某商用车前下部防护碰撞特性分析

赵航 王一哲 张俊

摘 要：商用车前下部防护在汽车碰撞减轻乘员伤亡方面起到关键作用。文章以某商用车前下部防护为例，基于前下部防护碰撞法规，联合HYPERWORKS-LSDYNA软件建立了碰撞分析有限元模型，分析了该前下部防护碰撞性能。分析表明，该前下部防护碰撞性能符合法规、材料断裂延伸率要求，能量曲线也从侧面验证了仿真的可靠性与真实性。

关键词：前下部防护;碰撞法规;碰撞分析

中图分类号：U463  文献标识码：A  文章编号：1671-7988（2020）04-121-03

Collision Performance Analysis of A Commercial Vehicle Front UnderProtective Devices

Zhao Hang， Wang Yizhe， Zhang Jun

（ Shaanxi Heavy Duty Automobile Co. Ltd.， Shannxi Xian 710200 ）

Abstract： The commercial vehicle front under protective device plays an important role in reducing the casualties of passengers in vehicle collision. This paper based on the Front Under Protective Devices regulation， established the finite element model of collision analysis with HYPERWORKS-LSDYNA software， has analyzed the front under protective devices collision performance in detail. The analysis shows that the collision performance of this front under protective devices confirms to the regulations、material fracture rate， the energy also verifies the reliability and authenticity of the simulation.

Keywords： Front under protective devices; Collision regulations; Collision performance

CLC NO.： U463  Document Code： A  Article ID： 1671-7988（2020）04-121-03

前言

汽車前下部防护应用在当前各种类型商用汽车中，其主要是指专门的前下部防护装置或依靠自身外形和特性能够具有前下部防护功能的车辆车体、车架部件或其他部件（防护横梁、斜支撑、连接件等），旨在汽车发生碰撞时对车辆冲击有足够阻挡力，吸收和缓和碰撞产生的外界冲击载荷，减小乘车人伤害的一种安全装置^[1]。

基于此，深入研究汽车前下部防护碰撞特性，对前下部防护各部件吸能特性与变形规律进行分析，设计更加优良的前下部防护，具有重要的现实意义。

本文以更新Lagrangian增量算法^[2]的碰撞理论为基础，建立了某商用车前下部防护有限元分析模型，分析了该前下部防护碰撞特性。本论文不仅揭示了前下部防护碰撞特性，也为前下部防护装置的研究工作提供技术参考。

1 数值分析模型

1.1 前下部防护碰撞有限元模型

前下部防护模型如图1所示，图中，安装支座（3）设计有支撑车架的支架，以增大安装支座吸能作用，减小碰撞时车架能量吸收，使其具有更好的稳定性;防护横梁（7）则采用更加美观的截面结构，截面设计为不同厚度以得到较小横梁重量。利用HYPERMESH软件建立某商用车前下部防护几何模型。为了减小计算量，截取车架纵梁（1）的一部分，全约束车架端面;省略模型中的螺栓连接，利用RB2单元模拟;加载面（6）与防护横梁（7）接触面进行面面接触，根据前下部防护碰撞法规，在防护横梁相应位置利用加载面施力，分析前下部防护各部件碰撞特性。

1.2 前下部防护碰撞相关参数

前下部防护碰撞CAE仿真中，大多数采用部分积分类型，由于碰撞模型网格中有较多的四边形壳体和实体单元，计算可能出现沙漏，而沙漏的产生将对计算结果造成巨大影响，因此需要对沙漏进行设置，同时，为验证仿真结果的正确性，可以根据能量守恒定律，利用系统能量曲线来判断结果的正确性。此外，为了评价前下部防护的碰撞性能，可以利用各部件变形量δ_e、应变ε_e、吸收能量E作为评价指标^[3]。

（1）各部件变形量δ_e

汽车碰撞过程中，前下部防护将吸收大部分碰撞过程产生的动能，各部件变形量则反映着吸能的大小，直接影响驾驶舱的安全性能。各部件在同等撞击力的作用下，变形量越小，前下部防护系统剩余压缩空间越大，从而有更大的压缩位移余量来吸收动能，但若达到某一临界值，防护横梁将被压溃，前下部防护系统受到破坏，驾驶舱安全性受到影响。因此，根据前下部防护碰撞法规，本文加载面作用下的各部件变形δ_e应小于400mm，加载面上的加载曲线应如图2所示。

（2）应变ε_e

汽车碰撞过程中，汽车前下部防护系统由不同材料组成，因此各部件存在不同的应变，应变的大小影响着材料的吸能特性，为了衡量这种特性，可以计算各材料应变ε_e，并保证碰撞发生时，各材料应变小于材料断裂延伸率，如表1所示。

（3）各部件吸收能量E

汽车碰撞过程中，各部件在撞击过程中吸收的能量E计算公式如下：

式中：F表示碰撞过程中的碰撞力;s表示各部件变形量，δ_max为碰撞过程中各部件最大位移。

2 计算结果和讨论

2.1 碰撞性能分析

汽车前下部防护的主要功能为吸收碰撞产生的能量和完成冲击力的转移，基于此，本文前下部防护碰撞CAE仿真中，需要提取相关性能参数对前下部防护性能进行评价。而为了验证仿真过程中接触力的施加情况，提取接触面上的力，如图3所示，与预想载荷-时间变化曲线一致。

2.1.1 前下部防护变形分析

如图4所示为前下部防护0.3s碰撞过程内的变形云图。图中，前下部防护各部件在加载力作用下，从前端至尾端稳定而有序地进行逐层能量传递，逐渐收缩。未施加载荷的半截面上各部件变形不大，载荷作用有限，这里不做具体分析。

施加载荷的半截面上，0-0.1s内载荷从0逐渐变化到160KN，防护横梁首先发生变形，斜支撑、防撞托架与防护横梁直接接触，随着防护横梁的变形一起变形，并且因为结构布置的原因，两种部件与防护横梁接触部分变形较大，而安装支座安装在防撞托架与车架之间，起到过渡支撑车架、前横梁与防撞托架的作用，对车架变形有一定缓冲，变形量不大，使车架与前横梁在碰撞加载力的作用下变形保持稳定。0.1s后直到0.3s加载结束，载荷保持160KN不变，前下部防护各部件变形开始逐渐趋于稳定，最大变形发生在防护横梁前端，为30.20mm，远小于法规标准变形的400mm，符合法规要求。

2.1.2 各部件应变结果分析

汽车前下部防护碰撞仿真中，防撞横梁、斜支撑、防托架、防撞托架、安装支座几个部件跟随防撞横梁一起运动，产生一定应变。如图5所示为前下部防护各部件的应变分析云图，图中，防撞横梁最大应变率为0.02，斜支撑最大应变率为0.04，防撞托架最大应变率为 0.05，安装支座最大应变率为0.07，均小于材料的断裂延伸率。

3 结论

本文建立了某商用车前下部防护有限元模型，并联合HYPERWORKS-LSDYNA软件，基于前下部防护碰撞法规，以各部件变形量δ_e、应变ε_e、吸收能量E作为评价指标对该结构进行了碰撞性能仿真分析。仿真结果为对其他商用车前下部防护设计工作亦有参考价值。综上所述，本文结论如下：

（1）联合HYPERWORKS-LSDYNA软件， 采用更新Lagrangian增量算法碰撞理论基础^[3]，根据前下部防护碰撞法规要求，提出并建立了某商用车前下部防护有限元分析模型。

（2）完成了该前下部防护的碰撞性能分析。研究结果表明，各部件变形量满足法规要求，应变在材料断裂延伸率范围内。

（3）对该前下部防护碰撞的能量变化情况进行了分析。分析结果表明：碰撞产生的总能量基本转化为内能与接触能，沙漏能控制在总能量的1%之内^[4]，有残余动能存在但符合真实情况，也从侧面验证了仿真结果的正确性;对比各部件能量吸收情况，系统内能大部分则由安装支座、车架纵梁、防护横梁吸收。

参考文献

[1] 米林，魏显坤，万鑫铭，等.铝合金保险杠吸能盒碰撞吸能特性[J]. 重庆理工大学学报（自然科学）， 2012， 26（6）：1-7.

[2] Sohn S M， Kim B J， Park K S， et al. Evaluation of the crash energy absorption of hydroformed bumper stays[J]. Journal of Materials Processing Technology， 2007，187（3）：283-286.

[3] 胡遠志，曾必强.基于LS-DYNA和HyperWorks的汽车安全仿真与分析[M].北京：清华大学出版社，2012.

[4] 白金泽，LS-DYNA3D理论基础与实例分析（第一版）[M].科学出版社， 2005：1-57.