LOW_DENSITY_VISCOUS_FOAM模型。同时为了防止单元严重变形以影响计算速度,同时在实体单元外增加一层*MAT_NULL空单元。此外,由于防撞梁、前保吸能盒及车身纵梁等零件采用了冲压结构,因此还在模型中考虑了其成型因素的影响。

由于发动机舱结构复杂,在低速碰撞过程中存在多种碰撞过程,本文采用了基于法函数的*AUTOMATIC_SURFACE_TO_SURFACE接触模型

图1 RCAR-正碰试验

模拟。为减小单元畸变对计算速度的影响,并保证计算的稳定性,模型采用了Flanagan-Belytschko粘性形式的沙漏控制方式。模型在HP刀片机进行计算,基于商业有限元软件LSDYNA完成。图2给出了模拟计算过程中的能量变化情况,可见沙漏能与接触滑移能均在5%以下,证实仿真结果的可信性。同时可见,随着碰撞的进行,动能逐渐减小,内能逐渐增加,但总的能量不变,说明结构通过变形吸收了动能,而保险杠横梁与

[5]

前保吸能盒无疑是最重要的吸能元件。

为满足RCAR的要求,要求车辆在15km/h低速碰撞过程中尽可能少的受到破坏以降低消费者的维修费用。因此在本车型的开发设计过程中,针对该工况提出了如下的相关设计要求,见表1。

表1 正面低速碰撞要求

维修要求可替换无不可维

修损坏无损伤

零件

前保蒙皮、泡沫隔栅总成、保险杠横梁、保险杠吸能盒、雾灯与转向灯等发动机进气管、风扇、发动机罩盖、翼子板、大灯等

发动机附件、催化器、动力总成、白车身、散热器、冷却器、压缩机等

1.2 有限元模型

本文基于某自主品牌车型结构的CATIA数据,建立了正面低速碰撞有限元模型。由于正面低速碰撞主要会对前舱结构产生损伤,同时为减少模型的计算时间,实际采用了半车模型。其中发动机舱结构是重点考核对象,建立精细有限元模型,对于车辆后半部分仅考虑质量作用,通过在整车质心位置施加质量点方式给整车配重。由于车身结构主要为薄板结构,因此模型采用了#34#图2 能量变化

图3对比了仿真与试验后前保吸能盒的变形,可见该模拟很好地再现了低速碰撞中其吸能盒的压溃形式,进一步证明了模型的有效性。

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设计研究

部塑性应变情况。由图可见,方案1、方案2、方案3均未能解决车身纵梁处的局部变形,表明纵梁前端的台阶及纵梁连接板的更改并不会很好地改善原有结果,变形不是由于其局部强度不合理造成的。同时可见,仅在吸能盒前端或后端增加弱化孔并不能有效控制吸能盒的变形,需要前后均增加弱化孔,才能有效控制吸能盒的变形,进而提高

图3 保险杠吸能盒变形比较

其能量的吸收。方案6的吸能盒完全压溃,且其纵梁连接处塑性变形很小,未引起明显变形,达到了设定目标。

2 结构优化设计

在低速碰撞过程中,要保证一些维修成本高的零件不能损坏,如表1所列零件。

本车型在正面低速碰撞过程中,车身纵梁结构局部发生了损坏,如图4所示,这是不允许的,需要对此加以改进。图4同时比较仿真模型与整车试验在纵梁局部的变形情况,表明模型再现了同样问题,可在此模型基础上进行局部改进设计。

图5 改进方案比较

3 试验验证

图4 纵梁变形比较

3.1 系统验证试验

为验证改进方案的有效性并降低整车试验的风险,首先采用系统试验方式验证吸能盒的压溃形式。系统试验采用台车模拟整车低速碰撞试验,将前保结构装置固定于台车前端,同时将台车配以整车重量,使其重心与整车配重一致。通过牵引方式,使台车速度达到15km/h,进而模拟整车试验效果。图6给出台车试验过程中吸能盒的变形,通过比较图5可见,吸能盒压溃方式与模拟结果基本一致,改进后的吸能盒能够完全压溃。

(下转第53页)

#35#通过分析,导致纵梁连接处局部变形可能由两种原因,一是由于纵梁前端存在局部区域强度不合理,二是前保吸能盒未能完全压溃。基于以上考虑,本文提出以下6种改进措施:(1)减小纵梁连接板翻边;(2)向后移动连接处阶梯;(3)去除连接处阶梯;(4)吸能盒前端增加弱化孔;(5)吸能盒后端增加弱化孔;(6)吸能盒前、后端均增加弱化孔。

基于建立的模型,对上述6种方案分别进行计算,图5给出6种方案的纵梁及前保吸能盒局

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技术导向

4 结语

将CFD技术应用到进气歧管的设计流程中,能够更细致地分析、研究气流在歧管内部的流动情况,为歧管的优化设计提供理论指导。这样不仅有利于减少样件的制作次数,从而节约了开发成本,并且有利于缩短研发周期,是汽车工业设计研发的发展方向。

参考文献

图7 中冷器前端气流速度分布(优化方案)

[1] 王福军.计算流体动力学分析[M].北京:清华大学出版社.2004,9.

[2] 崔怡,高莹,李君等.进气歧管结构对进气不均匀性影响的仿真研究[J].小型内燃机与摩托车,2009,(02).

[3] 许元默,帅石金,王建昕.进气歧管对电喷汽油机充气效率的影响[J].内燃机工程,2004,(01).

升,其中,最低的第一缸的速度均匀性系数C也达到了0.83,说明流动均匀性较好,这样气流进入中冷器后,能够更好地被中冷器冷却,冷却效率比之前有了较大提升。

(上接第35页)

4 结语

本文准确再现了低速碰撞分析过程,并预测了不同改进结构的效果,分别通过系统试验与整车试验,验证了吸能盒的压溃形式与整车改进效果,表明有限元分析方法在整车设计过程中可发挥重要作用。

参考文献

图6 吸能盒变形

[1] 杨永生.汽车保险杠系统低速碰撞性能研究[D].哈尔滨工程大学硕士论文,2006:1-2.

[2] GunterP.S.MarkN.B.,DavidJ.K.CharacteristicsofSpecificAutomobileBumpersinLow-VelocityImpacts[J].931993.

[3] 上官文斌,屈求真.轿车保险杠系统的结构形式及其法规要求[J].汽车研究与开发,1997,(1):37-39.

[4] RcarTestProtocolAngledBarrier[R].Issue2.1RCAR,September2006.

[5] 基于RCAR试验的汽车低速碰撞性能设计[J].汽车工程,2009,(31)12:1165-116.

SAE

3.2 整车试验验证

通过系统试验验证了模拟分析能够预测吸能盒的变形形式,但仍需进行整车试验,以验证该改

进设计的整体效果。基于新的设计方案,进行了整车验证试验。试验表明,该设计完全达到设计要求,吸能盒完全压溃,而车身无明显变形,同时未发生气囊误爆等现象。

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