基于薄壁梁力学分析的车身吸能结构快速预测模型

游 洁，陈 东，耿富荣

（广州汽车集团股份有限公司 汽车工程研究院，广东 广州 511434）

前言

在车身前期概念设计阶段，汽车设计的重要任务就是完成各个零部件、系统的选型，并满足他们的布置和造型要求的工程结构设计转化，此阶段的设计如同一张白纸，其输入会频繁发生变化，并且需要结构设计能快速响应，确定方案可行性[1]，因此如何提升布置造型的碰撞吸能空间可行性校核并快速获取车身碰撞结构参数是提升前期碰撞结构设计效率的关键。

目前国内外已有大量车身正面碰撞的基础设计要素相关的研究，文献列举了某款车的前端碰撞各时刻下的车速和车体变形及碰撞壁障载荷的变化趋势，能直观体现各时刻下车体的变化和布置的变化，导致速度的变化等[2]。文献详细阐述了车体正碰下的基础动力学模型，将车体视作一个质点，构建出速度、加速度和变形的相关数学公式[3]。文献对薄壁梁结构进行正碰压溃力的研究，描述了薄壁梁在轴向压溃下的载荷变化[4]。文献对薄壁梁的翻边设计、截面的宽高比、动静态压溃速率对于薄壁梁的轴向压溃力的影响进行研究分析和经验汇总[5]。

本文结合薄壁梁设计理论和车身正碰设计流程，制定车身前端吸能结构设计技术路线，通过梳理归纳车身吸能正碰结构的影响因素和设计要素，提炼出薄壁吸能结构预测模型的输入输出变量及其相关关系，最终构建预测模型，并通过实例验证完成车身吸能结构的设计。

1 技术路线

车身正面碰撞结构设计优先基于全正碰工况进行分析，在满足全正碰工况要求下，设定碰撞吸能空间和最大加速度要求，其他工况则基于全正碰工况下的碰撞吸能空间要求，通过加速度和结构设计的匹配达成相关要求。

车身正面碰撞结构主要包括前端吸能结构、中、后部抵 抗变形结构组成，前端吸能结构通过结构变形分散能量，中、后部抵抗变形结构则需尽量避免变形保证乘员舱中人体的安全。

车身碰撞吸能结构主要包括机舱纵梁前端、上边梁前端、防撞梁本体及其吸能盒等结构，在碰撞过程中承担主要吸能作用，减少后部能量传递到乘员舱影响人体安全。步骤如下：

（1）基于全正碰工况下乘员伤害要求设定碰撞过程中的最大加速度要求；

（2）基于碰撞结构传力路径选定碰撞吸能效率；

（3）基于布置和造型约束计算分析碰撞吸能空间；

（4）基于最大加速度要求和碰撞性能效率系数获得平均碰撞力；

（5）基于整车分配碰撞力占比后的机舱前端结构碰撞力；

（6）基于车身前端结构碰撞力需求获得结构尺寸参数设计。

基于上述步骤，确定技术路线图如下：

图1 预测模型技术路线图

2 构建预测模型

2.1 输入和输出分析

基于预测模型构建的技术路线图，车身吸能结构参数预测模型的输入包括车身碰撞设计参数和吸能结构设计变量，具体如表1所示。

表1 预测模型各参数及变量说明

基于预测模型构建的技术路线图，车身吸能结构参数预测模型的输出包括薄壁梁吸能结构设计参数和截面重量，具体如表2所示。

表2 预测模型各输出及相关说明

2.2 搭建数学模型

基于上述模型的输入和输出分析，预测模型如下：

目标函数：

其中m基于设计变量截面宽度w，截面高度h和截面厚度t及材料密度ρ计算获得，相关计算分析具体如下：

基于吸能空间校核分析，若amax1≤amax2则吸能空间满足要求，若不满足则需通过优化布置，提升吸能空间，或通过调整约束系统要求，提高amax2以达到相关要求，在amax1=amax2下，布置空间与性能需求达到平衡。

结合上述计算分析和相关要求可知车身前端碰撞力Favg2为：

基于薄壁梁压溃理论分析，薄壁梁压溃力曲线中Pm是薄壁梁的静态压溃平均力，Pmax是薄壁梁的静态压溃最大力，P1和P2是薄壁梁压溃过程中的高峰值和低谷值，t是薄壁梁材料料厚，b是薄壁梁的边长，σy是薄壁梁材料的屈服强度，相关计算公式如下：

基于薄壁梁压溃效能的提升，一般薄壁梁压溃过程中的碰撞吸能效率如下：

其中w，h和σy其需在一定设计输入范围内选取，假定如下：

2.3 实现快速预测模型

基于EXCEL和ACCESS办公软件实现预测模型的自动优化迭代和快速分析，输入界面如下图所示：

图2 快速预测模型输入界面示意图

图中蓝色区域为设计定义区域，其中结构参数和材料参数中的厚度、强度均为一定范围的变量，需迭代优化出最佳结果。

结果输出界面如下图所示：

图3 快速预测模型输出界面示意图

图中绿色区域为输出预测值，其中碰撞吸能空间和车身吸能结构平均碰撞力为计算值，截面重量、宽度、高度、厚度和强度均为迭代优化值，实现性能达标下结构最轻化。

3 案例应用分析

利用上述预测模型在概念设计前期即可对车身关键吸能结构进行参数化结构设计，基于吸能空间的预测要求，分解到机舱内的变形量为270 mm，前围入侵量为50 mm，共320 mm（大于312 mm碰撞吸能空间要求），通过CAE验证分析结果如下：

表3 碰撞吸能结构参数预测与验证结果汇总表

基于上述各项指标对比，通过预测后的结构参数设计的车身前端吸能结构在后期设计中验证效果较好，满足各项要求。

4 结论

本文结合薄壁梁压溃基础理论分析知识和项目应用，证 明车身碰撞吸能结构快速预测模型确实能在设计前期高效地平衡布置和性能，获得最佳的设计参数，提高设计效率，规避后期的设计风险。模型的搭建、工具化和验证效果总结如下：

（1）结合基础理论知识，提炼归纳设计输入参数、变量和输出变量。

（2）通过物理、力学公式构建计算逻辑关系，搭建基础数学预测模型。

（3）搭载Access数据库工具，实现自动迭代优化功能，快速预测参数。

（4）模型设置输入和输出两个界面，其中输入界面可基于数据样本的积累和变化，实现预测模型的更新完善。

（5）在案例应用上，模型简单，输入输出明确，分析高效，前期概念预测与后期详细设计分析验证结果符合度高，一致性好。