侯延軍 楊帥 程豹 崔東
(中國汽車技術(shù)研究中心,天津 300300)
主題詞:前艙空間 G-S曲線 吸能率 平臺化 碰撞
汽車安全性是汽車各項性能中最為重要的一項內(nèi)容。各主機廠為了進一步控制開發(fā)成本,為了實現(xiàn)車型的家族化設(shè)計、并維持性能的高統(tǒng)一性,逐步推進了平臺化車型的設(shè)計。眾所周知,車型平臺化開發(fā)好處很多。例如可以實現(xiàn)平臺內(nèi)各車型性能的高度一致性、傳承性;可以縮短開發(fā)周期,提升開發(fā)效率;可以提升零部件的應(yīng)用率,進一步降低生產(chǎn)成本。平臺化概念最早的提出和踐行者應(yīng)該是德國大眾集團,它在十幾年前就提出平臺概念并在產(chǎn)品開發(fā)上實施了平臺戰(zhàn)略,當(dāng)年的PQ34/PQ35平臺也曾經(jīng)是高品質(zhì)的象征。如今的MQB平臺產(chǎn)品,已經(jīng)占了大眾集團旗下銷量的一大半,是非常成功的平臺化典型案例。除了大眾集團以外,其它國外車企也紛紛實施了各自的平臺化戰(zhàn)略,比如寶馬的ULK平臺、通用的E2XX平臺、雷諾-日產(chǎn)CMF平臺,豐田甚至還拿出了超越傳統(tǒng)平臺概念的TNGA架構(gòu)。國內(nèi)外汽車研發(fā)的發(fā)展表明,平臺化將是當(dāng)前乃至未來汽車界的主流技術(shù)方向。國內(nèi)目前很多車企也加快了車型平臺化開發(fā)的步伐,如奇瑞的T1X、M1X平臺,吉利生產(chǎn)領(lǐng)克品牌的CMA平臺、長安提出的P1-P4平臺開發(fā)戰(zhàn)略等。
由于同平臺下車身架構(gòu)基本一致,其生產(chǎn)的各車型,安全性能往往是處于強相關(guān)狀態(tài):一旦此平臺架構(gòu)出現(xiàn)安全性結(jié)構(gòu)設(shè)計缺陷,就會導(dǎo)致同平臺各車型均出現(xiàn)安全性問題。因此在車型平臺化設(shè)計過程中,被動安全性能也將完成平臺化的開發(fā),如何快速實現(xiàn)與車身強相關(guān)的安全性能的高質(zhì)量開發(fā),是擺在工程師面前的首要問題。而整車耐撞性安全性能的設(shè)計,關(guān)鍵是做好相關(guān)吸能空間的合理設(shè)計,以實現(xiàn)碰撞能量的合理吸收及碰撞力的合理傳遞[1]。前碰工況是道路交通安全事故的高發(fā)勢態(tài),在前碰工況下,整車前艙結(jié)構(gòu)是參與整車碰撞吸能的主要結(jié)構(gòu),在被動安全開發(fā)中需要充分考慮前艙結(jié)構(gòu)及布置的設(shè)計。
在汽車前期設(shè)計開發(fā)中,找到合理的前艙空間需求至關(guān)重要,尤其在車身正向設(shè)計開發(fā)前期,車身架構(gòu)是一個從無到有的過程,這使得建立前艙吸能空間模型非常困難。當(dāng)前,機艙布置的研究集中在具體的部件布置間隙關(guān)系或整車尺寸的分析研究方面[2-3],對前艙整體空間布置研究及空間布置和整車性能的關(guān)聯(lián)性影響分析比較少[4-5]。本文提出了一種基于能量統(tǒng)計的前艙空間設(shè)計及校核方法,基于此方法,可以在車型設(shè)計初期,幫助整車集成部門高效完成機艙的布置,輔助判斷當(dāng)前車型規(guī)劃(如動總類型、質(zhì)量分布、前艙布置設(shè)計)可滿足的安全性能覆蓋裕度。并為平臺化車型中各具體類型的車型安全目標(biāo)設(shè)計提供指導(dǎo)。
當(dāng)前,車型安全空間性能評估可通過幾個不同模式的典型碰撞工況進行:100%剛性墻碰撞、40%偏置碰撞、50%可變形壁障重疊碰撞、25%剛性小偏置碰撞。其中100%剛性墻碰撞工況,完全由評估車型的變形完成吸能,其能夠最大程度的體現(xiàn)前艙空間安全性能,且車身左右縱梁碰撞受力較為均衡[6],適合對前艙空間評估進行研究,本文將基于100%正碰進行研究分析。
正面碰撞工況結(jié)構(gòu)開發(fā)關(guān)鍵指標(biāo)是整車加速度波形、乘員艙入侵[7];理想的平臺化車身結(jié)構(gòu)應(yīng)實現(xiàn)以下2個功能:
(1)前機艙可充分吸收碰撞產(chǎn)生的能量;
(2)乘員艙不發(fā)生或者產(chǎn)生較小的變形;根據(jù)車型開發(fā)的不同階段,可通過以下3個技術(shù)方案進行整車結(jié)構(gòu)安全性開發(fā):
(1)預(yù)研與總布置階段,前艙安全空間評估與校核;
(2)詳細數(shù)據(jù)設(shè)計階段,仿真分析與優(yōu)化;(3)整車集成驗證階段,實車摸底與優(yōu)化。
機艙安全空間設(shè)計及布置設(shè)計,集中分布在第一個階段,此階段工作可以最大限度規(guī)避吸能空間不足導(dǎo)致的開發(fā)困難及開發(fā)失敗的風(fēng)險;
常用的機艙變形空間評估方法如圖1所示。機艙安全空間計算方法是對S1/S2/S3進行累加,但是S1/S2/S3空間內(nèi),存在可變形體及接近于剛體的不可變形體,且各結(jié)構(gòu)的變形模式不同,如圖2所示。其吸能效果也不盡相同,累加尺寸不能代表實際的有效安全空間。因此此方法雖然對碰撞安全性開發(fā)有一定的指導(dǎo)性,但是開發(fā)設(shè)計誤差較大。為了提高設(shè)計開發(fā)精度,需要找到一種更為合理的、精確的前機艙壓潰空間尺寸評估方法。
圖1 前艙空間統(tǒng)計示意
圖2 前艙中幾種典型的結(jié)構(gòu)變形模式
為了研究前機艙內(nèi)各個空間段內(nèi)結(jié)構(gòu)變形吸能性能,我們將前艙結(jié)構(gòu)劃分為以下6段,如圖3所示。
圖3 前艙空間區(qū)域劃分方案
圖3中,D1為防撞梁前端至吸能盒后端,主要的結(jié)構(gòu)包括:防撞梁、吸能盒、前端模塊。D2為吸能盒后端至懸置前安裝點,主要結(jié)構(gòu)包括縱梁前段、動總前段和發(fā)罩一部分。D3為懸置前安裝點至懸置后安裝點,主要為動總結(jié)構(gòu)、輪胎和懸置。D4為懸置后安裝點至縱梁根部,主要結(jié)構(gòu)為輪胎、輪轂、縱梁后段、發(fā)罩后段和副車架。D5為懸置后安裝點至縱梁根部,主要結(jié)構(gòu)為A柱、前圍、指前梁結(jié)構(gòu)。D6是地板前端至B柱,主要結(jié)構(gòu)分布在乘員艙范圍內(nèi)。
不同區(qū)域段的結(jié)構(gòu)性能不同,在碰撞過程中變形模式不盡相同,其壓縮空間存在差異。同時,其變形吸能貢獻量也不盡相同?;趨^(qū)段特性進行統(tǒng)計數(shù)據(jù)分析,可以用于評估開發(fā)車型的前機艙吸能效果及指導(dǎo)各區(qū)段加速度波形的設(shè)計。
汽車碰撞中變形吸能過程是將汽車的動能轉(zhuǎn)化為變形能及其它形式能量的過程。為方便數(shù)據(jù)分析及統(tǒng)計,除去汽車碰撞后期的殘余動能,其剩余動能等同于碰撞過程中碰撞力所做的功。整車碰撞過程中,碰撞力、作用距離及結(jié)構(gòu)變形吸能滿足如公式(1)。
式中,Ei為變形時刻的內(nèi)能增量,Di為變形時刻的前艙壓潰量,F(xiàn)i為變形時刻的碰撞力。
而整車加速度與碰撞力的關(guān)系滿足式(2)。
式中,mi為變形時刻的整車參與碰撞質(zhì)量,ai是變形時刻的車身加速度。
通過公式1、2可以得出式(3)。
因此可以看出,當(dāng)結(jié)構(gòu)吸能一定時,增加壓潰空間Di可以有效的降低車體加速度,繼而緩解乘員受力,達到優(yōu)化整車安全性的目的。
為了研究各截面段變形吸能效果及整車加速度關(guān)系,采用了多個成熟的整車結(jié)構(gòu)耐撞性模型樣本,通過LS-DYNA有限元分析軟件進行數(shù)據(jù)分析[8]。樣本信息如表1所示。
表1 分析車型樣本信息
經(jīng)過計算分析,對各個區(qū)域段內(nèi)的所有參與變形結(jié)構(gòu)的能量信息進行統(tǒng)計。在不同區(qū)段,其壓縮空間存在差異,如圖4所示。壓縮比例最大截面集中在D1D2段;D5/D6壓縮比例較小,符合乘員艙較小變形的規(guī)律。同時,其變形吸能貢獻量也不盡相同,如圖5所示?;趨^(qū)段特性進行統(tǒng)計數(shù)據(jù)分析,可以用于評估開發(fā)車型的前機艙吸能效果及指導(dǎo)各區(qū)段加速度波形的設(shè)計。
圖4 不同區(qū)域段壓縮量統(tǒng)計
圖5 不同區(qū)域段吸能量統(tǒng)計
為了有效評估不同空間、布置對車型加速度的影響,結(jié)合式(3),提出了一種加速度波形的簡化處理方法,既采用加速度當(dāng)量來代表各段車身加速度情況。如式(4)所示。
式中,WDi為相應(yīng)截面的內(nèi)能變化量,MDi為相應(yīng)截面變形過程中的參與計算質(zhì)量,SDi為相應(yīng)截面的位移量。
為方便統(tǒng)計與評估,假設(shè)每一截面段壓潰過程壓潰力為一恒定值,每一截面段參與計算的質(zhì)量為一恒定值,每一段參與計算的質(zhì)量分解如圖6所示。
圖6 各截面段參與動能變化的質(zhì)量分解
以D1段為例,加速度當(dāng)量的計算過程如下:通過統(tǒng)計仿真結(jié)果中D1段所有參與結(jié)構(gòu)的內(nèi)能變化來確定WD1,通過模型測量D1段參與計算的質(zhì)量來確定MD1,通過對仿真結(jié)果的測量來獲取D1截面段的壓潰量SD1。最后應(yīng)用式4可計算出D1截面段的加速度當(dāng)量aD1。
根據(jù)各樣本車型的計算結(jié)果,計算各車身各截面段加速度當(dāng)量分布如圖7所示。D4/D5段加速度過高的車型,說明整車壓潰后期,碰撞能量仍然過大;此類車型,前艙空間較為有限;
圖7 各截面加速度當(dāng)量
根據(jù)式(4),只要確定各截面段的內(nèi)能吸收量、參與計算的質(zhì)量、以及實際的壓潰量,就可以計算出其加速度當(dāng)量,繼而獲取G-S曲線。
各截面段的壓縮量等效處理方法:統(tǒng)計所有車輛的每個區(qū)段的壓縮量均值、上限和下限。分析每個區(qū)段的壓縮占比及布置參數(shù),擬合出不同區(qū)段的壓縮公式:預(yù)估壓縮量=a·區(qū)段長度·f(m,p,c)(函數(shù)與整備質(zhì)量(m)、動總類型(p)和零部件特性(c)相關(guān)),a為修正系數(shù)。圖8例舉了7個車輛模型,有限元分析每個區(qū)段的壓縮量和擬合壓縮量的參數(shù)進行對比情況。圖8中100%處標(biāo)線為理想情況下擬合結(jié)果,表示擬合結(jié)果和仿真結(jié)果完全一致。
圖8 各車型壓縮量擬合情況統(tǒng)計
各截面段吸能等效處理方法:統(tǒng)計所有車輛的每個區(qū)段的吸能比率均值、上限和下限。分析每個區(qū)段的主吸能和零部件類型,擬合出不同區(qū)段的吸能公式:預(yù)估吸能量=b·總動能·f(f,d,s)(函數(shù)與主吸能結(jié)構(gòu)(f)、壓潰量(d)+零部件吸能特性參數(shù)(s)相關(guān)),b為修正系數(shù)。圖9是例舉7個車輛模型,有限元分析D1區(qū)段的吸能量和擬合的吸能量參數(shù)進行對比。
圖9 各車型D1截面段吸能擬合情況統(tǒng)計
各截面段參與碰撞質(zhì)量的等效處理方法:統(tǒng)計所有車輛的每個區(qū)段的質(zhì)量占比,以及對應(yīng)的車體入侵量。根據(jù)車體總質(zhì)量、每個區(qū)段的質(zhì)量及區(qū)段特性,提出每個區(qū)段的質(zhì)量密度,建立擬合公式:等效質(zhì)量=總車重·(區(qū)段密度·區(qū)段長度);計算質(zhì)量=整車整備質(zhì)量-(等效質(zhì)量和)。圖10是例舉7個車輛模型,實測每個區(qū)段的質(zhì)量和數(shù)學(xué)擬合質(zhì)量的參數(shù)進行對比。
圖10 各車型等效質(zhì)量擬合情況統(tǒng)計
根據(jù)以上等效數(shù)據(jù)的擬合情況,基于數(shù)學(xué)方法,并根據(jù)車型的信息,對G-S曲線進行了計算并修正,計算的G-S曲線和實車碰撞分析的G-S曲線對比如圖11所示。
圖11 數(shù)值分析G-S曲線和碰撞模型G-S曲線對比
在總布置及概念設(shè)計階段,通過主機廠提供的有限的物理參數(shù)信息,采用本文所述的擬合方案,可以基于經(jīng)驗方案獲取其G-S曲線,如圖12所示。這樣就彌補了本階段由于數(shù)據(jù)狀態(tài)不足以完成仿真分析而無法獲取G-S曲線的缺陷,使得被動安全性能開發(fā),更早一步的介入到整車開發(fā)中來。
圖12 G-S曲線評估方案
前文所述,不同截面段由于結(jié)構(gòu)特性差異及變形差異,其吸能效果不盡相同。因此,提出了吸能率的概念用以表征各區(qū)域段的吸能效果,既單位長度的結(jié)構(gòu)變形吸收能量的能力,吸能率可以用式(5)表示。
結(jié)合仿真統(tǒng)計結(jié)果,可以進一步定義本區(qū)域段的高吸能率及低吸能率,如圖13所示。以D1段為例,其吸能率平均值約為320 J/mm,最高吸能率為480 J/mm,最低吸能率為260 J/mm。
圖13 不同截面段吸能率統(tǒng)計
根據(jù)各截面段不同吸能率的情況,判斷出此截面段的加速度當(dāng)量值,繼而判斷出此截面段的實際吸能性能:如處于高吸能率階段,則此截面段的吸能空間已經(jīng)利用的較為完全,存在極小可進一步優(yōu)化吸能的空間。如處于低吸能率階段,則說明此截面段的空間吸能還沒有很好的利用,存在進一步優(yōu)化吸能空間。根據(jù)不同吸能率情況,圖14列舉了某款車的G-S曲線評估情況??梢钥闯?,在D2D3階段,G-S曲線處于下限區(qū)間,說明在D2/D3階段,還存在加速度進一步優(yōu)化的空間:為了提升此截面段的吸能性能,可以適當(dāng)提升此截面段的加速度值。
圖14 不同吸能率情況下評估的G-S曲線
本方法應(yīng)用總結(jié)如下。
(1)可以在車型規(guī)劃階段,評估車型結(jié)構(gòu)耐撞性安全的優(yōu)劣程度。
根據(jù)整備質(zhì)量得到所需吸收總能量,只要主吸能結(jié)構(gòu)吸能能力強,區(qū)塊長度尺寸充分,評估G-S曲線,減速度載荷適中,即可滿足要求。
(2)根據(jù)車身平臺結(jié)構(gòu)初步規(guī)劃方案,應(yīng)用此方法可以評估平臺車型的安全級別范圍。車身數(shù)據(jù)定義完成,調(diào)整整備質(zhì)量范圍、動力總成特性、零部件布置等,評估G-S曲線,使曲線達到吸能極限上限,既為此平臺車型的結(jié)構(gòu)耐撞性安全性能極限。
(3)如果車身碰撞性能不佳,可以判斷其前期規(guī)劃的吸能空間利用不足。整備質(zhì)量確定,車型參數(shù)確定,評估G-S曲線,曲線在均值和最大值之間即達到吸能空間的充分利用,曲線在最小值附近,說明該空間沒有充分利用。