搭载不同型号发动机的车身结构碰撞优化

韩建伟 李华伟 张福路

（江淮汽车技术中心）

汽车碰撞性能的高低很大程度上取决于发动机舱内的车体纵梁结构设计。很多车型发动机舱内部都会搭载不同型号的发动机，而不同型号发动机的体积质量又有很大区别，因此当更换发动机时有可能会产生无法布置发动机舱的问题，发动机体积会占据发动机舱碰撞前纵梁的有效截面，质量的增加对碰撞性能目标也是一个威胁[1]。文章针对改变发动机搭载后，整车的质量增加并且纵梁截面减小的情况，在不改变发动机舱内各种重要零部件布置和性能的前提下，通过对发动机舱纵梁进行结构优化设计，并进行CAE分析验证，得到了解决此类问题的最优方法。

1 问题描述

某车型按照前期规划设计只搭载排量为1.5 L的发动机，碰撞性能已经符合要求，但是后期为了丰富产品线，在数据已经冻结的情况下考虑同时搭载排量为2.0 L的发动机。由于发动机的变化，整车质量由原来的1 580 kg增加到1 630 kg，同时在体积方面，其宽度有明显超出。为了不影响发动机舱总布置，在车体纵梁截面上进行避让，截面减小，其他装置不变化，但是碰撞性能要求能达到原有的水平。纵梁截面变化，如图1所示。

2 结构方案优化设计及CAE分析

将搭载1.5 L发动机定义为1.5模型，搭载2.0 L发动机定义为2.0模型。文章提到的碰撞主要指偏置碰撞[2]。车身布置2.0 L发动机后，整车质量增加了50 kg，同时纵梁调整为弧形过渡来布置2.0 L发动机。为了能够确定更换发动机后对入侵量的影响，车体模型分析暂不做任何结构优化，利用LS-DYNA软件对碰撞结果进行分析，图2示出偏置碰撞CAE模拟模型。

经过数据分析发现，2.0模型主要不符合要求的是制动踏板处，其入侵量目标值为100 mm，1.5模型与2.0模型的入侵量分别为95.6，116.8 mm，可以看出，2.0模型的入侵量超出目标值16.8 mm，基于此问题，提出4种设计优化方案。

2.1 弱化纵梁前端（方案1）

采用弱化纵梁前端的方法，使发生碰撞时纵梁前端能弯折并有效吸收碰撞能量，从而减少后部踏板处的撞击强度，减少入侵量。该方案主要包括：1）修改纵梁加强板形状，将厚度从1.8 mm降到1.2 mm；2）将纵梁外板加强筋抹平。具体方法如图3所示。

图4示出方案1碰撞后结果，其中灰色部分是1.5模型碰撞分析结果，黄色为方案1优化后分析结果。从图4可以看出：1.5模型纵梁第1变形区主要为纵梁加强板末端与悬置之间，会促使纵梁前端向内侧弯折，方案1虽然在此处纵梁也出现弯折，但没有1.5模型的数据严重；1.5模型纵梁第2变形区在纵梁加强板前端引导槽处，而方案1在此处的纵梁前端发生向上的弯折，严重影响力的传递及吸能，导致制动踏板处入侵量增大。

分析数据发现，方案1优化后，2.0模型入侵量减小为110.7 mm，但是还是难以满足目标值。

2.2 取消加强板（方案2）

方案2仍然考虑纵梁前端弯曲不够，吸收能量不够彻底，所以直接取消加强板，加大弱化纵梁前端幅度，使其吸能更多，增大溃缩量，减少制动踏板处入侵。

图5示出方案2的纵梁溃缩弯曲对比情况，其中灰色是1.5模型数据分析结果，红色是优化方案2碰撞分析结果。方案2其纵梁前端由于无加强板，发生了较大的塑性变形，但由于缺乏引导槽，因此没有很好地溃缩变形。并且纵梁前端变形，向内侧发生弯折，前端上翘，无法很好地向后端传力，因此力大部分传递到了制动踏板处，导致该处入侵量还是相对较大。经入侵量数据统计分析，方案2的入侵量为106 mm，方案2不能彻底解决碰撞中制动踏板处入侵量过大问题。

通过方案1与方案2的分析，发现增加纵梁前端溃缩变形，减少对纵梁后端的力的传递，效果不明显，不能使车身达到原有碰撞性能目标。

2.3 加强下纵梁强度（方案3）

方案3直接加强制动踏板下面的纵梁强度，减少纵梁后端屈服变形，从而减少侧围入侵量，起到支撑作用，将下纵梁加强板厚度由1.6mm强化为2.0mm，如图6所示。

图7示出加强下纵梁强度后纵梁溃缩弯曲对比，其中灰色是1.5模型数据分析结果，蓝色是优化方案3碰撞分析结果，方案3纵梁前端向内侧弯折更严重，且前端向下弯折，向后的力传导能力差，影响力的传递及吸能，但由于其制动踏板处下纵梁强度增强，因此该处入侵量有所改善。经入侵量数据统计分析，方案3的入侵量为111.2 mm，制动踏板处入侵量改善不明显。

2.4 加强上边梁（方案4）

碰撞变形较大时，力的传递不但可以通过前纵梁传递，发动机舱上边梁也能起到一定防撞作用。方案1、方案2和方案3在纵梁上的优化不能达到碰撞目标，所以考虑加强上边梁，纵梁暂时不做调整。对上边梁材料进行加厚处理，具体方案如图8所示。采用方案4后碰撞分析结果，如图9所示，其中灰色是1.5模型数据分析结果，绿色是优化方案4碰撞分析结果。从图9可以看出，前端弯折与1.5模型数据基本重合，后端变形量也很接近。经入侵量数据统计分析，发现方案4可以使碰撞性能大幅提升，入侵值（97.7 mm）基本达到目标，碰撞性能提升明显。

3 结论

汽车搭载新的发动机后，由于质量和体积增加，会引起车身碰撞性能下降。通常采取加强纵梁后端或者弱化纵梁前端2种方案来增强碰撞效果，但是文章中方案4采取优化上边梁的新型方案。从分析结果中可以看出，在对原车型不做大改动的前提下，优化发动机上边梁可以使该车型得到更好的碰撞性能，效果明显优于直接优化纵梁的方案，为后续设计提供了参考。