基于汽车正面碰撞的吸能盒设计及优化

2013-12-14谭皓文杨述松江晶晶

重庆理工大学学报(自然科学) 2013年3期

雷刚，谭皓文，樊伟，李灿，杨述松，江晶晶

(重庆理工大学 a.汽车零部件及检测技术教育部重点实验室;b.重庆汽车学院，重庆 400054)

耐撞性设计一直是汽车设计的重点，直接关系到乘员在碰撞事故发生后的受伤程度及生存概率。汽车吸能盒是汽车纵梁前端的主要吸能部件，在碰撞发生时，吸能盒的吸能能力很大程度上影响汽车耐撞性的好坏。

利用子模型技术的汽车优化方法已经被有关文献证实是可靠、高效的。吸能盒的纵向压溃是一个非常复杂的高度非线性过程。通过显式动态有限元法建立汽车正面碰撞的子模型，能很好地还原出更接近真实情况的碰撞过程。吸能盒吸收能量与纵梁最大碰撞力以及吸能盒的结构之间的关系是相互制约的，利用现在较为成熟的自适应面优化方法，基于正面碰撞子模型，能高效地优化出最优的吸能盒结构。

1 正面碰撞子模型的建立

1.1 子模型部件的确定

要建立一个能在最大程度上能替代正面碰撞的子模型，首先要确定子模型所包含的部件［1］。由对整车正面碰撞的仿真变形结果的观察可知，在正面碰撞中起主要吸能作用的部件包括前防撞梁、吸能盒、纵梁外板、纵梁内板等结构。

为验证这些部件是主要吸能部件，对比了吸能部件与整车部件的内能增量(见图1)。通过之前的正碰仿真结果得知，碰撞后32 ms时为纵梁变形结束时刻。从图1中可以看到，在0～32 ms这段时间内，这些吸能部件变形所增加的内能占据了整车部件变形所增加内能的绝大部分，在32 ms时，这个比值为4.881/7.135=68.4%，由此可以充分说明以上所选的部件为主要吸能部件，可以作为子模型的部件。由于汽车左右纵梁结构基本相同，碰撞变形一致，为使研究方便，计算效率更高，故选取左侧纵梁建立子模型，如图2所示。

1.2 子模型边界条件的施加

子模型边界条件施加的基本步骤是将整个模型计算后，将作用于子模型部件上的边界条件提取出来，然后施加到子模型中。本文中边界条件为在整车碰撞结果文件中提取纵梁后端节点位移信息，将其加载到左右纵梁后端，并给予子模型50 km/h的初速度。2种情况都在前纵梁与车身部件有链接关系的部件上施加适当的边界条件。

图1 吸能部件与整车部件内能增量

图2 左侧纵梁正面碰撞子模型

2 子模型的验证

建立好子模型后要对其进行验证。纵梁内外板内能变化对比如图3所示，吸能盒内能变化对比如图4所示。图3和图4证明该模型可替代整车碰撞模型。

图3 纵梁内外板内能变化对比

图4 吸能盒内能变化对比

3 吸能盒截面形状的选择

前人的研究表明，截面几何形状对薄壁件的吸能会有一定的影响。本文选择一系列不同截面(方形、六边形和圆形)的薄壁结构作为研究对象(如图5所示)，在它们的厚度、质量以及长度都相同的情况下，比较它们在正面压溃简易模型(如图6所示)中的吸能情况，确定吸能盒的截面形状。

图5 吸能盒不同截面形状

图6 吸能盒简易碰撞模型

简易碰撞模型的仿真结果如图7、图8所示。

图7 不同截面形状吸收内能变化对比

图8 不同截面形状碰撞力变化对比

由图7、8可以看出，从能量吸收效果来看，圆形截面最好，六边形截面和方形截面依次次之。从刚性墙的反力来看，圆形截面梁最大，六边形和方形依次次之。可以得出结论:在纵向匀速压溃中，对于对称截面形状的薄壁梁结构，在质量、长度以及厚度均相同的情况下，对称面越多，吸能效果越好，所需的压溃反力越大。纵梁的压溃力与吸能是碰撞中一对矛盾的参数，压溃力越大，加速度峰值也就随之增加。

从圆形截面吸能盒刚性墙反力的变化来看，反力峰值出现在吸能盒与刚性墙接触时刻，这个峰值可以通过弱化吸能盒来消除。弱化吸能盒的一个较好的方式是给吸能盒增加合理的变形诱导槽。消除了压溃力这个因素之后，圆形截面成为了本文设计吸能盒的最佳选择。

4 吸能盒结构设计及优化

在确定了吸能盒结构的截面形状之后，考虑到圆形截面碰撞力会比较大，在此基础上增加诱导变形机构，削弱吸能盒的碰撞力。其次，碰撞吸能的平稳性也是影响碰撞力的一个重要因素。波纹管碰撞力的时间历程曲线比较平稳［2］，因此，将波纹管作为吸能盒的最佳选择。在大波纹管内部增加一个直径和长度均较小、材料强度较大、波纹管弱的波纹管，本文设计的吸能盒结构如图9所示。