刘维海1，程秀生1，朱学武2，马志良2，唐洪斌
（1吉林大学汽车工程学院，吉林长春130022；2 第一汽车集团技术中心，吉林长春200011）
摘要：为了使轿车具有优良的正面抗撞性能，在设计开发阶段需要应用仿真计算的方法对轿车前端结构进行优化。本文综合考虑正面16公里40% 偏置刚性碰撞（AZT)、正面50km/h刚性墙碰撞（FRB）和正面56km/h 40%可变形壁偏置碰撞（ODB）三种工况，首先对轿车前端结构进行优化计算，然后将优化结构进行整车碰撞仿真验证，结果表明前端优化结构在整车条件下的碰撞仿真中表现理想。最后，总结出一套轿车前端结构优化流程，该流程对轿车设计开发具有重要的指导意义。
关键词：碰撞；保险杠横梁；吸能盒；前纵梁
Optimizing Method of a Passenger Car’s Front Structure
Liu Weihai1；Cheng Xiusheng1；Zhu Xuewu2；Ma Zhiliang2；Tang Hongbin2
(1. College of Automotive Engineering, Jilin University, Changchun 130022, China；2.FAW Groups Research and
Development Center, Changchun 130022, China)
Abstract：In the phase of passenger car design, it’s important to optimize front structure with FE simulation for getting excellent crashworthiness. In this study, optimizing the front structure in subsystem level firstly, then further optimizing the in full vehicle level under the 16 km/h AZT, 50 km/h FRB and 56 km/h 40% ODB impact modes, Simulation results shows that the front structure has an excellent crashworthiness in full vehicle impact simulation.
At last, an optimization method of front structure is summarized which can guide the car design in future.
Key words：Impact Bumper beam Crash box Front rail
0前言
随着我国汽车安全强制性法规的逐步完善以及消费者对汽车安全性认识的提高，各大汽车企业与研究机构投入大量人力、物力提高汽车安全性能。其中结构抗撞性是评价汽车安全性的基本标准，主要分为正面抗撞性能和侧面抗撞性能。作为正面碰撞主要吸能部件的前端结构（前保险杠横梁，吸能盒与前纵梁等）直接影响汽车正面抗撞性能。
保险杠的主要作用是在汽车发生正面低速碰撞时，防止或减少前端其它部件的损坏，降低维修成本；在发生正面高速偏置碰撞时，保险杆横梁能够将碰撞能量传递到左右吸能盒与前纵梁等主要吸能部件。碰撞吸能盒的作用是在低速碰撞中以自身变形吸能来保证车身结构的完整性，使车辆的维修成本最小化；在高速碰撞中以自身结构的完全变形来吸收碰撞能量，使吸收能量最大化，降低车体前期碰撞减速度峰值。前纵梁是正面碰撞载荷的主要传递路径和吸能部件，前纵梁合理压溃变形吸收足够的碰撞能量对乘员保护至关重要。因此，在汽车设计开发阶段，需要从这些吸能部件着手来改善整车的正面抗撞性能[1-5]。
本文综合考虑正面16km/h 40% 偏置刚性碰撞（AZT)、正面50km/h刚性墙碰撞（FRB）和正面56km/h 40%可变形壁偏置碰撞（ODB）三种工况，首先对轿车前端结构进行优化计算，然后将优化结构进行整车碰撞仿真验证，结果表明前端优化结构在整车条件下的碰撞仿真中
表现理想。最后，总结出一套轿车前端结构优化流程，该流程对轿车设计开发具有重要的指导意义。文中仿真分析工作主要是利用Hypermesh和VPG软件建立优化模型，采用LS-DYNA 进行碰撞模拟分析计算。
1前端结构优化目标设定
车体减速度-时间历程曲线是汽车碰撞动态响应最表征和最易获取的特性之一，并且与乘员伤害程度之间
存在着重要的关联性。将车体减速度-时间历程曲线作为优化目标对汽车前端结构参数、载荷路径进行优化分析。仿真优化的工况分别为C-NCAP法规中的正面50km/h刚性墙碰撞（FRB）、正面56km/h 40%偏置碰撞（ODB）以及德国安联保险公司划分汽车保险等级的正面16km/h 40%刚性碰撞（AZT）。
1.1前端原始结构
轿车前端原始结构的CAD模型如图1所示，相应零部件的具体参数见表1，整备质量为1480kg，车宽1462mm。
图1轿车前端原始结构
表1 零件原始参数
零件号零件名称屈服极限(MPa)
料厚
(mm)
FC03-50071 前保险杠横梁580 1.4 FC03-50081 碰撞吸能盒410 2.0
FC03-50093 支架-碰撞吸能盒410 1.6-2 .0
FC03-53123 支架-前保险杠横梁410 1.6-2 .0
FC03-53T31 前纵梁内板前段410 1.6
1.2 AZT 优化目标值
AZT 试验要求试验车辆正面与倾斜10度角固定刚性壁障40%重叠碰撞，碰撞速度为16km/h ，建立仿真模型（图2）。
模型质量为整备质量M 与一名50%tile 成年男性假人重量之和：M=1480+75=1555kg 碰撞速度为：V=16km/h 碰撞总能量为：
E 吸能盒=M*V*V/2=1555*4.442/2=1.53*104J
吸能盒的可压缩长度为吸能盒总长度的70%（图2）：
L ’=L*70%=183*0.7=128mm 计算得到碰撞截面力：
F 平均=E 吸能盒/L ’ =1.53*104/0.128≈120kN
图2 AZT 碰撞试验
1.3 正面50km/h 刚性墙碰撞优化目标值
汽车保险杠材料正面50km/h 刚性墙碰撞试验要求试验车辆100%重叠正面冲击固定刚性壁障，碰撞速度为
500+1km/h ，建立仿真模型（图3）。
图3正面50km/h 刚性墙碰撞
碰撞质量为整备质量、两名50%tile 成年男性假人重量以及一名5%tile 成年女性假人重量之和：
M=1480+75*2+50=1680kg 碰撞速度为：V=50km/h 碰撞总能量：
E 碰撞=M*V*V/2=1680*13.892/2=1.62*105J
定义前端结构吸收65%的碰撞能量，那么前纵梁吸收的能量：
V=50km/h
图4 前端结构传力路径
E纵梁=E碰撞*65%-E吸能盒
=105000-15300*2=74700J
前纵梁的可压缩量：L=190mm
传递力：F传递=E传递/L=74700/0.190≈393kN
定义70%~80%的力通过前纵梁传递（图4）：
393*70%=275kN
393*80%=314kN
1.4 正面56km/h偏置碰撞优化目标值
正面56km/h偏置碰撞试验要求试验车辆40%重叠正面冲击固定可变形吸能壁障，碰撞速度为560+1km/h，建立仿真模型（图5）。
图5正面56km/h偏置碰撞
正面偏置碰撞纵梁优化目标以正面刚性墙设定值为主，综合以上三种工况分析计算出每段结构的截面力，然后合理定义轿车前端结构优化目标（见表2）。
表2 优化目标值
2 有限元优化分析
2.1 AZT工况优化分析
2.1.1 前保险杠横梁优化分析
保险杠横梁的主要作用是在汽车发生正面低速碰撞时，防止前端其它部件的损坏，降低维修成本。首先对保险杆横梁原始结构进行AZT工况分析，结果发现碰撞力均值高于分析目标值（图6）。然后在CAE模型中调整前保险杠横梁材料等级和横截面形状参数进行优化计算，结果发现材料厚度不改变，通过改变截面形状和降低材料等级后可以满足优化目标值120kN，降低了材料成本（图7，图8）。
保证前端主要吸能部件在碰撞过程中保持良好的变形形态和充分吸收碰撞能量，综合试验分析结果提出以下两种改进方案。
图6保险杠横梁初始结构碰撞力曲线
图7优化结构碰撞力曲线
图8保险杠横梁优化结构参数 2.1.2 碰撞吸能盒优化分析
前保险杠横梁经过优化后，碰撞力曲线波动较为均匀，但是均值仍然高于目标值120kN ，需要进一步将优化吸能盒的结构以降低前端结构受力[6]。由于吸能盒上诱导槽尺寸、位置对结构碰撞性能影响较大[6]，通过优化诱导槽的深度、宽度、长度和位置，得到符合目标值的吸能盒结构（图9，图10）。
前保险杠横梁和吸能盒在AZT 分析工况中逐级压溃，碰撞力曲线波动均匀。而且，前纵梁前端在碰撞过程中应力水平较低，最大塑性应变为0.045，未发生明显变形（图11）。可以保证碰撞速度小于16 km/h 时，只更换前保险杠横梁和吸能盒就可修复汽车，维修成本较低。
原始结构
优化结构
材料：580MPa 厚度：1.4mm
材料：500MPa 厚度：1.4mm Ⅰ Ⅱ
图9保险杠横梁优化结构参数
图10保险杠横梁优化结构参数
图11 AZT工况下前纵梁应力图
2.2 正面50km/h FRB优化分析
由于AZT和FRB的碰撞边界条件不同，具有较好AZT分析结果的结构，不一定能有较好的FRB分析结果。AZT工况下优化结构在FRB分析中表现为吸能盒压溃不均匀，保险杠横梁中部弯折（图12）。因此，在FRB工况下继续优化前端结构。
图12 50km/h FRB分析结果
2.2.1 前保险杠横梁进一步优化
在FRB分析中前保险杠横梁中部弯曲，对吸能盒产生Y向力，可能致使前保险杠横梁在ODB试验中发生断裂。修改前保险杠横梁曲率半径消除或减小中部弯曲（图13）。
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