低速碰撞下防撞梁的冲击响应分析

丛艳军　张爱法　娄磊　顾海明　刘委坤

摘 要：低速碰撞工况下防撞梁冲击响应的分析对于改善汽车防撞梁的安全性能具有重要意义。文章以某款汽车防撞梁为研究对象，对其开展了落锤试验，从碰撞力、侵入量以及吸能特性等几个方面对试验结果进行分析。结果发现该防撞梁至少吸收了六成的能量，且未发生断裂，能够起到较好的吸能作用。此外，还总结了性能参数之间的影响规律，即侵入量增加，碰撞力增加，能量增加；侵入量减小，碰撞力减小，能量减小，为后期防撞梁系统的设计与改进提供一定的数据指导。

关键词：低速碰撞 防撞梁 冲击响应 性能参数

1 引言

我国的机动车保有量逐年上升，随之而来的汽车碰撞安全问题不容忽视，持续改善车辆安全性能已经成为整个行业发展的重中之重。防撞梁，作为汽车车身结构的关键部分，对于乘员和行人而言，在车辆发生低速碰撞时扮演着极其重要的角色。一方面，可以吸收部分撞击能量，弱化对车身结构的冲击，从而起到保护人员的作用。另一方面，在事故发生后，一定程度上还能够降低车辆维修花费的成本。由此可见，分析防撞梁在低速碰撞下的冲击响应对于提升汽车被动安全性能的重要性不言而喻。然而目前，国内外现有的研究大多是围绕整车开展，针对部件级防撞梁的研究较少。

因此，本文基于对相关参考文献、低速碰撞规程以及企业的防撞梁设计流程的阅读，将碰撞力、侵入量以及吸能特性，定义为主要影响部件级防撞梁低速碰撞性能的三个参数[1]。并以某款汽车防撞梁为研究对象，开展了落锤动态试验。通过对试验结果的分析，总结出各性能参数之间的影响规律，为企业防撞梁的设计与改进提供一定的试验数据参考，具有工程开发意义。

2 试验概况简述

2.1 测试设备

本文所用到的测试设备主要包括跌落塔装置、车载碰撞试验数据采集仪、加速度传感器以及六轴力传感器等。其中，跌落塔装置如图1所示，主要是由基座、转接板、制具、龙门架、直线导轨、激光测距传感器、举升托盘、滑块、制动器以及落锤结构几部分组成。该装置的有效行程为6000 MM，额定负载为200 KG。在通过制具对试件完成固定后，举升托盘开始将落锤结构推升至特定高度；接下来制动器钳制，使得落锤结构牢牢抱死在直线导轨上；随后下降举升托盘，释放制动器，受重力作用，落锤结构逐渐加速，从而冲击待测试件，整个碰撞过程结束。

车载碰撞试验数据采集仪主要用于数据的采集，测试过程中，采样频率设置为20000 Hz。六轴力传感器，能够同时测量FX、FY、FZ的三个力和MX、MY、MZ的三个矩，主要负责采集落锤试验过程中的碰撞力。本文中的两个六轴力传感器分别布置在防撞梁吸能盒的下端。加速度传感器则用来记录输出试验过程中的加速度数据，布置在落锤结构的上端。

2.2 试件设置

本文中的待测试防撞梁主要由横梁、吸能盒以及连接板组成，三者之间的连接方式为焊接。其结构的示意图如图2所示[2]。在测试过程中，防撞梁碰撞力越小，代表传递到车身纵梁的力就越小，从而车辆部件的损坏度就越小，驾乘人员受伤害的风险就越小，即防撞梁的撞击性能就越好。同时，防撞梁的被侵入量也不宜过大，不然其周边的零部件会因空间受到压缩而遭到毁坏。而为了更好地保护车身纵梁，防撞梁作为关键的吸能部件，应该尽可能地吸收更多的能量[3]。

本文选取图3所示的两个接触区域作为落锤结构冲击的加载位置，模拟事故发生率较高的偏置碰撞工况。同时，为验证试验数据的一致性与准确性，每个加载区域分别进行三组重复性试验，总计开展六组落锤试验。

落锤结构质量为140.0千克，目标速度为6.9米/秒，考虑到摩擦力等影响，落锤结构释放高度设置为2.8米。表1详细记载了六组试验具体的试验参数值。

3 试验结果及分析

3.1 左右侧比对

落锤试验结束后，分别对六组试验的碰撞力、侵入量以及能量进行了统计，统计结果如表2所示。观察数据能够发现，六组试验最大碰撞力、最大侵入量以及最大能量的数据差异不大。其中，左侧最大碰撞力、最大侵入量以及最大能量的平均值分别为82.8、56.5、3.1，右侧最大碰撞力、最大侵入量以及最大能量的平均值分别为81.1、57.8、3.0，说明该款防撞梁左右侧结构有较好的一致性。

此外结合试验后试件还可以发现，该防撞梁仅冲击接触区域发生变形，横梁的两端、吸能盒、连接板以及连接位置的焊缝均未出现断裂现象，表明该款汽车防撞梁在低速工况下具有较好的吸能作用。

3.2 碰撞力分析

试验后，将两个FZ方向上的力载荷相加，然后对数据进行滤波处理，滤波频率等级CFC为180，即得到如图4所示的碰撞力-时间曲线。

观察曲线不难发现，0时刻，落锤结构开始与防撞梁发生接触并相互作用，碰撞力随着时间的累计而急剧增加，直至5 ms左右，增加速率稍微减缓，到19 ms左右，落锤结构落至最下端，载荷达到峰值，为57.2 kN。随后，碰撞力开始逐渐减小，落锤结构与防撞梁逐渐分离，约40 ms时，载荷降为0，冲击过程全部结束。

3.3 侵入量分析

本文将冲击过程中落锤结构在下落方向上的位移近似定义为防撞梁的侵入量。首先对加速度数据进行二次积分，再进行滤波处理，滤波频率等级CFC为180，即得到如图5所示的侵入量-时间曲线。

观察曲线能够发现，随着时间的增加，落锤结构开始接触并挤压防撞梁，侵入量呈先增加再减小的变化趋势。其中，在20ms左右，侵入量达到了最大值，为82.0mm。结合碰撞力分析，在20ms至50ms之间，侵入量逐渐减小，究其原因是由于随着落锤结构高度的回升，防撞梁发生了些许回弹，直至与防撞梁完全分离，侵入量趋于稳定。

与落锤结构在下落方向上的位移相比，防撞梁的侵入量在实际试验过程中，并未减小至0，而是降至一定数值后便再无明显变化，说明防撞梁在落锤试验过程中不仅发生了弹性变形，还发生了塑性变形，且占比较大。

3.4 吸能特性分析

落锤结构冲击防撞梁的过程，在忽略小部分以其它形式耗散的能量的前提下，本质上可以理解为是落锤结构的动力势能向防撞梁的内能转变的一个过程。由图6的能量-时间曲线可以看出，在20 ms之前，能量一直是随着时间的增加而增加的，20 ms时，能量最大，为3.1 kJ。也就意味着，在这段时间内，随着落锤结构对防撞梁的冲击，动能不断被防撞梁所吸收，逐渐转化为内能。在此之后，随着时间的继续增加，能量开始缓慢降低，最终保持在2.2 kJ上下。出现这一现象的原因是防撞梁的回弹，部分内能又重新转化为动能。通过计算，发现回弹结束后的能量分别占初始动力势能和最大能量的66%和71%，说明该防撞梁具有较好的吸能效果。

3.5 性能参数关系分析

图7和图8分别为碰撞力-侵入量曲线和能量-侵入量曲线。碰撞力-侵入量曲线表明，随着侵入量的增加，碰撞力增加。侵入量减小，碰撞力随之减小。能量-侵入量曲线表明，随着侵入量的增加，能量增加。侵入量减小，能量随之减小。防撞梁的塑性变形，使得部分动能转化为内能，故能量并未减小至0。

4 总结

对某款汽车防撞梁进行了落锤试验，并从碰撞力、侵入量以及吸能特性等方面对试验结果进行了分析。结果表明，该防撞梁能够起到较好的吸能作用；

此外，还总结了性能参数之间的影响规律，即侵入量增加，碰撞力增加，能量增加；侵入量减小，碰撞力减小，能量减小，为后期防撞梁系统的设计与改进提供一定的数据指导。

参考文献：

[1]黄文舜. 汽车前防撞梁低速碰撞性能分析及优化设计[D].广州：华南理工大学，2019.

[2]张一凡. 某汽车前防撞梁的动态特性分析及轻量化设计[D].济南：山东建筑大学，2022.

[3]苏来华. 汽车保险杠系统低速碰撞的耐撞性研究[D].郑州：华北水利水电大学，2022.