ISSN 1674-8484 CN 11-5904/U
汽车安全与节能学报, 第11卷第4期, 2020年
J Automotive Safety and Energy, Vol. 11 No. 4, 2020
8/16
屈 贤1，林繁国2，张金龙3
(1.重庆工程职业技术学院智能制造与交通学院，重庆 402260，中国；2.河北艾福亿维动力总成有限公司，河北
050000，中国；3.机械传动国家重点实验室，重庆大学汽车工程学院，重庆 402260，中国)
摘要：为解决汽车保险杠吸能效率低、自适应差等问题，针对磁流变液响应快、易于控制等特点，
提出了一种磁流变(MR)缓冲器结构。考虑碰撞过程中磁流变缓冲器内部压差影响，构建了磁流变缓
冲器动力学模型；基于该动力学模型，建立了含磁流变缓冲装置的整车有限元模型，运用LS-DYNA
进行碰撞吸能仿真试验。结果显示：相对传统吸能式保险杠，装有磁流变缓冲吸能装置的整车变形量
减少36%；碰撞力峰值左右侧B柱加速度峰值明显减小；前围板最大侵入值减少47.3 mm。这表明
磁流变缓冲装置可有效降低汽车碰撞对人员的伤害，提高汽车被动安全性。
关键词：被动安全；汽车碰撞；磁流变(MR)液；磁流变缓冲装置
中图分类号： TH 122 文献标识码： A DOI： 10.3969/j.issn.1674-8484.2020.04.008 Simulation analysis of vehicle collision based on
magnetorheological buffer energy absorption device
QU Xian1, LIN Fanguo2, ZHANG Jinlong3
(1. Chongqing Vocational Institute of Engineering, College of Intelligent Manufacturing and Transportation, Chongqing
402260, China；2. Hebei Aifu Yiwei Powertrain Co. LTD, Hebei 050000, China；3. The State Key Laboratory of
Mechanical Transmission, Chongqing University , School of Automotive Engineering, Chongqing 400044, China) Abstract: A magnetorheological (MR) absorber was proposed based on the MR fluid, which has advantages
of fast response and can be easily controlled to address some problems existing in bumpers, such as low energy absorption efficiency and poor adaptive performance. Considering the influence of the pressure difference
inside the MR absorber during the collision, a dynamical model was built, followed by the establishment of the
whole vehicle finite element model containing the MR absorber. A crash simulation experiment was carried out adopting LS-DYNA. The results show that the deformation of vehicles with the MR absorber can be reduced
by 36% compared with that of conventional bumpers. Meanwhile, the peak acceleration of both sides of the B column as well as the peak impact force present a significantly decreasing tendency. The maximum intrusion
of the dash board decreases by 47.3 mm. As a whole, the MR absorber is proved to be effective in reducing damage to members during the crash, thus further improving the passive safety of automobiles.
Key words: passive safety; vehicle crash; magnetorheological (MR) fluid; MR absorber
收稿日期 / Received ： 2020-08-24。
基金项目 / Supported by ：重庆市教育委员会科学技术研究项目(KJQN201803408)；重庆市教委科学技术研究项目(KJ1603207)；重庆工程职业技术学院院级科研项目(KJA201903)；重庆工程职业技术学院“十大育人”科研育人项目(SDB202013)。第一作者 / First author ：屈贤(1988—), 女（汉），山东，讲师。E-mail:****************。
汽车安全与节能学报
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汽车给人们带来便利的同时，所引发的交通安全问题也越来越受关注。研究表明，碰撞是最常见的交通事故，其中，汽车正面碰撞发生机率最高[1-2]。保险杠作为碰撞中最先接触的汽车构件，其碰撞特性及吸能效果的好坏，对汽车碰撞安全性和碰撞后的维修成本有直接影响。因此，开展汽车保险杠性
能研究对提高交通安全、减少汽车运行成本具有重要意义。
学者们针对汽车保险杠的特性进行了大量研究，在保险杠吸能装置的结构设计、材料选择及耐碰撞性等方面取得了丰硕的研究成果。在结构设计方面，邹猛[3]采用仿生学方法，设计了一种具有牛角结构的仿生吸能管，研究表明其吸能效果较传统保险杠提高了2.6倍；C.Y. Wang[4]和贺良国[5]等则对吸能盒的胞状数目和排列进行优化设计；米林[6]等对不同截面形状的单腔和多腔铝合金吸能盒的吸能特性进行对比分析，这些研究有效改善了保险杠吸能装置的吸能特性。在材料选择方面，S. M. Sohn[7]等对液压成型保险杠正面碰撞的耐撞性能进行研究，结果表明，液压成型保险杠具有较好的耐撞性能，但其生产成本较高；孙亮[8]等则设计了一种剪切阀式磁流变缓冲器，该缓冲器大约可吸收碰撞总能量的7%；李祝强[9]等则研究了一种基于柱状波纹压溃与胶泥流动的压差缓冲碰撞盒。随着材料技术不断发展与应用，汽车保险杠的性能必将得到质的飞跃。
针对保险杠的研究促进了汽车及交通安全的发展，但其中多数保险杠的能量吸收都是被动的，无法进行主动控制，在一定程度上制约了保险杠能量吸收改善。随着智能材料技术，尤其是磁流变液技术的迅速发展，磁流变液响应快、能耗低、结构紧凑、易于控制的优点，给保险杠的设计研发带来了新的方向。
因此，本文着力研究磁流变缓冲装置在汽车碰撞时的吸能特性，提出一种磁流变缓冲吸能装置，推导
磁流变缓冲吸能装置力矩模型，并将其应用于汽车整车碰撞模型，进行汽车碰撞仿真试验，分析磁流变缓冲装置对整车碰撞特性的影响，对提高汽车被动安全性具有重要指导意义。
1 磁流变缓冲器结构设计
1.1 磁流变缓冲器的结构设计
传统保险杠一般由横梁、吸能盒和连接件等3部分构成，如图1所示。碰撞发生时，靠吸能盒变形进行吸能，为提高吸能盒的性能，基于文献[10]设计磁流变缓冲器，对保险杠部件中的吸能盒进行修改，磁流变缓冲器具体如图2所示。
图1 保险杠结构图
图2 磁流变缓冲器
由图2可知，磁流变缓冲器结构为单杆单筒式，工作缸内充满磁流变液。发生碰撞时，活塞杆推动活塞在工作缸内向右侧移动，在活塞右侧的磁流变液压力作用下，磁流变液经过活塞与工作缸之间的间隙 (也称工作间隙) 向活塞左侧流动。在磁流变液的粘性作用下，磁流变液流动过程中会产生阻碍活塞运动的阻尼力，实现吸能作用。由于磁流变液表观粘度与工作隙内的磁感强度有关，因此，可通过调节线圈的励磁电流，实现磁流变缓冲器的阻尼力的主动调控。工作缸外侧，安装有波纹管，可使碰撞后
的缓冲器能够修复回位，重复使用，减小维修成本。
1.2 磁流变缓冲器的力学模型
图3
为磁流变缓冲器工作缸内部关键结构的示意图。
活塞运动方向
图3
磁流变缓冲器工作缸内部结构示意图
489屈贤，等：基于磁流变缓冲吸能装置的汽车碰撞仿真分析
当线圈通电后，根据传统Bingham模型，磁流变缓冲器产生的阻尼力主要有Coulomb阻尼力与粘滞阻尼力组成[11-12]。考虑到活塞高速运动时，受压降影响，磁流变缓冲器的粘滞阻尼力随活塞运动速度
的增加呈非线性变化。因此，在推导磁流变缓冲器力学模型需要对传统Bingham模型进行修正，考虑对缓冲器内部压降的补偿，其阻尼力可写作
τη（1）其中：F max为流变缓冲设计产生的阻尼力；Fτ与Fη分别表示库Coulomb阻尼力和粘滞阻尼力；F o为因缓冲器内部压差引入的阻尼力。其表达式具体如下：
P
（2）
（3）
（4）其中：A p为活塞截面积；L1为活塞有效长度；τy为剪切屈服应力；h为工作间隙；η为磁流变液粘度；v d为磁流变液流速；r1为活塞半径；L为活塞长度；h a为线圈到缸体的距离；Δpη为A2到A4的压差；Δp ml为A2 进入A3、A3 进入A 4 的局部膨胀或收缩压差；Δp coil为A3内的压差；Δp EE为A1到A2、A4到A5的压差。各压差的具体表达式如下：
（5）
（6）
（7）
（8）其中：ρ为磁流变液的密度；f和f c为区域 2 和区域 3 与Reynolds数有关的Darcy摩擦系数；K entry和K exit为进、出口压力损失系数，一般为0.5和1.0[13]；K SC和K SE 分别表示局部收缩压力损失系数和局部膨胀压力损失系数：
（9）
（10）其中：A d为活塞外径与工作缸内壁之间间隙的截面积；
A c为线圈与工作缸内壁间间隙的截面积。
磁流变缓冲器具体磁路计算与优化工作参考文献[13]，本文主要针对磁流变缓冲器在碰撞中的吸能特性进行分析。为分析磁流变缓冲器的吸能效果，基于所建立的磁流变缓冲器的力学模型，进一步展开了含磁流变缓冲器汽车的整车碰撞仿真。考虑到计算方便性，将仿真计算中所有变量都统一到国际标准单位下，如力的单位用N、长度单位用m、压力单位用Pa等，通过这种方式来避免因单位不统一而引起的计算错误。
2 汽车整车碰撞模型建立
2.1 汽车整车碰撞模型
由于碰撞试验操作复杂、成本昂贵，计算机仿真已成为碰撞试验研究的一种重要替代方式。LS—DYNA 软件能对汽车零部件的形状和材料弹塑性进行考虑，使仿真结果更接近于碰撞试验。因此，本文基于 LS—DYNA软件，对磁流变缓冲器进行碰撞仿真，并对比传统自身吸能式保险杠，分析磁流变缓冲器的性能优劣。
参考国内某乘用车型建立整车模型，包含发动机、悬挂、散热器、车轮和保险杠等部件。为提高计算效率，对保险杠等钣金件用2D BT SHELL单元进行划分，单元尺寸为15 mm ×15mm，单元数为472 459，节点数为467 702; 对发动机等结构件和障碍墙壁采用3D六面体单元划分，单元数为21 539。
在整车模型中，障碍墙壁和发动机等不易变形的结构件，选用MAT20刚形体材料。横梁、吸能盒等钣金件选用MAT24材料模型。设置好本构模型的整车碰撞模型，如图4
所示。
图4 整车碰撞有限元模型
为提高计算效率，一般选用有限元单点积分计算方法，但会给单元各场函数带来能量损失，发生沙漏，导致计算结果不可信，需对沙漏进行控制。因此，本文设置沙漏系数为0.1[13]。
2.2 磁流变缓冲器模型
磁流变缓冲器可简化等效为2个阻尼单元来替代保险杠的吸能盒[14]，分别为零磁场条件下与速度有关的粘滞阻尼c1和磁场条件下与线圈电流有关的可调阻尼c2，表达式为
汽车安全与节能学报
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（11）
（12）其中：D为磁流变缓冲器的动态调节范围；v为车辆碰撞速度；v0为磁流变缓冲器活塞运行速度。电流一定时，F
τ
为定值，c2为关于活塞速度v0的函数。根据所设计的磁流变缓冲器的结构尺寸[13]，最大阻尼力F max为30.6 kN，动态范围D为1.45。
根据《GB11551-2003乘用车正面碰撞的乘员保护》技术要求，对整车模型进行50 km/h的仿真碰撞试验。由式(11)和式(12)可得c1、c2：
（13）图5为右侧吸能盒简化等效的阻尼单元。同理可得左侧简化等效阻尼单元。采用磁流变缓冲器后的整车变形明显减小，变形量下降36%。
图5 阻尼单元
2.3 仿真条件设置
整车行驶方向为壁障墙的方向（X正方向），碰撞速度设为50 km/h。磁流变缓冲器替换后的整车总质量为1.270 1 t，重力加速度设为g = 9.81 m/s2。限制壁障墙的6个自由度，求解时间设为0.15 s，输出刚性墙反力、总体模型数据等ASCII码文件。输出K文件，将K文件导入求解器LS-DYNA进行计算。
3 碰撞性能分析
从整车变形、碰撞力、B柱加速度、前围板侵入等方面分析磁流变液缓冲吸能装置的碰撞性能。
图6为磁流变缓冲器和传统吸能式保险杠的整车变形云图。由图6a可知，以50 km/h的速度撞击刚性壁障时，装有传统吸能式保险杠的汽车最大变形量ΔL max = 476 mm。图6b中，含磁流变缓冲器的模型，
碰撞后发生变形最大的位置为汽车后轮胎边缘。这是由于轮胎转动导致的伪变形。变形最大应是前保险杠处，变形量ΔL = 350 mm。相对于传统吸能式保险杠，
(a) 传统吸能式保险杠
(b) 磁流变缓冲器
图6 整车变形云图
图7 碰撞力曲线
图7为传统吸能式保险杠和磁流变缓冲器碰撞力（F coll）的曲线图。由图可知，磁流变缓冲器碰撞力峰值约为550 kN，相比传统吸能式保险杠，减小160 kN。此外，磁流变缓冲器碰撞力曲线小波峰值变大，表明其对碰撞能量的多点同步或异步衰减性好，可降低碰撞对行人的伤害。
汽车正面碰撞中，B柱下端加速直接影响碰撞过程中假人受伤程度。图8为汽车左右侧B柱加速度曲线。由图可知，B柱加速度在0.05 s前后有2个峰值，其中0.05 s 前，装有磁流变液缓冲器的汽车左右两侧B 柱加速度峰值分别为35 g和36 g，相比与传统吸能式保险杠分别减小了约22.74%和5.26%；0.05 s后，磁流变缓冲器与传统吸能式保险杠的B
柱加速度相差不大。
L / mm
L / mm
00
00
00
00
800
600
400
200
t / ms汽车保险杠修复
F
c
o
l
l
/
k
N
491
屈 贤，等：基于磁流变缓冲吸能装置的汽车碰撞仿真分析这表明磁流变缓冲器能有效减低乘驾人员在碰撞中受到的伤害。
149 mm 。相比传统吸能式保险杠，前围板最大侵入值减小47.3 mm ，测量点最大入侵值减小51 mm 。磁流变缓冲器吸能效果优于传统吸能式保险杠。
3 结 论
本文基于一种磁流变缓冲装置，采用高速冲击条件下的Bingham 修正模型，推导了磁流变缓冲装置动力学模型，并将其运用于整车碰撞仿真，分析磁流变缓冲装置在整车碰撞中的优势。研究结果表明：
1) 含磁流变缓冲装置的汽车对碰撞能量进行多点
同步或异步衰减，其碰撞力峰值较传统吸能式保险杠减小160 kN ，能有效减小碰撞过程中的整车变形。
2) 装有磁流变缓冲器的汽车发生碰撞时，左右侧B 柱加速度峰值较传统吸能式保险杠分别下降22.74%和5.26%，且前围板侵入量显著减小，能有效减小驾乘人员在碰撞中的伤害。
本文推导的磁流变缓冲装置动力学模型及碰撞仿真对比，为磁流变缓冲装置的设计与应用提供了一定理论依据，具体的结果设计与控制尚需后续更多研究。
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(a) 传统吸能式保险杠
(b) 磁流变缓冲器
图8 B 柱加速度曲线
图9 前围板侵入位移云图
选择乘员腿部的对应位置为前围板侵入量分析点。图9为汽车前围板侵入位移云图。图10为前围板关键点位移 (S ) 曲线云图。
由图9和图10可以看出磁流变缓冲器前围板最大侵入值为150 mm ，前围板上测量点最大侵入值为
图10 前围板关键点位移曲线
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