本發(fā)明涉及汽車碰撞安全領(lǐng)域，具體涉及一種針對(duì)汽車正面25％重疊率碰撞的車身前端結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)方法。

背景技術(shù)：

據(jù)國(guó)內(nèi)外研究機(jī)構(gòu)對(duì)交通事故類型的統(tǒng)計(jì)，最常見(jiàn)的碰撞類型為前部正面碰撞，其事故發(fā)生率約占所有碰撞事故的50％以上，并且正面碰撞造成的乘員傷亡率很高，由其導(dǎo)致的人員與經(jīng)濟(jì)損失不容忽視。因此，各國(guó)的安全性法規(guī)與新車評(píng)價(jià)規(guī)程將正面碰撞作為測(cè)試項(xiàng)目納入評(píng)價(jià)體系，測(cè)試工況主要包括正面全寬碰撞與正面40％偏置碰撞。但這兩種測(cè)試工況不能很好地覆蓋各類正面碰撞事故形式。為了提高車輛的正面抗撞性，測(cè)試工況的多樣性、高覆蓋性及高事故還原度成為當(dāng)今各車輛安全評(píng)價(jià)法規(guī)發(fā)展的趨勢(shì)。

美國(guó)公路安全保險(xiǎn)協(xié)會(huì)(Insurance Institute for Highway Safety，以下簡(jiǎn)稱IIHS)的交通事故調(diào)查結(jié)果表明在所有正面碰撞死亡事故中，小偏置正面碰撞約占正面碰撞總量的四分之一。這里的小偏置正面碰撞是指碰撞接觸面寬度小于30％車寬的正面碰撞。在小偏置正面碰撞中重要的吸能部件起到的作用很小，乘員艙受到較大的載荷沖擊力，產(chǎn)生嚴(yán)重變形，破壞程度要遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于常規(guī)的正面碰撞，對(duì)車內(nèi)乘員造成極大的傷害。

但在各國(guó)安全性法規(guī)及新車評(píng)價(jià)規(guī)程中，僅IIHS在2012年對(duì)小偏置這種正面碰撞類型做出了評(píng)價(jià)。IIHS對(duì)正面25％重疊率碰撞試驗(yàn)工況(如圖2所示)規(guī)定如下：該工況中車身與壁障的碰撞接觸面寬度為車寬的25％，碰撞速度為63.4-65.4km/h，采用剛性壁障(如圖3-a至3-d，其正面形狀為一長(zhǎng)方形，寬b為1000mm、高h(yuǎn)為1524mm；右端為一圓弧，其半徑R為150mm、弧度α為115°；碰撞面鋼板的厚度t為38.1mm；碰撞接觸面寬度a為431mm)，并且要求在駕駛員側(cè)放置一個(gè)50th混Ⅲ男性假人。正面25％重疊率碰撞評(píng)價(jià)方法包括車體結(jié)構(gòu)完整性、約束系統(tǒng)與假人運(yùn)動(dòng)及假人傷害三部分。每一部分評(píng)價(jià)分為“優(yōu)秀”、“良好”、“及格”、“差”四個(gè)等級(jí)。車體結(jié)構(gòu)完整性評(píng)價(jià)部分包括十個(gè)測(cè)量點(diǎn)(以下稱為侵入量監(jiān)測(cè)點(diǎn))侵入量的評(píng)價(jià)：A柱上、下部，儀表板上、下部，歇腳板，左側(cè)地板，制動(dòng)踏板，駐車踏板，門(mén)檻，轉(zhuǎn)向柱。假人傷害評(píng)價(jià)包括頭頸部、胸部、大腿及髖部、小腿及腳部傷害評(píng)價(jià)。約束系統(tǒng)與假人運(yùn)動(dòng)的評(píng)價(jià)部分為扣分項(xiàng)目，根據(jù)相應(yīng)考察項(xiàng)目的不合格情況扣除相應(yīng)分值，扣除的分值越多，等級(jí)越低。

正面25％重疊率碰撞嚴(yán)苛的評(píng)價(jià)體系和嚴(yán)重的車體與乘員傷害引起了國(guó)內(nèi) 外企業(yè)與研究機(jī)構(gòu)的重視。目前，各企業(yè)及研究機(jī)構(gòu)對(duì)該工況的研究主要集中在車體結(jié)構(gòu)修改上。絕大多數(shù)汽車開(kāi)發(fā)廠商通常是根據(jù)某款車在該工況試驗(yàn)中出現(xiàn)的吸能不足、乘員艙侵入的情況，對(duì)結(jié)構(gòu)進(jìn)行修改，再通過(guò)試驗(yàn)或CAE方法對(duì)改進(jìn)后的車體結(jié)構(gòu)進(jìn)行抗撞性的驗(yàn)證，以此來(lái)實(shí)現(xiàn)乘員的保護(hù)。這種結(jié)構(gòu)修改方法，很難把握乘員艙侵入量減小的程度，導(dǎo)致了結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)與修改的盲目性，只能通過(guò)乘員傷害預(yù)測(cè)反復(fù)修改結(jié)構(gòu)來(lái)達(dá)到乘員保護(hù)的目的，增加了設(shè)計(jì)的難度和項(xiàng)目開(kāi)發(fā)的風(fēng)險(xiǎn)。并且可能造成車體結(jié)構(gòu)“過(guò)安全”，增加車重和成本。由此可見(jiàn)在目前汽車正面25％重疊率碰撞車身前端結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)工作中還缺少對(duì)優(yōu)化設(shè)計(jì)方法的研究。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：

本發(fā)明所要解決的技術(shù)問(wèn)題是目前汽車正面25％重疊率碰撞的車身前端結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)過(guò)程中存在的設(shè)計(jì)盲目性以及采用CAE技術(shù)手段時(shí)的反復(fù)建模和計(jì)算耗時(shí)長(zhǎng)的問(wèn)題，本發(fā)明提供了一種汽車正面25％重疊率碰撞的車身前端結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)方法。

為解決上述技術(shù)問(wèn)題，本發(fā)明是采用如下技術(shù)方案實(shí)現(xiàn)的：所述的汽車正面25％重疊率碰撞的車身前端結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)方法的步驟如下：

1)建立車輛等效簡(jiǎn)化模型；

2)獲取車身前端結(jié)構(gòu)抗撞性設(shè)計(jì)目標(biāo)；

3)設(shè)計(jì)前縱梁、前指梁及副車架；

4)仿真驗(yàn)證優(yōu)化設(shè)計(jì)后車身前端結(jié)構(gòu)的正面抗撞性。

技術(shù)方案中所述的建立車輛等效簡(jiǎn)化模型包括步驟如下：

1)仿真模擬IIHS正面25％重疊率碰撞工況；

2)提取前端結(jié)構(gòu)主要吸能非板件的剛度特性和慣性特性；

3)將提取的剛度特性參數(shù)化；

4)明確車身前端結(jié)構(gòu)各構(gòu)件等效簡(jiǎn)化模型模擬方式；

5)簡(jiǎn)化前縱梁、前指梁和副車架；

6)處理車體其他部件；

7)驗(yàn)證車輛等效簡(jiǎn)化模型的有效性。

技術(shù)方案中所述的獲取車身前端結(jié)構(gòu)抗撞性設(shè)計(jì)目標(biāo)包括步驟如下：

1)計(jì)算前縱梁、前指梁及副車架目標(biāo)吸能量之和E

其中:E的單位為J；m為整車質(zhì)量，單位為kg；v₀為碰撞初速度，單位為m/s；v為碰撞結(jié)束速度，單位為m/s；η表示車體前端目標(biāo)吸能比例，取80％-90％；E_k為前端結(jié)構(gòu)中翼子板及輪罩、保險(xiǎn)杠總成、發(fā)動(dòng)機(jī)罩三部分目標(biāo)吸能量之和， 單位為J，其值由該三部分在法規(guī)臨界侵入量下的吸能量-時(shí)間曲線得到；E_qt表示車體前端其他構(gòu)件吸能量，在1-4kJ；在該式中給定碰撞結(jié)束速度v和目標(biāo)吸能比例η，即求出前縱梁、前指梁與副車架目標(biāo)吸能量之和E。

2)分別計(jì)算前縱梁、前指梁及副車架的目標(biāo)吸能量

修改簡(jiǎn)化模型前縱梁、前指梁、副車架的特性參數(shù)，得到在該工況碰撞中翼子板及輪罩、保險(xiǎn)杠總成、發(fā)動(dòng)機(jī)罩三部分在法規(guī)臨界侵入量下的吸能量-時(shí)間曲線，可得式(1)中的E_k值；在式(1)中再給定碰撞結(jié)束速度v和目標(biāo)吸能比例η，即可求出前縱梁、前指梁及副車架的目標(biāo)吸能量之和E；然后輸出各前端薄壁梁構(gòu)件的吸能量-時(shí)間曲線，據(jù)此分別得到前縱梁、前指梁和副車架的目標(biāo)吸能比例η_q、η_s、η_f；再利用下列各式分別算出其目標(biāo)吸能量E_q、E_s、E_f；

E_q＝η_q·E (2)

E_s＝η_s·E (3)

E_f＝η_f·E (4)

式中：E為前縱梁、前指梁及副車架的目標(biāo)吸能量之和，單位為J；E_q、E_s、E_f分別為前縱梁、前指梁、副車架的目標(biāo)吸能量，單位為J；η_q、η_s、η_f分別為前縱梁、前指梁、副車架的目標(biāo)吸能比例。

技術(shù)方案中所述的設(shè)計(jì)前縱梁是指：

(1)計(jì)算單側(cè)前縱梁各段目標(biāo)吸能量：

將左側(cè)前縱梁的目標(biāo)吸能量即總的吸能量減去右側(cè)前縱梁的吸能量，作為單側(cè)前縱梁的設(shè)計(jì)目標(biāo)，為使設(shè)計(jì)的前端結(jié)構(gòu)也適應(yīng)正面全寬碰撞和40％重疊率偏置碰撞，左右兩側(cè)前縱梁的設(shè)計(jì)保持一致，通過(guò)分析等效簡(jiǎn)化模型前縱梁各段變形吸能量占整個(gè)前縱梁吸能量的比例，分別給定各段目標(biāo)吸能比例，最終得到單側(cè)前縱梁各段目標(biāo)吸能量；

(2)設(shè)計(jì)前縱梁各段x向長(zhǎng)度及目標(biāo)平均軸向結(jié)構(gòu)力

式中：E_q為前縱梁壓潰變形目標(biāo)吸能量，即前縱梁目標(biāo)吸能量減去前縱梁彎曲變形目標(biāo)吸能量，單位為J；E_qi為前縱梁第i段壓潰變形目標(biāo)吸能量，單位為J；F_qi為前縱梁第i段的目標(biāo)平均軸向結(jié)構(gòu)力，單位為N；S_qi為前縱梁第i段的壓潰長(zhǎng)度，單位為m；k_qi為前縱梁第i段的壓縮系數(shù)，是一個(gè)無(wú)量綱參數(shù)； D_qi為前縱梁第i段的原長(zhǎng)度，單位為m；

根據(jù)車輛總布置要求確定前縱梁x向總長(zhǎng)度，根據(jù)吸能要求與發(fā)動(dòng)機(jī)、車輪等布置要求確定前縱梁各段x向長(zhǎng)度。在式(5)中，取等效簡(jiǎn)化模型中前縱梁第i段被壓縮的長(zhǎng)度占原長(zhǎng)度的比例作為第i段的壓縮系數(shù)k_qi，綜合考慮式(5)和逐級(jí)壓潰系數(shù)要求，得到壓潰變形段的目標(biāo)平均軸向結(jié)構(gòu)力，吸能盒x向長(zhǎng)度與車輛-假人有限元基礎(chǔ)模型相同；

(3)選取材料并設(shè)計(jì)斷面

①選取材料

吸能盒材料選為冷連軋低碳鋼0.2T/DC01，前縱梁各段材料選為低碳鋼；

②設(shè)計(jì)斷面

低碳鋼材質(zhì)的矩形截面薄壁梁平均軸向結(jié)構(gòu)力計(jì)算公式為

式中:F為平均軸向結(jié)構(gòu)力，單位為N；σ₀為平均流動(dòng)應(yīng)力，單位為Mpa，低碳鋼為486Mpa；b為矩形截面長(zhǎng)寬平均值，單位為mm；t為薄壁梁厚度，單位為mm；v₀為動(dòng)態(tài)載荷，單位為m/s；c為特征應(yīng)變率，是一個(gè)無(wú)量綱參數(shù)，低碳鋼取為40％；p為材料敏感度度量值，是一個(gè)無(wú)量綱參數(shù)，低碳鋼p值為6。

技術(shù)方案中所述的設(shè)計(jì)前指梁包括步驟如下：

(1)計(jì)算單側(cè)前指梁各段目標(biāo)吸能量：

將左側(cè)前指梁的目標(biāo)吸能量即總的吸能量減去右側(cè)前指梁的吸能量，作為單側(cè)前指梁的設(shè)計(jì)目標(biāo)，為使設(shè)計(jì)的前端結(jié)構(gòu)也適應(yīng)正面全寬碰撞和40％重疊率偏置碰撞，左右兩側(cè)前指梁的設(shè)計(jì)保持一致，通過(guò)分析等效簡(jiǎn)化模型前指梁各段變形吸能量占整個(gè)前指梁吸能量的比例，分別給定各段目標(biāo)吸能比例，最終得到單側(cè)前指梁各段目標(biāo)吸能量；

(2)設(shè)計(jì)前指梁各段x向長(zhǎng)度及目標(biāo)平均軸向結(jié)構(gòu)力

式中：E_s為前指梁壓潰變形目標(biāo)吸能量，即前指梁目標(biāo)吸能量減去前指梁彎曲變形目標(biāo)吸能量，單位為J；E_si為前指梁第i段壓潰變形目標(biāo)吸能量，單位 為J；F_si為前指梁第i段的目標(biāo)平均軸向結(jié)構(gòu)力，單位為N；S_si為前指梁第i段的壓潰長(zhǎng)度，單位為m；k_si為前指梁第i段的壓縮系數(shù)，是一個(gè)無(wú)量綱參數(shù)；D_si為前指梁第i段的原長(zhǎng)度，單位為m；

根據(jù)車輛-假人有限元基礎(chǔ)模型中總布置要求確定前指梁x向總長(zhǎng)度，根據(jù)前指梁變形特點(diǎn)在考慮總布置要求后，由式(7)和逐級(jí)壓潰系數(shù)得到前指梁各段x向設(shè)計(jì)長(zhǎng)度以及相應(yīng)目標(biāo)平均軸向結(jié)構(gòu)力；

(3)選取材料并設(shè)計(jì)斷面

①選取材料

選取前指梁各段材料為低碳鋼，材料平均流動(dòng)應(yīng)力為486MPa；

②設(shè)計(jì)斷面

取前指梁各段厚度與車輛-假人有限元基礎(chǔ)模型相同，由公式(6)分別得到前指梁壓潰變形段的截面長(zhǎng)寬均值，從前指梁中部到前指梁后部為漸變截面，最后滿足前指梁與車門(mén)鉸鏈連接強(qiáng)度要求。

技術(shù)方案中所述的設(shè)計(jì)副車架包括步驟如下：

(1)計(jì)算單側(cè)副車架各段目標(biāo)吸能量:

將副車架左側(cè)縱梁的目標(biāo)吸能量即副車架縱梁吸能量減去右側(cè)縱梁的吸能量，作為副車架單側(cè)縱梁的設(shè)計(jì)目標(biāo)，為使設(shè)計(jì)的前端結(jié)構(gòu)也適應(yīng)正面全寬碰撞和40％重疊率偏置碰撞，左右兩側(cè)副車架縱梁的設(shè)計(jì)保持一致，通過(guò)分析等效簡(jiǎn)化模型副車架各段變形吸能量占整個(gè)前指梁吸能量的比例，分別給定各段目標(biāo)吸能比例，最終得到單側(cè)副車架各段目標(biāo)吸能量；

(2)設(shè)計(jì)副車架各段x向長(zhǎng)度及目標(biāo)平均軸向結(jié)構(gòu)力

式中：E_f為副車架縱梁壓潰變形目標(biāo)吸能量，即副車架目標(biāo)吸能量減去副車架橫梁目標(biāo)吸能量及副車架縱梁彎曲變形目標(biāo)吸能量，單位為J；E_fi為副車架縱梁第i段壓潰變形目標(biāo)吸能量，單位為J；F_fi為副車架縱梁第i段的目標(biāo)平均軸向結(jié)構(gòu)力，單位為N；S_fi為副車架縱梁第i段的壓潰長(zhǎng)度，單位為m；k_fi為副車架縱梁第i段的壓縮系數(shù)，是一個(gè)無(wú)量綱參數(shù)；D_fi為副車架縱梁第i段的原長(zhǎng)度，單位為m；

根據(jù)有限元基礎(chǔ)模型車身總布置要求確定副車架縱梁長(zhǎng)度范圍，根據(jù)發(fā)動(dòng)機(jī)、車輪等布置要求確定副車架縱梁各段長(zhǎng)度，副車架橫梁長(zhǎng)度取決于車身總 布置要求與副車架縱梁位置，在Pam-Crash后處理模塊中得到副車架縱梁各段彎曲變形分別吸收的能量，據(jù)此確定副車架縱梁壓潰變形目標(biāo)吸能量，由變形后長(zhǎng)度占原長(zhǎng)度的比例確定壓縮系數(shù)，最后根據(jù)式(8)和逐級(jí)壓潰系數(shù)得到副車架縱梁各段目標(biāo)平均軸向結(jié)構(gòu)力；

(3)選取材料并設(shè)計(jì)斷面

①選取材料

選取副車架各段材料為低碳鋼，材料平均流動(dòng)應(yīng)力為486Mpa；

②設(shè)計(jì)斷面

取副車架各段厚度與車輛-假人有限元基礎(chǔ)模型相同，由式(6)分別得到副車架縱梁前、后段的截面長(zhǎng)寬均值，將副車架橫梁截面設(shè)計(jì)成由中間到兩邊逐漸變大的形式。

技術(shù)方案中所述的仿真驗(yàn)證優(yōu)化設(shè)計(jì)后車身前端結(jié)構(gòu)的正面抗撞性包括如下步驟：

將設(shè)計(jì)的前縱梁、前指梁和副車架替換原車輛-假人有限元基礎(chǔ)模型中的相應(yīng)構(gòu)件得到新的有限元模型；

1)驗(yàn)證正面25％重疊率碰撞的吸能量與乘員艙侵入量

利用Pam-Crash軟件將新的有限元模型在25％重疊率正面碰撞工況中驗(yàn)證前縱梁、前指梁、副車架的吸能量及這三個(gè)構(gòu)件的吸能量之和是否達(dá)到目標(biāo)設(shè)計(jì)要求即目標(biāo)吸能量，同時(shí)還要驗(yàn)證乘員艙侵入量是否達(dá)到目標(biāo)設(shè)計(jì)要求即法規(guī)臨界侵入量：

(1)達(dá)到目標(biāo)設(shè)計(jì)要求

達(dá)到目標(biāo)設(shè)計(jì)要求,則可接著驗(yàn)證正面全寬碰撞的B柱加速度波形；

(2)未達(dá)到目標(biāo)設(shè)計(jì)要求

未達(dá)到目標(biāo)設(shè)計(jì)要求，則需重新調(diào)整目標(biāo)吸能比例或構(gòu)件截面長(zhǎng)寬值，直至滿足目標(biāo)設(shè)計(jì)要求；

2)驗(yàn)證正面全寬碰撞的B柱加速度波形

在Pam-Crash軟件中輸出并對(duì)比新的有限元模型和原車輛-假人有限元基礎(chǔ)模型在正面全寬碰撞工況中的B柱加速度波形，觀察新的有限元模型的B柱加速度峰值是否有明顯增大：

(1)B柱加速度峰值無(wú)明顯增大

新的有限元模型的B柱加速度峰值無(wú)明顯增大，則接著驗(yàn)證正面40％偏置碰撞的乘員艙侵入量；

(2)B柱加速度峰值有明顯增大

新的有限元模型的B柱加速度峰值有明顯增大，則需重新調(diào)整目標(biāo)吸能比例或構(gòu)件截面長(zhǎng)寬值直至B柱加速度峰值無(wú)明顯增大；

3)驗(yàn)證正面40％偏置碰撞的乘員艙侵入量

利用Pam-Crash軟件驗(yàn)證新的有限元模型在40％重疊率偏置碰撞工況中的乘員艙侵入量是否超過(guò)法規(guī)臨界侵入量：

(1)未超過(guò)法規(guī)臨界侵入量

乘員艙臨界侵入量未超過(guò)法規(guī)臨界侵入量，車身前端結(jié)構(gòu)的優(yōu)化設(shè)計(jì)結(jié)果就作為最終的優(yōu)化設(shè)計(jì)方案；

(2)超過(guò)法規(guī)臨界侵入量

乘員艙侵入量超過(guò)法規(guī)臨界侵入量，則需重新調(diào)整目標(biāo)吸能比例或構(gòu)件截面長(zhǎng)寬值，直至乘員艙侵入量不超過(guò)法規(guī)臨界侵入量。

與現(xiàn)有技術(shù)相比本發(fā)明的有益效果是：

1.本發(fā)明所述的針對(duì)汽車正面25％重疊率碰撞的車身前端結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)方法中基于車輛-假人有限元基礎(chǔ)模型(模型坐標(biāo)系與車身坐標(biāo)系相同，即汽車長(zhǎng)度方向?yàn)閤向，寬度方向?yàn)閥向，高度方向?yàn)閦向)建立的車身前端結(jié)構(gòu)等效簡(jiǎn)化模型，省略了在優(yōu)化過(guò)程中對(duì)模型幾何數(shù)據(jù)的修改過(guò)程，縮短了建模過(guò)程和時(shí)間；在現(xiàn)有的汽車正面25％重疊率碰撞的車身前端結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)過(guò)程中，每次設(shè)計(jì)方案的修改都要從幾何模型出發(fā)，然后再重新對(duì)幾何模型處理并建立CAE分析模型，而本發(fā)明提供的設(shè)計(jì)方法采用簡(jiǎn)化梁結(jié)構(gòu)代替了前端結(jié)構(gòu)的詳細(xì)有限元結(jié)構(gòu)，而前端結(jié)構(gòu)的幾何信息則采用數(shù)學(xué)參數(shù)來(lái)表達(dá)，從而省略了在優(yōu)化過(guò)程中對(duì)幾何模型的修改過(guò)程。

2.本發(fā)明所述的針對(duì)汽車正面25％重疊率碰撞的車身前端結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)方法中建立的等效簡(jiǎn)化模型數(shù)據(jù)量更少，使得在模型計(jì)算過(guò)程中耗時(shí)更少，更有利于大量計(jì)算。目前在汽車正面25％重疊率碰撞的車身前端結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)過(guò)程中普遍采用的CAE模型一般都依據(jù)其幾何數(shù)據(jù)建立，模型相對(duì)較復(fù)雜，數(shù)據(jù)量較大，導(dǎo)致計(jì)算過(guò)程耗時(shí)長(zhǎng)，而本發(fā)明中采用梁?jiǎn)卧⒌牡刃Ш?jiǎn)化模型，減少了模型的數(shù)據(jù)規(guī)模，計(jì)算速度更快。

3.在目前的汽車正面25％重疊率碰撞車身前端結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)過(guò)程中，設(shè)計(jì)人員由于缺少設(shè)計(jì)經(jīng)驗(yàn)和方法，優(yōu)化的過(guò)程中只能通過(guò)不斷的試錯(cuò)直到達(dá)到預(yù)期的優(yōu)化效果，導(dǎo)致了設(shè)計(jì)過(guò)程的盲目性和不確定性，這一過(guò)程可能會(huì)耗費(fèi)大量的時(shí)間。本發(fā)明在車身前端結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)過(guò)程中，根據(jù)前端結(jié)構(gòu)吸能量分布規(guī)律來(lái)探究其設(shè)計(jì)目標(biāo)，然后合理設(shè)計(jì)構(gòu)件截面和結(jié)構(gòu)尺寸，通過(guò)軸向壓潰和彎曲變形方式合理分流載荷，達(dá)到設(shè)計(jì)目標(biāo)，避免盲目性和不確定性。

附圖說(shuō)明

下面結(jié)合附圖對(duì)本發(fā)明作進(jìn)一步的說(shuō)明：

圖1為本發(fā)明所述的針對(duì)汽車正面25％重疊率碰撞的車身前端結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)方法的流程框圖；

圖2為IIHS正面25％重疊率碰撞試驗(yàn)工況示意圖；

圖3-a為IIHS正面25％重疊率碰撞試驗(yàn)工況采用的剛性壁障的主視圖；

圖3-b為IIHS正面25％重疊率碰撞試驗(yàn)工況采用的剛性壁障的左視圖；

圖3-c為IIHS正面25％重疊率碰撞試驗(yàn)工況采用的剛性壁障的俯視圖；

圖3-d為IIHS正面25％重疊率碰撞試驗(yàn)工況采用的剛性壁障的軸側(cè)投影視圖；

圖4-a為典型車身前端結(jié)構(gòu)前中后吸能區(qū)分布圖；

圖4-b為車身前端結(jié)構(gòu)板件的分解式軸側(cè)投影視圖；

圖5-a為本發(fā)明所述的針對(duì)汽車正面25％重疊率碰撞的車身前端結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)方法中所采用的壓潰剛度特性曲線參數(shù)化方法圖；

圖5-b為本發(fā)明所述的針對(duì)汽車正面25％重疊率碰撞的車身前端結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)方法中所采用的彎曲剛度特性曲線參數(shù)化方法圖；

圖6-a為本發(fā)明所述的針對(duì)汽車正面25％重疊率碰撞的車身前端結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)方法中車輛-假人有限元基礎(chǔ)模型中的前縱梁結(jié)構(gòu)圖；

圖6-b為本發(fā)明所述的針對(duì)汽車正面25％重疊率碰撞的車身前端結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)方法中的前縱梁等效簡(jiǎn)化模型圖；

圖7-a為本發(fā)明所述的針對(duì)汽車正面25％重疊率碰撞的車身前端結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)方法中車輛-假人有限元基礎(chǔ)模型中的前指梁結(jié)構(gòu)圖；

圖7-b為本發(fā)明所述的針對(duì)汽車正面25％重疊率碰撞的車身前端結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)方法中的前指梁等效簡(jiǎn)化模型圖；

圖8-a為本發(fā)明所述的針對(duì)汽車正面25％重疊率碰撞的車身前端結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)方法中車輛-假人有限元基礎(chǔ)模型中的副車架結(jié)構(gòu)圖；

圖8-b為本發(fā)明所述的汽車正面25％重疊率碰撞的車身前端結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)方法中的副車架等效簡(jiǎn)化模型圖；

圖9-a為本發(fā)明所述的針對(duì)汽車正面25％重疊率碰撞的車身前端結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)方法中車輛-假人有限元基礎(chǔ)模型；

圖9-b為本發(fā)明所述的針對(duì)汽車正面25％重疊率碰撞的車身前端結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)方法中的等效簡(jiǎn)化模型；

圖10-a為本發(fā)明所述的針對(duì)汽車正面25％重疊率碰撞的車身前端結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)方法中車輛-假人有限元基礎(chǔ)模型簡(jiǎn)化前后吸能量-時(shí)間曲線對(duì)比圖；

圖10-b為本發(fā)明所述的針對(duì)汽車正面25％重疊率碰撞的車身前端結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)方法中車輛-假人有限元基礎(chǔ)模型簡(jiǎn)化前后接觸力-時(shí)間曲線對(duì)比圖；

圖10-c為本發(fā)明所述的針對(duì)汽車正面25％重疊率碰撞的車身前端結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)方法中車輛-假人有限元基礎(chǔ)模型簡(jiǎn)化前后七個(gè)相關(guān)監(jiān)測(cè)點(diǎn)侵入量對(duì)比圖；

圖11-a為本發(fā)明所述的針對(duì)汽車正面25％重疊率碰撞的車身前端結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì) 方法中翼子板及輪罩、保險(xiǎn)杠總成、發(fā)動(dòng)機(jī)罩三部分在法規(guī)臨界侵入量下的吸能量-時(shí)間曲線圖；

圖11-b為本發(fā)明所述的針對(duì)汽車正面25％重疊率碰撞的車身前端結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)方法中前端薄壁梁構(gòu)件吸能量-時(shí)間曲線圖；

圖12-a為本發(fā)明所述的針對(duì)汽車正面25％重疊率碰撞的車身前端結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)方法中設(shè)計(jì)后的前縱梁x向投影圖；

圖12-b為本發(fā)明所述的針對(duì)汽車正面25％重疊率碰撞的車身前端結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)方法中設(shè)計(jì)后的前縱梁軸測(cè)投影圖；

圖13-a為本發(fā)明所述的針對(duì)汽車正面25％重疊率碰撞的車身前端結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)方法中設(shè)計(jì)后的前指梁x向投影圖；

圖13-b為本發(fā)明所述的汽車正面25％重疊率碰撞的車身前端結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)方法中設(shè)計(jì)后的前指梁軸測(cè)投影圖；

圖14-a為本發(fā)明所述的針對(duì)汽車正面25％重疊率碰撞的車身前端結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)方法中設(shè)計(jì)后的副車架z向投影圖；

圖14-b為本發(fā)明所述的針對(duì)汽車正面25％重疊率碰撞的車身前端結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)方法中設(shè)計(jì)后的副車架軸測(cè)投影圖；

圖15為本發(fā)明所述的針對(duì)汽車正面25％重疊率碰撞的車身前端結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)方法中設(shè)計(jì)后前端結(jié)構(gòu)正面25％重疊率碰撞乘員艙侵入量與法規(guī)臨界侵入量對(duì)比圖；

圖16為本發(fā)明所述的針對(duì)汽車正面25％重疊率碰撞的車身前端結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)方法中前端結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)前后正面全寬碰撞B柱加速度波形對(duì)比圖；

圖17為本發(fā)明所述的針對(duì)汽車正面25％重疊率碰撞的車身前端結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)方法中設(shè)計(jì)后前端結(jié)構(gòu)正面40％偏置碰撞乘員艙侵入量與法規(guī)臨界侵入量對(duì)比圖；

圖中:1.前防撞梁，2.吸能盒，3.前縱梁，4.前指梁，5.副車架，6.發(fā)動(dòng)機(jī)罩，7.前圍上蓋板，8.前圍板，9.前輪罩，10.散熱器框架，11.前翼子板。

具體實(shí)施方式

下面結(jié)合附圖對(duì)本發(fā)明作詳細(xì)的描述：

參閱圖4-a與圖4-b，本發(fā)明中所述的車身前端結(jié)構(gòu)中的零部件是指A柱之前的構(gòu)件，主要包括前防撞梁1、吸能盒2、前縱梁3、前指梁4、副車架5、發(fā)動(dòng)機(jī)罩6、前圍上蓋板7、前圍板8、前輪罩9、散熱器框架10與前翼子板11，其中，前五個(gè)構(gòu)件為非板件，后六個(gè)為板件。本發(fā)明所提供的針對(duì)汽車正面25％重疊率碰撞的車身前端結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)方法主要是針對(duì)前縱梁3、前指梁4及副車架5的設(shè)計(jì)，并把吸能盒2包含在前縱梁3中來(lái)設(shè)計(jì)。

本發(fā)明所述的針對(duì)汽車正面25％重疊率碰撞的車身前端結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)方法的步驟如下：

1.建立車輛等效簡(jiǎn)化模型

1)仿真模擬IIHS正面25％重疊率碰撞工況

利用Pam-Crash軟件建立所研究車型的車輛-假人有限元基礎(chǔ)模型的IIHS正面25％重疊率碰撞工況仿真模擬環(huán)境，依照法規(guī)規(guī)定使用剛性壁障，并將壁障6個(gè)自由度全部約束，采用車輛主動(dòng)碰撞固定壁障的方式進(jìn)行模擬，碰撞速度為64km/h。

2)提取前端結(jié)構(gòu)主要吸能非板件的剛度特性和慣性特性

碰撞發(fā)生時(shí)，前端結(jié)構(gòu)中主要吸能構(gòu)件包括：前縱梁3(包含吸能盒2)、前指梁4、副車架5、發(fā)動(dòng)機(jī)罩6、前翼子板11以及前輪罩9。此處只需提取非板件的剛度特性和慣性特性。整車碰撞中前端結(jié)構(gòu)吸能較多的非板件多產(chǎn)生壓潰和彎曲兩種變形方式，構(gòu)件剛度特性提取主要是指這兩種變形方式的剛度特性提取。

(1)提取前端結(jié)構(gòu)主要吸能非板件的壓潰剛度特性

壓潰剛度特性反映到力學(xué)特性上是力和變形的關(guān)系，即碰撞力-壓潰量曲線。利用Pam-Crash軟件仿真碰撞計(jì)算結(jié)束后，在得到的后處理文件中分別輸出前縱梁3(包含吸能盒2)、前指梁4、副車架5的碰撞力-壓潰量曲線，即為這三個(gè)構(gòu)件的壓潰剛度特性。

(2)提取前端結(jié)構(gòu)主要吸能非板件的彎曲剛度特性

梁結(jié)構(gòu)產(chǎn)生彎曲變形時(shí)會(huì)產(chǎn)生塑性鉸，碰撞能量主要由塑性鉸來(lái)吸收，彎曲剛度特性(即塑性鉸的剛度特性)反映到力學(xué)特性上是力矩和角度的關(guān)系，即彎矩-轉(zhuǎn)角曲線。利用Pam-Crash軟件仿真碰撞計(jì)算結(jié)束后，在得到的后處理文件中分別輸出前縱梁3(包含吸能盒2)、前指梁4、副車架5產(chǎn)生塑性鉸位置的彎矩-轉(zhuǎn)角曲線，即為這三個(gè)構(gòu)件的彎曲剛度特性。

(3)提取前端結(jié)構(gòu)主要吸能非板件的慣性特性

發(fā)生壓潰變形的構(gòu)件用梁?jiǎn)卧獊?lái)模擬，梁的慣性特性主要體現(xiàn)在它的截面上，即梁的截面特性決定了梁的慣性特性，梁的截面特性包括截面的面積和截面的慣性矩。通過(guò)hypermesh軟件的hyperbeam功能提取前縱梁3(包含吸能盒2)、前指梁4、副車架5的截面特性。

發(fā)生彎曲變形的構(gòu)件用彈簧單元來(lái)模擬，在PAM-CRASH軟件中提取構(gòu)件產(chǎn)生塑性鉸部位的質(zhì)量及慣性矩，即為其慣性特性。

3)將提取的剛度特性參數(shù)化

基于能量守恒原則對(duì)上一步中提取的壓潰剛度特性(碰撞力-壓潰量曲線)及彎曲剛度特性(彎矩-轉(zhuǎn)角曲線)進(jìn)行參數(shù)化。

(1)壓潰剛度特性參數(shù)化

參閱圖5-a，將提取的碰撞力-壓潰量曲線用F_p、d_p、F_m、d_e四個(gè)參數(shù)來(lái)表示， F_p為構(gòu)件的壓潰力峰值，表示構(gòu)件在壓潰工況下所能承受的最大載荷，即最大承載能力；d_p為峰值力所對(duì)應(yīng)的壓潰量；F_m為構(gòu)件的平均壓潰力，表示構(gòu)件的平均承載能力；d_e為有效壓潰量，即壓潰量超過(guò)此值后，幾乎不再產(chǎn)生變形，碰撞力會(huì)急劇增加。

(2)彎曲剛度特性參數(shù)化

參閱圖5-b，將提取的彎矩-轉(zhuǎn)角曲線用M_p、θ_m、M_m、θ_e四個(gè)參數(shù)表示。M_p為構(gòu)件彎曲力矩的峰值，表示構(gòu)件某方向所能承受的最大彎曲力矩，即最大彎曲承載能力；θ_m為峰值力矩所對(duì)應(yīng)的轉(zhuǎn)角；M_m為構(gòu)件的平均彎曲力矩，表示構(gòu)件的平均彎曲承載能力；θ_e為有效彎曲角度。

4)明確車身前端結(jié)構(gòu)各構(gòu)件等效簡(jiǎn)化模型模擬方式

上述方法獲取的非板件的剛度特性參數(shù)和慣性特性參數(shù)將用于其等效簡(jiǎn)化模型的材料參數(shù)輸入。在Pam-Crash軟件中車身前端結(jié)構(gòu)各構(gòu)件等效簡(jiǎn)化模型的具體模擬方式如下：主要吸能非板件采用梁?jiǎn)卧M，材料類型選擇BEAM214號(hào)材料，將上一步中參數(shù)化后的剛度特性曲線和慣性特性參數(shù)賦給相應(yīng)構(gòu)件的材料模型。吸能較大的板件則保留實(shí)際結(jié)構(gòu)，與梁?jiǎn)卧g的連接方式采用節(jié)點(diǎn)連接(NODAL CONSTRAIN)，發(fā)生彎曲變形產(chǎn)生塑性鉸的部位采用彈簧單元(SPRING220)模擬。

5)簡(jiǎn)化前縱梁、前指梁和副車架

本發(fā)明綜合考慮正面25％重疊率碰撞中與乘員小腿和足部傷害相關(guān)的力的傳遞路徑和主要的吸能構(gòu)件，將主要對(duì)前縱梁、前指梁、副車架進(jìn)行簡(jiǎn)化。在車輛-假人有限元基礎(chǔ)模型的正面25％重疊率碰撞工況中分別對(duì)前縱梁3、前指梁4和副車架5進(jìn)行變形前后的對(duì)比。根據(jù)碰撞后的變形特點(diǎn)(包括構(gòu)件各部分形狀、變形形式和方向等)，對(duì)這三個(gè)構(gòu)件進(jìn)行分段簡(jiǎn)化，并依據(jù)上一步中提取的各段特性參數(shù)分別建立等效簡(jiǎn)化模型。

參閱圖6-a、圖6-b，以前縱梁3為例說(shuō)明簡(jiǎn)化方法，通過(guò)對(duì)前縱梁3變形前后進(jìn)行對(duì)比發(fā)現(xiàn)：前縱梁3第1段主要為壓潰變形，第2段既有壓潰變形又有繞y軸和z軸的彎曲變形，第3段縱梁既有繞y軸的彎曲又有繞z軸的彎曲，第4段既有繞y軸的彎曲又有繞z軸的彎曲。于是將前縱梁3大致分成四段進(jìn)行簡(jiǎn)化，采用梁?jiǎn)卧娲瓉?lái)的殼單元，材料類型選擇BEAM214號(hào)材料，并將獲取的前縱梁各段剛度特性參數(shù)和慣性特性參數(shù)賦給材料。

6)處理車體其他部件

參閱圖9-a及圖9-b，保留保險(xiǎn)杠總成、發(fā)動(dòng)機(jī)、發(fā)動(dòng)機(jī)罩、翼子板、前輪罩、前車門(mén)和前車輪等，刪除B柱之后的零件并用質(zhì)量點(diǎn)代替。分別調(diào)整簡(jiǎn)化模型車輛前端(A柱之前)、車輛后端(B柱之后)以及整車的質(zhì)量和質(zhì)心位置，使之與車輛-假人有限元基礎(chǔ)模型接近，得到最終的車輛等效簡(jiǎn)化模型，見(jiàn)圖 9-b。其中，被前端覆蓋件遮住的前縱梁、前指梁及副車架為梁?jiǎn)卧问健?/p>

7)驗(yàn)證車輛等效簡(jiǎn)化模型的有效性

對(duì)比等效簡(jiǎn)化模型與車輛-假人有限元基礎(chǔ)模型的變形過(guò)程和碰撞響應(yīng)特性(吸能量曲線、剛性墻接觸反力曲線、七個(gè)監(jiān)測(cè)點(diǎn)侵入量最大值)，若偏差較小則等效簡(jiǎn)化模型可替代車輛-假人有限元基礎(chǔ)模型進(jìn)行后續(xù)研究；若偏差較大則需修正等效簡(jiǎn)化模型降低偏差后再進(jìn)行后續(xù)研究。

2.獲取車身前端結(jié)構(gòu)抗撞性設(shè)計(jì)目標(biāo)

1)計(jì)算前縱梁、前指梁及副車架目標(biāo)吸能量之和

其中:E的單位為J；m為整車質(zhì)量，單位為kg；v₀為碰撞初速度，單位為m/s；v為碰撞結(jié)束速度，單位為m/s；η表示車體前端目標(biāo)吸能比例，一般取80％-90％；E_k為前端結(jié)構(gòu)中翼子板及輪罩、保險(xiǎn)杠總成、發(fā)動(dòng)機(jī)罩三部分目標(biāo)吸能量之和，單位為J，其值由該三部分在法規(guī)臨界侵入量下的吸能量-時(shí)間曲線得到；E_qt表示車體前端其他構(gòu)件吸能量，通常為1-4kJ；在該式中給定碰撞結(jié)束速度v和目標(biāo)吸能比例η，即可求出前縱梁、前指梁及副車架目標(biāo)吸能量之和E。

2)分別計(jì)算前縱梁、前指梁及副車架的目標(biāo)吸能量

參閱圖11-a，修改簡(jiǎn)化模型前縱梁3、前指梁4、副車架5的特性參數(shù)，得到在該工況碰撞中翼子板及輪罩、保險(xiǎn)杠總成、發(fā)動(dòng)機(jī)罩三部分在法規(guī)臨界侵入量下的吸能量-時(shí)間曲線，可得式(1)中的E_k值。在式(1)中再給定碰撞結(jié)束速度v和目標(biāo)吸能比例η，即可求出前縱梁、前指梁及副車架的目標(biāo)吸能量之和E。參閱圖11-b，然后輸出各前端薄壁梁構(gòu)件的吸能量-時(shí)間曲線，據(jù)此分別得到前縱梁3、前指梁4和副車架5的目標(biāo)吸能比例η_q、η_s、η_f；再利用下列各式分別算出其目標(biāo)吸能量E_q、E_s、E_f。

E_q＝η_q·E (2)

E_s＝η_s·E (3)

E_f＝η_f·E (4)

式中：E為前縱梁、前指梁及副車架的目標(biāo)吸能量之和，單位為J；E_q、E_s、E_f分別為前縱梁3、前指梁4、副車架5的目標(biāo)吸能量，單位為J；η_q、η_s、η_f分別為前縱梁3、前指梁4、副車架5的目標(biāo)吸能比例。

3.設(shè)計(jì)前縱梁、前指梁及副車架

1)設(shè)計(jì)前縱梁

(1)計(jì)算單側(cè)前縱梁各段目標(biāo)吸能量

上面求出的前縱梁的目標(biāo)吸能量為左右兩側(cè)前縱梁的吸能和，由于該工況 中右側(cè)縱梁并未充分變形只吸收很小的一部分能量，一般僅為左側(cè)前縱梁的30％，因此在進(jìn)行前縱梁的設(shè)計(jì)時(shí)，將左側(cè)前縱梁的目標(biāo)吸能量(總的吸能量減去右側(cè)前縱梁的吸能量)作為單側(cè)前縱梁的設(shè)計(jì)目標(biāo)。為使設(shè)計(jì)的前端結(jié)構(gòu)也適應(yīng)正面全寬碰撞和40％重疊率偏置碰撞，左右兩側(cè)相關(guān)構(gòu)件的設(shè)計(jì)保持一致，通過(guò)分析等效簡(jiǎn)化模型前縱梁各段變形吸能量占整個(gè)前縱梁吸能量的比例，分別給定各段目標(biāo)吸能比例，最終得到單側(cè)前縱梁各段目標(biāo)吸能量

(2)設(shè)計(jì)前縱梁各段x向長(zhǎng)度及目標(biāo)平均軸向結(jié)構(gòu)力

式中：E_q為前縱梁壓潰變形目標(biāo)吸能量，即前縱梁目標(biāo)吸能量減去前縱梁彎曲變形目標(biāo)吸能量，單位為J；E_qi為前縱梁第i段壓潰變形目標(biāo)吸能量,單位為J；F_qi為前縱梁第i段的目標(biāo)平均軸向結(jié)構(gòu)力，單位為N；S_qi為前縱梁第i段的壓潰長(zhǎng)度，單位為m；k_qi為前縱梁第i段的壓縮系數(shù)，是一個(gè)無(wú)量綱參數(shù)；D_qi為前縱梁第i段的原長(zhǎng)度，單位為m。

根據(jù)車輛總布置要求確定前縱梁x向總長(zhǎng)度，根據(jù)吸能要求與發(fā)動(dòng)機(jī)、車輪等布置要求確定前縱梁各段x向長(zhǎng)度。在式(5)中，取等效簡(jiǎn)化模型中前縱梁第i段被壓縮的長(zhǎng)度占原長(zhǎng)度的比例作為第i段的壓縮系數(shù)k_qi。綜合考慮式(5)和逐級(jí)壓潰系數(shù)(后一段平均軸向結(jié)構(gòu)力占前一段平均軸向結(jié)構(gòu)力的比例，為保障逐級(jí)壓潰取值范圍為1.1～1.2)要求，得到壓潰變形段的目標(biāo)平均軸向結(jié)構(gòu)力。吸能盒x向長(zhǎng)度與車輛-假人有限元基礎(chǔ)模型相同。

(3)選取材料并設(shè)計(jì)斷面

①選取材料

吸能盒材料選為冷連軋低碳鋼0.2T/DC01，前縱梁各段材料選為低碳鋼。

②設(shè)計(jì)斷面

低碳鋼材質(zhì)的矩形截面薄壁梁平均軸向結(jié)構(gòu)力計(jì)算公式為

式中:F為平均軸向結(jié)構(gòu)力，單位為N；σ₀為平均流動(dòng)應(yīng)力，單位為Mpa， 低碳鋼為486Mpa；b為矩形截面長(zhǎng)寬平均值，單位為mm；t為薄壁梁厚度，單位為mm；v₀為動(dòng)態(tài)載荷，單位為m/s；c為特征應(yīng)變率，是一個(gè)無(wú)量綱參數(shù)，低碳鋼取為40％；p為材料敏感度度量值，是一個(gè)無(wú)量綱參數(shù)，低碳鋼p值為6。

取前縱梁壓潰變形段的厚度與有限元基礎(chǔ)模型相同，由公式(6)得到其斷面長(zhǎng)寬均值，據(jù)此確定截面長(zhǎng)度和寬度。前縱梁末端與地板縱梁連接處截面大小相同。前縱梁后段屬于漸變面截面，且主要變形方式為彎曲變形，在設(shè)計(jì)此處斷面時(shí)考慮彎曲變形吸能量的要求確定其厚度。

2)設(shè)計(jì)前指梁

(1)計(jì)算單側(cè)前指梁各段目標(biāo)吸能量

上面步驟2中求出的前指梁的目標(biāo)吸能量為左右兩側(cè)前指梁的吸能和，由于該工況中右側(cè)前指梁并未充分變形只吸收很小的一部分能量，一般僅為左側(cè)前指梁的60％，因此在進(jìn)行前指梁的設(shè)計(jì)時(shí)，將左側(cè)前指梁的目標(biāo)吸能量(總的吸能量減去右側(cè)前指梁的吸能量)作為單側(cè)前指梁的設(shè)計(jì)目標(biāo)。為使設(shè)計(jì)的前端結(jié)構(gòu)也適應(yīng)正面全寬碰撞和40％重疊率偏置碰撞，左右兩側(cè)前指梁的設(shè)計(jì)保持一致。通過(guò)分析等效簡(jiǎn)化模型前指梁各段變形吸能量占整個(gè)前指梁吸能量的比例，分別給定各段目標(biāo)吸能比例，最終得到單側(cè)前指梁各段目標(biāo)吸能量。

(2)設(shè)計(jì)前指梁各段x向長(zhǎng)度及目標(biāo)平均軸向結(jié)構(gòu)力

式中：E_s為前指梁壓潰變形目標(biāo)吸能量，即前指梁目標(biāo)吸能量減去前指梁彎曲變形目標(biāo)吸能量，單位為J；E_si為前指梁第i段壓潰變形目標(biāo)吸能量，單位為J；F_si為前指梁第i段的目標(biāo)平均軸向結(jié)構(gòu)力，單位為N；S_si為前指梁第i段的壓潰長(zhǎng)度，單位為m；k_si為前指梁第i段的壓縮系數(shù)，是一個(gè)無(wú)量綱參數(shù)；D_si為前指梁第i段的原長(zhǎng)度，單位為m。

根據(jù)車輛-假人有限元基礎(chǔ)模型中總布置要求確定前指梁x向總長(zhǎng)度，根據(jù)前指梁變形特點(diǎn)在考慮總布置要求后，由式(7)和逐級(jí)壓潰系數(shù)得到前指梁各段x向設(shè)計(jì)長(zhǎng)度以及相應(yīng)目標(biāo)平均軸向結(jié)構(gòu)力。

(3)選取材料并設(shè)計(jì)斷面

①選取材料

選取前指梁各段材料為低碳鋼，材料平均流動(dòng)應(yīng)力為486MPa。

②設(shè)計(jì)斷面

取前指梁各段厚度與車輛-假人有限元基礎(chǔ)模型相同。由公式(6)分別得到前指梁壓潰變形段的截面長(zhǎng)寬均值。從前指梁中部到前指梁后部設(shè)計(jì)為漸變截面，最后滿足前指梁與車門(mén)鉸鏈連接強(qiáng)度要求。

3)設(shè)計(jì)副車架

(1)計(jì)算單側(cè)副車架各段目標(biāo)吸能量

副車架5橫梁主要為繞z軸的彎曲變形，副車架5縱梁不僅要有繞y軸的彎曲變形還要有適當(dāng)?shù)膲簼⒆冃蝸?lái)吸收一些碰撞過(guò)程中產(chǎn)生的能量。上面步驟2中求出的副車架的目標(biāo)吸能量包括三部分：副車架橫梁目標(biāo)吸能量、副車架左側(cè)縱梁目標(biāo)吸能量、副車架右側(cè)縱梁目標(biāo)吸能量。由于該工況中副車架右側(cè)縱梁并未充分變形只吸收很小的一部分能量，一般僅為副車架左側(cè)縱梁的13％，因此在進(jìn)行副車架的設(shè)計(jì)時(shí)，將副車架左側(cè)縱梁的目標(biāo)吸能量(副車架縱梁吸能量減去右側(cè)縱梁的吸能量)作為副車架單側(cè)縱梁的設(shè)計(jì)目標(biāo)。為使設(shè)計(jì)的前端結(jié)構(gòu)也適應(yīng)正面全寬碰撞和40％重疊率偏置碰撞，左右兩側(cè)副車架縱梁的設(shè)計(jì)保持一致。通過(guò)分析等效簡(jiǎn)化模型副車架各段變形吸能量占整個(gè)前指梁吸能量的比例，分別給定各段目標(biāo)吸能比例，最終得到單側(cè)副車架各段目標(biāo)吸能量。

(2)設(shè)計(jì)副車架各段x向長(zhǎng)度及目標(biāo)平均軸向結(jié)構(gòu)力

式中：E_f為副車架縱梁壓潰變形目標(biāo)吸能量，即副車架目標(biāo)吸能量減去副車架橫梁目標(biāo)吸能量及副車架縱梁彎曲變形目標(biāo)吸能量，單位為J；E_fi為副車架縱梁第i段壓潰變形目標(biāo)吸能量，單位為J；F_fi為副車架縱梁第i段的目標(biāo)平均軸向結(jié)構(gòu)力，單位為N；S_fi為副車架縱梁第i段的壓潰長(zhǎng)度，單位為m；k_fi為副車架縱梁第i段的壓縮系數(shù)，是一個(gè)無(wú)量綱參數(shù)；D_fi為副車架縱梁第i段的原長(zhǎng)度，單位為m。

根據(jù)有限元基礎(chǔ)模型車身總布置要求確定副車架縱梁長(zhǎng)度范圍。根據(jù)發(fā)動(dòng)機(jī)、車輪等布置要求確定副車架縱梁各段長(zhǎng)度。副車架橫梁長(zhǎng)度取決于車身總布置要求與副車架縱梁位置。在Pam-Crash后處理模塊中得到副車架縱梁各段彎曲變形分別吸收的能量，據(jù)此確定副車架縱梁壓潰變形目標(biāo)吸能量，由變形后長(zhǎng)度占原長(zhǎng)度的比例確定壓縮系數(shù)，最后根據(jù)式(8)和逐級(jí)壓潰系數(shù)得到副車架縱梁各段目標(biāo)平均軸向結(jié)構(gòu)力。

(3)選取材料并設(shè)計(jì)斷面

①選取材料

選取副車架各段材料為低碳鋼，材料平均流動(dòng)應(yīng)力為486Mpa。

②設(shè)計(jì)斷面

取副車架各段厚度與車輛-假人有限元基礎(chǔ)模型相同。由式(6)分別得到副車架縱梁前、后段的截面長(zhǎng)寬均值。將副車架橫梁截面設(shè)計(jì)成由中間到兩邊逐漸變大的形式。

4.仿真驗(yàn)證優(yōu)化設(shè)計(jì)后車身前端結(jié)構(gòu)的正面抗撞性

將設(shè)計(jì)的前縱梁3、前指梁4和副車架5替換原車輛-假人有限元基礎(chǔ)模型中的相應(yīng)構(gòu)件得到新的有限元模型。

1)驗(yàn)證正面25％重疊率碰撞的吸能量與乘員艙侵入量

利用Pam-Crash軟件在25％重疊率正面碰撞工況中驗(yàn)證新的有限元模型的前縱梁3、前指梁4、副車架5的吸能量及這三個(gè)構(gòu)件的吸能量之和是否達(dá)到目標(biāo)設(shè)計(jì)要求(目標(biāo)吸能量)，同時(shí)還要驗(yàn)證乘員艙侵入量是否達(dá)到目標(biāo)設(shè)計(jì)要求(法規(guī)臨界侵入量)。

(1)達(dá)到目標(biāo)設(shè)計(jì)要求

若達(dá)到目標(biāo)設(shè)計(jì)要求,則可接著驗(yàn)證正面全寬碰撞的B柱加速度波形。

(2)未達(dá)到目標(biāo)設(shè)計(jì)要求

若未達(dá)到目標(biāo)設(shè)計(jì)要求，則需重新調(diào)整目標(biāo)吸能比例或構(gòu)件截面長(zhǎng)寬值，直至滿足目標(biāo)設(shè)計(jì)要求。

2)驗(yàn)證正面全寬碰撞的B柱加速度波形

在Pam-Crash軟件中輸出并對(duì)比新的有限元模型和原車輛-假人有限元基礎(chǔ)模型在正面全寬碰撞工況中的B柱加速度波形，觀察新的有限元模型的B柱加速度峰值是否有明顯增大。

(1)B柱加速度峰值無(wú)明顯增大

若新的有限元模型的B柱加速度峰值無(wú)明顯增大，則可接著驗(yàn)證正面40％偏置碰撞的乘員艙侵入量。

(2)B柱加速度峰值有明顯增大

若新的有限元模型的B柱加速度峰值有明顯增大，則需重新調(diào)整目標(biāo)吸能比例或構(gòu)件截面長(zhǎng)寬值直至B柱加速度峰值無(wú)明顯增大。

3)驗(yàn)證正面40％偏置碰撞的乘員艙侵入量

利用Pam-Crash軟件驗(yàn)證新的有限元模型在40％重疊率偏置碰撞工況中的乘員艙侵入量是否超過(guò)法規(guī)臨界侵入量(該工況評(píng)價(jià)中達(dá)到滿分的侵入量)。

(1)未超過(guò)法規(guī)臨界侵入量

若乘員艙臨界侵入量未超過(guò)法規(guī)臨界侵入量，車身前端結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)結(jié)果就作為最終的設(shè)計(jì)方案。

(2)超過(guò)法規(guī)臨界侵入量

若乘員艙侵入量超過(guò)法規(guī)臨界侵入量，則需重新調(diào)整目標(biāo)吸能比例或構(gòu)件截面長(zhǎng)寬值，直至乘員艙侵入量不超過(guò)法規(guī)臨界侵入量。

實(shí)施例

本實(shí)施案例中以某款車型為設(shè)計(jì)對(duì)象，該款車型的車輛-假人有限元基礎(chǔ)模型在正面25％重疊率碰撞仿真模擬中，A柱上部發(fā)生嚴(yán)重的彎折變形，左前車門(mén)變形嚴(yán)重可能導(dǎo)致車門(mén)不能順利開(kāi)啟，前縱梁中段沒(méi)有充分變形，吸能不足，車門(mén)鉸處、駐車踏板、門(mén)檻及儀表板下部監(jiān)測(cè)點(diǎn)侵入量較大。在已有的有限元模型基礎(chǔ)上，利用本發(fā)明中的設(shè)計(jì)方法，對(duì)該款車型車身前端結(jié)構(gòu)的正面25％重疊率抗撞性能進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)。

1.建立車輛等效簡(jiǎn)化模型

參閱圖6-a和6-b、圖7-a和7-b、圖8-a和8-b，根據(jù)碰撞后的變形特點(diǎn)分別對(duì)前縱梁、前指梁和副車架進(jìn)行分段簡(jiǎn)化。其中，前縱梁被分為四段：第1段主要為壓潰變形，第2段既有壓潰變形又有繞y軸和z軸的彎曲變形，第3縱梁既有繞y軸的彎曲又有繞z軸的彎曲，第4段既有繞y軸的彎曲又有繞z軸的彎曲；前指梁被分為四段：第1段前指梁既有壓潰變形又有繞y軸的正向彎曲，第2段既有壓潰變形又有繞y軸的負(fù)向彎曲，第3段和第4段主要為繞z軸的彎曲；副車架被分為3段：第1段為副車架橫梁，既有繞y軸的彎曲變形又有繞z軸的彎曲變形；第2段為副車架縱梁前半段，有壓潰變形和繞y軸的彎曲變形，第3段為副車架縱梁后半段，有壓潰變形和繞y軸的彎曲變形。然后在Pam-Crash軟件中用梁?jiǎn)卧嬖瓉?lái)的殼單元，用彈簧單元模擬塑性鉸，并將提取的各段剛度特性參數(shù)和慣性特性參數(shù)分別輸入對(duì)應(yīng)的材料模型中，得到前縱梁、前指梁及副車架的等效簡(jiǎn)化模型。再按要求處理車體其他部件，最終得到車輛等效簡(jiǎn)化模型，如圖9-a和圖9-b。

參閱圖10-a、圖10-b和圖10-c，本發(fā)明輸出了等效簡(jiǎn)化模型吸能量曲線、剛性墻接觸反力曲線、侵入量曲線，并與車輛-假人有限元基礎(chǔ)模型進(jìn)行了對(duì)比。對(duì)比結(jié)果顯示該等效簡(jiǎn)化模型基本上可以還原該工況車輛-假人有限元基礎(chǔ)模型的碰撞過(guò)程，后續(xù)可以用其替代車輛-假人有限元基礎(chǔ)模型進(jìn)行前端結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的目標(biāo)要求探究。

2.獲取車身前端結(jié)構(gòu)抗撞性設(shè)計(jì)目標(biāo)

參閱表2，在式(1)中將v取為20km/h，η取為0.9，E_k取為40kJ，E_qt取為4kJ，由此得到車體前端結(jié)構(gòu)總的目標(biāo)吸能量。參閱圖11-a和圖11-b，取η_q為0.55，η_s為0.16，η_f為0.29，分別得到前縱梁、前指梁、副車架的目標(biāo)吸能量。

表2車體前端結(jié)構(gòu)構(gòu)件設(shè)計(jì)目標(biāo)

3.設(shè)計(jì)車體前端結(jié)構(gòu)主要受力構(gòu)件

1)設(shè)計(jì)前縱梁

參閱表3，前縱梁前段和中段主要為薄壁直梁，通過(guò)壓潰變形吸收能量；后段與地板縱梁連接，為曲梁，主要為彎曲變形。在考慮車身總布置后，將后段分成兩段進(jìn)行設(shè)計(jì)。取前縱梁第1段(含吸能盒)、第2段、后兩段占全部前縱梁目標(biāo)吸能量的比例分別為50％、35％、15％。將左側(cè)前縱梁的目標(biāo)吸能量作為單側(cè)前縱梁的設(shè)計(jì)目標(biāo)，由此得到單側(cè)前縱梁各段的目標(biāo)吸能量。

表3單側(cè)前縱梁設(shè)計(jì)方案

參閱表4，根據(jù)車輛-假人有限元基礎(chǔ)模型車輛總布置要求確定前縱梁四段x向總長(zhǎng)度為1188mm；根據(jù)吸能要求與發(fā)動(dòng)機(jī)、車輪等布置要求確定前縱梁各段長(zhǎng)度，根據(jù)公式(5)確定前縱梁前兩段的目標(biāo)平均軸向結(jié)構(gòu)力。吸能盒x向長(zhǎng)度與車輛-假人有限元基礎(chǔ)模型相同為123mm。

表4前縱梁各段x向設(shè)計(jì)長(zhǎng)度與目標(biāo)平均軸向結(jié)構(gòu)力

參閱圖12-a及圖12-b，取前縱梁1、2段厚度與車輛-假人有限元基礎(chǔ)模型相同為1.91mm，由公式(6)分別得到1、2段斷面的長(zhǎng)寬均值：161mm、117mm，取第1段截面長(zhǎng)為162mm、寬為160mm，第2段截面長(zhǎng)為140mm、寬為94mm。前縱梁后段為漸變面截面，考慮彎曲變形吸能量要求，將其厚度取為2.8mm。前縱梁末端與地板縱梁連接處截面大小與地板縱梁截面大小相同。

2)設(shè)計(jì)前指梁

參閱表5，將前指梁第1、2段設(shè)計(jì)為壓潰和繞y軸的彎曲變形，第3、4段 設(shè)計(jì)成繞z軸的彎曲變形。將左側(cè)前指梁的目標(biāo)吸能量作為單側(cè)前指梁的設(shè)計(jì)目標(biāo)，得到單側(cè)前指梁各段目標(biāo)吸能量。

表5單側(cè)前指梁設(shè)計(jì)方案

參閱表6，根據(jù)車輛-假人有限元基礎(chǔ)模型中總布置要求，前指梁x向總長(zhǎng)度為944mm，根據(jù)前指梁變形特點(diǎn)在考慮總布置要求后，由式(7)得到前指梁各段x向設(shè)計(jì)長(zhǎng)度以及相應(yīng)目標(biāo)平均軸向結(jié)構(gòu)力。

表6前指梁各段x向設(shè)計(jì)長(zhǎng)度與目標(biāo)平均軸向結(jié)構(gòu)力

參閱圖13-a及圖13-b，取前指梁各段厚度與有限元基礎(chǔ)模型相同為1.6mm，由公式(6)分別得到前縱梁第1、2段截面長(zhǎng)寬均值為41mm。從第3段前端到第4段為漸變截面，最后滿足前指梁與車門(mén)鉸鏈連接強(qiáng)度要求。為使前指梁前部產(chǎn)生壓潰變形，在前指梁第1段設(shè)計(jì)孔洞與誘導(dǎo)槽。

3)設(shè)計(jì)副車架

參閱表7，副車架橫梁主要為繞z軸的彎曲變形，副車架縱梁不僅要有繞y軸的彎曲變形還要有適當(dāng)?shù)膲簼⒆冃蝸?lái)吸收一些碰撞過(guò)程中產(chǎn)生的能量。將左側(cè)副車架縱梁的目標(biāo)吸能量作為單側(cè)副車架的設(shè)計(jì)目標(biāo)，得到副車架各段目標(biāo)吸能量。

表7副車架設(shè)計(jì)方案

參閱表8，根據(jù)車輛-假人有限元基礎(chǔ)模型車輛總布置要求，副車架縱梁長(zhǎng)度范圍在827-1021mm。根據(jù)發(fā)動(dòng)機(jī)、車輪等布置要求確定副車架縱梁前、后段長(zhǎng)度分別為516mm、416mm。副車架縱梁前、后段彎曲變形吸收的能量各約2-3kJ，變形后長(zhǎng)度約為原長(zhǎng)度的0.6倍，因此壓縮系數(shù)可視為0.4，由式(8)得到副 車架縱梁前、后段目標(biāo)平均軸向結(jié)構(gòu)力。

表8副車架各段設(shè)計(jì)長(zhǎng)度與目標(biāo)平均軸向結(jié)構(gòu)力

參閱圖14-a及圖14-b，取副車架各段厚度與車輛-假人有限基礎(chǔ)模型相同為2.25mm，由式(6)得到副車架縱梁前、后段截面長(zhǎng)寬均值為60mm、84mm。并結(jié)合上述具體實(shí)施方式中對(duì)副車架橫梁的分析得到副車架設(shè)計(jì)圖，

4.仿真驗(yàn)證所設(shè)計(jì)前端結(jié)構(gòu)的正面抗撞性

1)驗(yàn)證正面25％重疊率碰撞的吸能量與乘員艙侵入量

參閱表9，前指梁和副車架的仿真碰撞值與目標(biāo)設(shè)計(jì)值一致；前縱梁仿真碰撞值略超過(guò)目標(biāo)設(shè)計(jì)值，總吸能量仿真碰撞值超過(guò)目標(biāo)設(shè)計(jì)值3％，吸能量符合目標(biāo)設(shè)計(jì)要求。

表9前端結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)后仿真吸能量與目標(biāo)吸能量

參閱圖15，七個(gè)監(jiān)測(cè)點(diǎn)的侵入量均未超過(guò)臨界侵入量，并且除了駐車踏板和下儀表板外，其他監(jiān)測(cè)點(diǎn)處實(shí)際侵入量均較小，乘員艙侵入量達(dá)到目標(biāo)設(shè)計(jì)要求。

2)驗(yàn)證正面全寬碰撞的B柱加速度波形

參閱圖16，發(fā)現(xiàn)前端結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)后，B柱加速度峰值較原有限元基礎(chǔ)模型略有下降，符合正面全寬碰撞法規(guī)要求。

3)驗(yàn)證正面40％偏置碰撞的乘員艙侵入量

參閱圖17，各監(jiān)測(cè)點(diǎn)侵入量小于該工況下的法規(guī)臨界侵入量(該工況評(píng)價(jià)中達(dá)到滿分的侵入量)。

綜上所述，本發(fā)明中優(yōu)化設(shè)計(jì)的前端結(jié)構(gòu)能滿足三種正面碰撞工況抗撞性要求。