可脱落式前副车架结构仿真与试验

张迎军+涂金刚+张林波+肖海峰+潘锋

摘要：为应对日趋严格的被动安全法规和标准以及当前流行的短前悬设计带来的整车前碰空间不足的问题，提出可脱落式副车架设计方案。首次引入三阶等效波设计方法，基于某车型Euro NCAP前部偏置碰撞仿真结果提取前副车架连接点位置的载荷特征曲线，规划可脱落式副车架的失效时域；设计前副车架脱落方式及其零部件试验方案，采用CrachFEM失效模型对试验方案进行仿真，对比5轮试验与仿真结果发现：CrachFEM失效模型仿真与冲击试验中前副车架的拉脱失效力峰值的误差最大值为4.31%。将优选脱落结构设计方案应用于该车型Euro NCAP前部偏置碰撞仿真计算，前副车架在规划时域内脱落，第三阶等效加速度a₃降低11.83%，整车位移增大20 min，整车归零时刻延长1.1 ms，因此该方案可有效改善该车型的前部高速耐碰撞性能。

关键词：汽车；前副车架；三阶等效波；失效仿真；CrachFEM；LS-DYNA

中图分类号：U467.14 文献标志码：B

0引言

当前，国内主流家用轿车一般采用前置前驱的动力总成布置形式，在应对日趋严格的碰撞安全法规和标准时，由于前部高速碰撞发生时前舱可供变形吸能的有效空间（以下简称“碰撞空间”）不足，常常表现为整车加速度后段均值偏高，乘员伤害值偏大，从而给NCAP星级开发目标的实现带来巨大挑战。

前副车架是轿车底盘重要的承载部件，其特殊的设计能使整车在承受来自正面碰撞冲击载荷的情况下，分散冲击能量，有效改善整车碰撞加速度波形。可脱落式副车架将副车架与车身的连接部件设计成在特定受力条件下可以自行脱落的方式，使得前部碰撞发生时，前副车架从车身连接点脱落并因自身重力的作用而向下移动，同时带动与之相连的动力总成下沉，实质上可增大前碰过程中前纵梁的碰撞空间，从而实现降低加速度的目的。在国外，主流主机厂对可脱落式副车架设计进行大量的研究，并申请国际专利保护。Mazda公司提出一种基于前副车架安装支架螺栓过孔边缘弱化的结构，螺栓过孔发生大变形时前副车架脱离车身，该结构已成功应用于量产车型Mazda CX-5；Ford公司设计一种前副车架后连接点脆性脱落结构，并已成功应用于Focus 2015；Honda公司设计一种利用连接螺栓预紧产生的界面摩擦力限值来控制前副车架前连接点与车身分离的结构，该结构见于Honda CRV和奥德赛；Toyota公司采取前副车架后连接点滑脱的方案；Tesla公司采用在前副车架中部边梁设置折弯诱导槽的方式，实现前副车架前连接点脱落。华晨汽车设计一种在副车架羊角上端面开豁口的结构，在保障整车激励和动刚度的同时，提升某款车型的耐撞性能；吉利汽车在前副车架连接套筒上设置局部弱化缺口结构，并已经将该成果应用于一款量产车型。

本文针对Euro NCAP前部偏置碰撞工况引入三阶等效波设计方法，基于Euro NCAP前部偏置碰撞仿真计算结果提取前副车架连接点的载荷特征曲线，规划可脱落式副车架的失效时刻，设计前副车架脱落方式及其零部件试验方案：首先采用CrachFEM失效模型对试验方案进行仿真研究；然后试验验证CrachFEM失效模型预测结果的有效性；最后将优选脱落方案应用于整车结构，用Euro NCAP前部偏置碰撞仿真验证设计方案的可行性。

1三阶等效波

在预研阶段，新车型碰撞的仿真及优化过程要求以尽可能少的参数表征整车前碰加速度，同时又能等效假人伤害值，从而实现快速评估整车结构优化成果的目的。为此，基于文献，奇瑞公司引入三阶等效波理论，将Euro NCAP前部偏置碰撞的车体加速度波形简化为三阶等效波形，假设在前部偏置碰撞试验中，整个碰撞行为变形吸能的空间可以分为3部分：（1）前保横梁前端与蜂窝铝壁障背板之间的蜂窝铝压溃距离d₁；（2）动力总成在蜂窝铝壁障重叠区域至前保横梁最前端区间的结构件变形d₂；（3）动力总成最后端至防火墙对应部位前端之问的结构变形以及防火墙和地板吸能变形d₃。整车变形吸能区域示意见图1。

根据d₁，d₂和d₃变形区域的能量守恒原理，可以将复杂的实车前部偏置碰撞波形转换成物理特征明显的三阶等效波形，经无量纲化处理后见图2。把Euro NCAP前部偏置碰撞加速度曲线划分为7个阶段：

（1）前保横梁开始挤压蜂窝铝壁障，碰撞力上升，时间较短；

（2）蜂窝铝壁障被压溃，有波形，形成第一个平台，对应d₁变形阶段的第一阶等效加速度a₁；

（3）前保横梁和吸能盒被压溃，碰撞力上升，时间短；

（4）纵梁被压溃，有波形，吸收能量可用力的平均值表示，形成第二平台，对应d₂变形阶段的第二阶等效加速度a₂；

（5）前副车架，上弯纵梁等部件进入碰撞范围，发动机撞击并压实壁障，碰撞力上升，时间较短；

（6）更多零部件进入碰撞过程，如纵梁后部、防火墙、中通道、底板纵梁等，形成第三平台，对应d₃变形阶段的第三阶等效加速度a₃；

（7）碰撞力下降，碰撞动能吸收完成，结构开始回弹，加速度下降。

除保证总碰撞能量守恒的条件外，等效三阶波还需要保证与实车波形有如下关系。

（1）相同的回弹时刻：整车速度为零时车体开始反弹。（2）相同的发动机停止时刻：发动机撞上壁障的时刻。（3）相同的车体最大动态变形：d_max=f（d₁，d₂，d₃）。

根据以上碰撞原理和前提假设，使用二次开发工具将实车碰撞波形简化为三阶等效波形，其特征参数回弹时刻t_r，发动机停止时刻t_e，最大动态变形d_max，以及总能量密度均與实车碰撞波形一致。endprint

基于上述理论，整车前部40%偏置碰撞工况的车身结构优化的首要任务是降低第三阶等效加速度a₃，并尽可能地提高a₁和a₂。

2可脱落式副车架结构设计

针对某车型，基于可脱落式前副车架降低a₃原理（见图3）和第1节所述第（5）阶段碰撞特征，弱化前副车架连接点位置车身钣金结构，设计方案结构特征见图4a）。经过一系列的零部件仿真分析发现：决定车身钣金结构撕裂拉脱失效力大小的因素包括钣金结构的材料牌号（屈服强度、等效塑性应变）、材料厚度、边缘弱化孔半径r，以及弱化孔r的开孔方向。综合制造工艺可行性，最后确定在前副车架前连接点车身支架螺栓通孔位置与x轴方向呈114°夹角对称开共计2个半径r=8 mm的弱化孔，见图4b）。在确保不明显影响车身结构强度、NVH和耐久性能的前提下，实现在预设的目标拉脱力范围内使前副车架前安装点脱离车身。

3零部件动态冲击与失效仿真

3.1试验台架

针对该车型，进行Euro NCAP前部偏置碰撞工况LS-DYNA仿真计算，提取左侧B柱根部的加速度-时间曲线，并基于第1节所述方法，使用MATLAB二次开发工具，将实车碰撞波形简化为三阶等效波形，经无量纲化处理后见图5。前副车架连接点设计在60～75 ms时刻脱离车身有可能降低a₃。

从某车型Euro NCAP前部偏置碰撞工况仿真计算结果中提取前副车架车身连接点螺栓的载荷特征曲线，见图6。

根据理论力学基本原理可知施力夹角（方向）和合力大小分别为

根据式（1）和（2）计算60～75 ms时域内前副车架前后车身连接点的受力大小，见表1。

设计前副车架脱落结构动态冲击试验装置见图7，包括安装在碰撞驱动小车上的发射头和与发射头相配合的冲击挡板。前副车架样件外侧设有轴套和十字拉脱销，前副车架样件内侧设有凸焊螺母，长螺栓依次穿过十字拉脱销、轴套与凸焊螺母固定；十字拉脱销横向穿过拉脱叉并与之铰接；前副车架样件固定于冲击角座上，冲击角座顶面为斜面，斜面的倾斜角度与试验施力角度相同。试验时发射头撞击冲击挡板，冲击挡板带动拉脱叉总成沿水平导轨滑动，进而拉脱叉经十字拉脱销带动长螺栓进行拉脱动作，从而模拟实际前部高速碰撞过程中副车架车身连接点的真实载荷工况。根据施力夹角，冲击角座倾斜角取30°；驱动小车和发射头总质量约950 kg，以10 km/h的速度沿水平方向撞击冲击挡板。

3.2动态冲击试验与失效仿真

基于CrachFEM失效模型，建立前副车架脱落结构动态冲击试验有限元仿真模型（见图8）。副车架连接点车身钣金厚度为2.0 mm，材料为DP590，弱化缺口r=8 mm，网格大小为1 mm，模型包括2道长20 mm的对称烧焊焊缝，焊点采用节点重合/网格对齐的方式连接凸焊螺母边缘与车身钣金，焊接位置建模考虑热影响区，通过*INITIAL_STRESS_SHELL对涉及的材料塑性硬化曲线、材料成形极限曲线、剪切失效曲线和正向失效曲线进行适当缩放实现，以牺牲焊点自身精度实现焊点热影响区的断裂失效模拟；考虑连接螺栓的预紧作用，通过*INITIAL_AXIAL_FORCE_BEAM对连接螺栓施加40 kN的预紧力。

冲击试验样件仿真与试验试件最终形貌对比见图9，二者整体变形吻合良好，螺栓缺口位置的钣金撕裂裂纹萌生位置和钣金撕裂最终形貌一致性良好。

动态冲击仿真与试验的加速度-时间曲线见图10。由此可知，仿真与试验中小车加速度峰值基本一致（相对于实验值，仿真结果误差为2.82%），相位相差8.6 ms，这是由冲击试验装置中十字拉脱销与拉脱叉之间的相对运动和试验时在冲击挡板上加装缓冲木板引起的。

CrachFEM失效模型包括正向失效、剪切失效和局部颈缩引起的失稳失效，后处理中可以通过查看单元的失效指标判断引起失效的原因，见图11。图11a）为3个指标的合成云图；从图11b）可知该模型中裂纹萌生不是由正向断裂引起的；从图11d）可知该模型中裂纹萌生也不是由局部颈缩引起的；图11c）为剪切失效指标，数值大于1，说明动态冲击试验裂纹萌生是由剪切失效引起的。改变车身钣金的材料牌号和厚度以及弱化孔的尺寸，形成5个脱落结构设计方案，分别进行CrachFEM失效模型仿真和动态冲击试验，动态冲击仿真与试验拉脱失效力对比见表2。对比可脱落式副车架结构动态冲击试验结果，5轮CrachFEM失效模型仿真与冲击试验中前副车架的拉脱失效力峰值误差最大值为4.31%，因此可以认为采用CrachFEM失效模型仿真预测副车架结构拉脱力和失效形貌是可靠、合理的。

最优方案为副车架车身前连接支架采用DP780材料，钣金厚度1.5 mm，螺栓通孔位置与x轴方向呈114°夹角，对称开共计2个r=8 mm的弱化孔，脱落失效力为29.2 kN，最有可能满足Euro NCAP前部偏置碰撞工况前副车架脱落要求。

4整车偏置碰仿真验证

基于CrachFEM失效模型，将最优方案再现在某整车CAE模型上，进行Euro NCAP前部偏置碰撞仿真分析，结果显示前副车架前连接点位置车身钣金支架在t=64.3 ms时刻发生撕裂失效，拉脱失效力峰值为26.7 kN。

脱落方案实施前后动态冲击试验结果对比见表3。采用可脱落式副车架结构设计方案后，偏置碰撞加速度第三阶等效加速度a₃降低至29.8g（降低4.0g），整车位移增大20 mm，整车归零时刻延长1.1 ms。该平台车型的前部高速碰撞耐撞性能得到改善。

5结论

（1）针对某整车Euro NCAP前部偏置碰撞工况首次引入三阶等效波设计方法，基于LS-DYNA仿真计算结果提取前副车架连接点的载荷特征曲线，规划可脱落式副车架的失效时域t=60～75 ms。

（2）设计前副车架脱落方式及其零部件试验方案，采用CrachFEM失效模型对试验方案进行仿真研究，比对5轮试验与仿真结果发现CrachFEM失效模型仿真与冲击试验中前副车架的拉脱失效力峰值的误差最大值为4.31%。

（3）将最优脱落方案应用于整车结构，进行Euro NCAP前部偏置碰撞工况仿真计算，结果显示：t=64.3 ms时刻前副车架前连接点成功脱离车身支架；相对于原始结构，优化结构第三阶等效加速度a₃降低11.83%，整车位移增大20 mm，整车归零时刻延长1.1 ms，验证前副车架脱落结构设计方案的有效性。

（4）CrachFEM失效模型能有效模拟碰撞过程中普遍存在的钣金撕裂现象，可以為被动安全开发提供解决方案。endprint