2019年2月
机电技术
唐友名1钟德良1吕娜2
（1.厦门理工学院福建省新能源汽车与安全技术研究院，福建厦门361024；
2.东南（福建）汽车工业有限公司汽车研究院，福建福州350119）
摘要：为满足低速碰撞法规要求并减轻SUV车型的质量，基于Hypermesh建立碰撞仿真有限元模型，采用拉丁超立方试验设计方法开展优化设计，并提出改进措施。结果表明：前防撞梁与碰撞器的碰撞头不相对错开，有利于保护散热器和水箱；优化后，车型在各工况下均满足国标要求且实现了轻量化，达成了该车型在详细设计阶段预定的目标。
关键词：汽车安全；有限元分析；低速碰撞；优化；Radioss
中图分类号：U467.1+4文献标识码：A文章编号：1672-4801（2019）01-056-03
DOI:10.19508/jki.1672-4801.2019.01.016
目前，我国城市道路交通形势十分严峻，每天都在发生着两车低速（速度低于15km/h）碰撞事故。由于低速碰撞事故发生后，很少会造成人员的伤亡，这就造成了人们对低速碰撞事故没有给与足够的重视。但是，众所周知，碰撞后的车辆可能存在着一定的安全隐患，对行车安全十分不利。因此有必要研究两车低速碰撞、提高车辆的安全性，这样一方面可以降低汽车的维修费用，另一方面也有利于延长车辆的使用寿命。
国内许多研究学者在车辆低速碰撞方面做了大量研究。葛如海等人通过仿真分析得到在低速碰撞过程中保险杠的变形、速度、加速度、碰撞力等特征参数，这些参数是保险杠结构设计的重要参考依据[1]。杨永生在吸能盒上面添加诱导槽用于改善保险杠碰撞响应结果，并证明了添加诱导槽可以在不提高保险杠质量前提下提高保险杠吸能特性[2]。冯帅帅对不同温度下保险杠变形情况展开了分析，论证了温度因素对保险杠低速碰撞的影响[3]。顾力强等人根据SAE J2319的标准建立了评估轿车保险杠低速碰撞性能的摆锤式碰撞试验装置和相应的数据采集系统[4]。章正伟采用仿真手段，通过分析计算得倒了提升保险杠耐撞性的规律[5]。陈现岭等人采用仿真技术从碰撞能量计算以及吸能盒结构设计等多个方面具体阐述了车辆低速碰撞性能设计过程[6]。
本文根据GB17354—1998《汽车前、后端保护装置》规定的防护装置低速碰撞试验要求及评价方法，对
某SUV进行了前后防护装置低速碰撞仿真分析，并通过优化，提升了该车型防护装置低速碰撞的耐撞性能。
1低速碰撞标准
GB17354—1998是一项强制性的标准，包含4个工况，即对车辆前、后端保护装置在加载试验车质量下分别进行纵向碰撞和60°车角碰撞，低速碰撞工况示意图如图1所示。被撞车辆自由静止，前轮应处在直行位置，轮胎应按制造商规定的气压充气，制动器应松开，变速器挂空挡。碰撞器质量与整车整备质量一致。正碰时碰撞器速度为4km/h，碰撞方向与被撞车辆纵向呈90°，碰撞器中心与被撞车辆中心重叠；角度碰撞时碰撞器速度为2.5km/h，与车身夹角为60°。碰撞器高915mm，宽610mm，碰撞器中心距地面高度为445mm[7]。
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60° @.
60° @.
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图1低速碰撞工况示意图
*福建省自然科学基金项目（2017J01493）；福建省高校新世纪优秀人才计划资助（闽教科〔2016〕23号）；厦门理工学院研究生科技创新项目（40316027）
作者简介：唐友名（1981—），男，教授，博士（后），从事新能源汽车与安全技术研究。
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第1期2
低速碰撞耐撞性分析
2.1
有限元模型的搭建
本文选取的车型是东南汽车某款上市SUV ，
以有限元软件Hypermesh 为工具，求解器选用Ra⁃dioss 。根据GB17354—1998要求，建立该车型的低速碰撞有限元模型。为了提高分析精度，有限元模型主要采用板壳单元，并在建模过程中做了
以下简化假设：略去了蒙皮和一些非承载件（如玻璃、内饰件、埋板、地毯、座椅和棉、以及各种功能
件），只保留主体承载骨架；不考虑骨架结构在焊接过程中出现的变形和残余应力等；壳单元的基准面为轿车实际结构的中面，结构间的连接关系采用节点耦合、刚性连接、焊接和接触设置等模拟；忽略结构上一些较小的工艺孔、安装孔等工艺特征。2.2
有限元模型仿真结果及评价
按国标规定的条件和规程进行碰撞试验后，车辆应能满足下列要求：照明系统应能正常工作；发动机罩、行李箱盖和车门在碰撞后应能正常开闭，车辆的侧门在碰撞的作用下不得自行开启；车辆的燃油供给系统和冷却系统能正常工作；车辆的排气系统不应有防碍其正常工作的损坏或错位；车辆的传动系统、悬架系统（包括轮胎）、转向和制动系统应保持良好的调整状态并能正常工作。在仿真过程中，主要考察以下几点：防撞梁侵入量小于80mm ，不同水平级的变形侵入量对乘员损伤程度不同[8]；防撞梁最大有效应变小于3%；碰撞器不与行李箱盖、大灯接触；模型能量守恒，沙漏能小于5%
。
（a ）前正碰工况
（b ）60°
前角碰工况
性能最好的suv（c ）后正碰工况（d ）60°后角碰工况
图2防撞梁侵入量
防撞梁侵入量如图2所示。前正碰工况、60°前角碰工况、后正碰工况和60°后角碰工况下防撞梁侵入量依次为：40.57mm 、8.33mm 、42.75mm 和1.07mm 。
防撞梁最大有效应变如图3所示。前正碰工
况、60°前角碰工况、后正碰工况和60°后角碰工况下防撞梁最大有效应变依次为：2.19%、2.51%、4.08%和0.0%。
（a ）前正碰工况（b ）60°
前角碰工况
（c ）后正碰工况（d ）60°后角碰工况
图3防撞梁最大有效应变
后角碰时，后防撞梁最大应变几乎为0，原因是碰撞器的碰撞头与后防撞梁距离较大。增大计算时间（由原来的0.16s 增大到0.25s ）后，最大有效应变为3.135%，最大侵入量为13.3mm ；由图4可知，碰撞接触点为后防撞梁根部的折角处，造成
变形不均匀。
图4
增大计算时间6060°°后角碰防撞梁最大有效应变（左
图）和侵入量（右图）
根据仿真动画结果显示，前正碰时，前防撞梁与碰撞器的碰撞头相对错开，虽然前防撞梁仍然起到了吸能的作用，但是散热器和水箱将会受到较大的挤压变形，如图5所示。在后续设计过程中已把前防撞梁位置下移。
3防护装置参数优化
乘用车碰撞安全性能优化主要有2个方向：
唐友名等：基于Radioss 的SUV 低速碰撞耐撞性分析及优化
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机电技术
图5
前防撞梁与碰撞器头相对错开
车身结构耐撞性优化和约束系统性能优化[9]。本文从车身结构方面来优化防护装置。因拉丁超立方设计具有2个优点：第一，有效的空间填充能力。第二，可以拟合非线性响应，即用同样的点数比正交试验可以研究更多的组合。因此本文采用拉丁超立方设计作为试验设计方法。设计变量取值范围如表1所示。优化算法选用ARSM ，试验矩阵样本数选取60个。
表1
参数范围的选取
设计变量前防撞梁
厚度/mm 前吸能盒厚度/mm 前吸能盒支撑板
厚度/mm
后防撞梁厚度/mm 后吸能盒厚度/mm 后吸能盒支撑板
厚度/mm
初始
设计值2.01.62.31.61.61.8
上限值1.01.01.01.01.01.0
下限值
3.03.03.03.03.03.0
轻量化结果↓10%↑6%↓13%↓12%↓12%↑11%
前碰质量降低了9.4%
后碰质量降低6.3%结合工程实际，得到优化后的参数值：前防撞梁厚度为1.8mm 、前吸能盒厚度为1.7mm 、前吸能盒支撑板厚度为2.0mm 、后防撞梁厚度为1.4mm 、
后吸能盒厚度为1.4mm 、后吸能盒支撑板厚度为2.0mm 。优化后，前防撞梁质量下降了10%，前吸能盒质量上升了6%，前吸能盒支撑板质量下降了13%，后防撞梁质量下降了12%，后吸能盒质量下降了12%，后吸能盒支撑板质量上升了11%。各工况优化后与原车仿真结果对比如表2所示，其中工况一表示前正碰、工况二表示60°前角碰、工
况三表示后正碰、工况四表示60°后角碰。优化后，各工况均满足设定目标值。
表2
优化后与优化前结果对比
评价指标
防撞梁侵入量/mm
防撞梁最大有效应变/%
工况工况一
工况二工况三工况四工况一
工况二工况三工况四
原仿真值40.578.33
42.7513.32.192.514.083.14优化后值41.368.87
36.4511.252.042.642.782.65目标值≤80
≤3
4结论
本文以某SUV 为研究对象，以GB 17354—
1998标准规定为参考依据，用Hypermesh 建立了SUV 低速碰撞有限元模型。采用优化技术对车辆
防护装置进行了优化设计。
1）为了避免散热器和水箱受到较大的挤压变形，前防撞梁与碰撞器头不应相对错开。
2）优化后，各工况不仅均满足GB17354—
1998要求，而且相比原基于经验提出的方案质量降低，其中前碰工况质量降低了9.4%、后碰工况质量降低了6.3%。达到了轻量化的目的。
参考文献：
[1]葛如海，王山.缓冲吸能式保险杠的低速碰撞试验和仿真[J].农业机械学报，2006（2）：29-32.[2]杨永生.汽车保险杠系统低速碰撞性能研究[D].哈尔滨：哈尔滨工程大学，2009.[3]冯帅帅.某乘用车后保险
杠低速碰撞性能仿真与试验研究[D].长春：吉林大学，2018.[4]顾力强，林忠钦，赵亦希，等.轿车保险杠低速碰撞试验研究[J].上海交通大学学报，2003，37（1）：137-140.[5]章正伟.保险杠低速碰撞性能仿真研究[J].轻型汽车技术，2006（11）：8-12.[6]陈现岭，岳鹏，张凯.基于RCAR 试验的汽车低速碰撞性能设计[J].汽车工程，2009，31（12）：1165-1168.
[7]汽车前、后端保护装置：GB17354—1998[S].北京：中国标准出版社，1998.
[8]唐友名，黄红武，梅丽芳.美国侧面碰撞规程下轿车变形侵入仿真研究[J].中国安全科学学报，2011，21（5）：29-34.[9]肖勇.基于Radioss 的整车64km/h 正面偏置碰撞性能优化[J].机电技术，2015（1）：95-99.
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