1、商用车吸能型前下部设计在轿车与重型商用车迎面碰撞过程中,由于两者高度的明显差异,轿车极易钻入商用车底部,给轿车乘员造成致命伤害。因此重型商用车必须装备前防护装置。欧洲现行法规 ECER93和我国正准备实施的商用车前下部防护要求强制性标准(主要借鉴ECER93 法规)规定了前防护装置刚度的下限,但是如果前防护装置设计过于刚硬,那么前防护装置在碰撞过程中将起不到缓冲吸能的作用,即前防护装置碰撞相容性不好,轿车仍将处于劣势。文献2中研究的前防护装置主要通过盒形梁的折叠压缩吸收碰撞能量,满足了 ECER93 法规的要求。文献3中将低保险杠作为商用车前下防护装置,大大改善了商用车和轿车碰撞相容性。文献4
2、中通过多刚体软件 MADYMO 建立了商用车前防护装置与轿车迎面碰撞仿真模型,对设计的吸能型前防护结构进行了分析。本文中对某商用车原有前下部防护装置进行 ECER93 法规的验证,找出不足之处,据此设计了一种新型商用车前防护装置。该防护装置不仅具有碰撞阻挡功能,也能起到缓冲吸能的效果。1 某商用车前下部防护装置性能分析1.1 原车前防护装置的法规验证某商用车前防护装置的三维模型如图 1 所示。该前防护装置主要包括:横梁和支架两部分。支架上端通过螺栓与货车纵梁相连,支架下端通过焊接的方式与横梁相连。考虑到减轻支架质量,在支架上开了孔洞。图 1 原车前防护装置的 3D 模型为考核该防护装置的防护功
3、能,按 ECER93 对其进行法规验证。ECER93 法规对防护装置刚度的要求具体体现在加载点的变形上。它规定,在 3 个点(P1、P2 及 P3 点 )上施加规定的静载荷 ,在各施力点处测得的变形所引起的水平位移文秘站中国最强免费文秘网！点处的水平位移均大于 400mm,不符合法规要求,表明其前端防护刚度不足。1.2 轿车与原车前防护装置碰撞仿真分析建立轿车前端与商用车前防护装置碰撞仿真模型,轿车以56km/h 的速度撞击固定的原车前防护装置。图 3 给出了 120ms时的碰撞仿真结果,整个碰撞过程中,前防护装置吸收能量 25.9kJ,由图中可以看出,原防护装置未起到阻挡作用,轿车直接钻入商
4、用车底部,并且商用车车架侵人轿车前风窗玻璃。2 吸能型前下部防护装置结构设计2.1 支架结构设计考虑到原防护装置支架刚度不足,本文中采用拓扑优化方法设计防护支架结构。拓扑优化的最大优点是能在结构拓扑形状未定的情况下,根据已知边界条件和载荷条件确定比较合理的结构形式,可用于全新产品的概念设计。对于连续结构拓扑优化,常用的方法有:均匀法、变密度法和渐进结构优化法等。本文中采用变密度法对前端防护支架进行拓扑优化,其基本思想是引入一种假想的在0,1之问的密度可变材料 ,将连续结构体进行有限元离散,每个单元的密度作为设计变量,将结构的拓扑优化问题转化为单元材料的最优分布问题。2.1.1 拓扑优化有限元模
5、型的建立建立高 400mm、宽400mm、厚 60ram 的有限元模型作为支架 ,如图 4 所示,采用六面体实体单元划分,单元边长为 10mm。材料弹性模量为2.110MPa,泊松比为 0.3,密度为 7.810kg/1TI。支架上端固定,右下端施加一均布力。设置拓扑优化的设计目标是支架的应变能最小(刚度最大),约束条件是优化后支架的体积分数小于 0.5,设计变量是单元密度。2.1.2 拓扑优化结构设计目标函数经过 21 次迭代后收敛,图5 给出了优化结果的密度云图,图 6 给出了相对密度为 0.3 以上的密度结果等值面图。布,据此可以重新设计支架的结构,如图 7 所示的“倒 2A”字型支架。
6、支架由 3 根空心型钢构成,1 和 2 的截面为 60mm60ram,3 的截面为 60ram40ram,考虑到需要对厚度进行参数优化,厚度设稍大一一图 7 拓扑优化后的支架结构些,初始值均为 7mm,材料屈服极限为 189MPa。2.1.3 支架结构的参数优化将 3 根钢管的厚度作为设计变量,在支架 1 的下端施加与法规规定的 12 点加载力相等的水平力160kN,考虑到在低速碰撞工况下,由支架前端的吸能器先发生压溃变形吸收能量,支架几乎不发生变形,本文中设置支架 1 下端水平位移小于 1mm。设计目标为模型质量最小,目标函数经过 6 次迭代收敛。图 8 给出了 3 个厚度变量的迭代历史。优
7、化后支架1、 2、3 的厚度分别为 4、5 和 0.4mm。图 9 给出了支架质量的迭代历史,优化前支架质量为 12.1lkg,优化后为 6.87kg,质量减轻了43.27%。2.2 吸能器结构设计为了使设计的防护装置在与轿车迎面碰撞中更多地吸收能量,在支架前端设计了薄壁吸能部件,见图 1O。根据吸能器吸收能量与压溃反力,本文中将吸能器长度设定为 192mm,变形引导槽深度为 3mm,截面大小设计为 85mm85mm。考虑到吸能器处于悬臂状态,在吸能器与支架之间设计了。3 吸能型前下部防护装置 ECER93 法规验证按照 ECER93 法规要求对新设计的防护装置进行了验证,P1、P2 和 P3
8、 施力点水平位移结果如表 2 所示。其中防护装置下边缘离地高度为 390mm。从表 2 可以看出 ,各施力点处的水平最大位移均小于 400ram,满足 ECER93 法规要求。同时,两 P1 点之间防护的下边缘离地高度也小于 450ram。因此该防护装置满足ECER93 法规要求。4、吸能型前下部防护装置与轿车碰撞仿真结果分析为了进一步考察该防护装置阻挡与缓冲吸能功能,将其与轿车进行了正面碰撞试验仿真。除了考虑轿车分别以 56 和 65km/h的速度撞击固定的前防护装置两种碰撞工况外,还进行轿车90km/h 极限速度下与前防护装置的碰撞仿真模拟,以考察该前防护装置在极限速度下提高乘员生存率的能
9、力。4.1 吸能式前下部防护装置阻挡功能在 90km/h 碰撞速度下 ,轿车达到最大钻入量时的碰撞结果如图 12 所示,由于支架变形较大,轿车的钻人量为 640ram,可以看到轿车前风窗玻璃离商用车车架还有一段距离,另外车体 B 柱下部减速度为 38.5g(见图 13),轿车前围板最大侵人量为 278mm,这些都表明该吸能型前防护装置在 90km/h 极限碰撞速度下可以较好地提高乘员生存率。图 1390km/h 碰撞速度时轿车车体 B 柱下部减速度4.2 吸能式前下部防护装置缓冲吸能功能碰撞速度为 56 和 65km/h 时,测得车体 B 柱下部减速度如图 14 所示。餐时间/s 图 14 两
10、种碰撞速度时轿车车体 B 柱下部减速度从图 14 中可看出,在 56 和 65km/h 实车正面碰撞时,车体 B柱下部减速度都不大,小于 30g,表明所设计的前下部防护装置具有较好的缓冲吸能功能,可减轻对碰撞车辆车内乘员的伤害。5 结论按现行法规 ECER93 和我国准备实施的商用车前下部防护要求强制性标准,对前防护板式支架结构进行了重新设计,设计实现了“倒 A”字型支架,并在支架前端加入碰撞缓冲部件盒形梁,通过褶皱压缩变形消耗碰撞能量。相比拓扑优化与参数优化前,该吸能型前下部防护装置减轻了质量。设计的防护装置满足法规 ECER93要求,并且表现出良好的碰撞相容性。下一步将着重考虑商用车防护下部离地高度,以及轿车的车头形状等因素对防护装置的阻挡与吸能效果的影响,提高所设计防护装置的实际应用价值。
