汽车前端造型与概念设计研究.docx

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1、 汽车前端造型与概念设计研究 1行人髋部碰撞区域的造型分析 1.1造型因素对髋部冲击器碰撞影响的分析 汽车前端造型因素对髋部冲击器碰撞结果的影响表达在两方面,一是前端造型的几何尺寸打算了髋部冲击器的碰撞输入能量、初始速度与角度,其中输入能量与吸能变形空间的需求正相关;另一方面,碰撞接触面积、碰撞区域内构造件(如上横梁、机罩锁、车大灯和进气格栅等)的布置与髋部冲击器的损伤参数亲密相关。给出髋部冲击器与机罩前缘碰撞试验中用于确定初始能量输入的曲线,可以看出,初始能量输入对于机罩前缘高度(BLEH)特别敏感。因此,对机罩前缘较高的车型,髋部冲击器碰撞试验往往初始输入动能较高,测试结果相对较差。在实际

2、的造型设计过程中,进气格栅是汽车前部重要的造型元素,它直接影响整车造型设计风格。通过降低进气格栅高度,使车辆前端造型更加扁平,能够相应降低机罩前缘高度,从而减小髋部冲击器的初始碰撞能量。汽车前大灯一般局部构造刚度较大,也是髋部冲击器碰撞的关键区域,依据行人碰撞要求相应转变大灯造型设计与空间位置,可以设法将其布置在髋部碰撞区域之外。局部现有车型中在车大灯的安装机构上采纳了整体溃缩吸能装置,以改善局部碰撞缓冲效果,降低行人爱护要求对于车灯造型的限制。 1.2基于碰撞能量约束的车型前端外轮廓设计 结合上述分析可以发觉,在车型设计早期,可以肯定的碰撞能量输入作为设计目标,对车型外轮廓设计进展约束,从而

3、为后续针对髋部碰撞爱护的部件构造和布置设计供应便利。在前保险杠系统方案确定后。首先选取车型正中心截面,即车辆纵向对称面(y=0),设定一个碰撞输入能量(比方500J),按以下步骤求得对应当输入能量的组合约束线:(1)根据法规要求,利用截面中一条与垂线成20的斜线和保险杠廓形的接触点,确定保险杠上参考点M;(2)依据法规给定曲线,确定500J能量对应的各组BLEH和BL,描点连线得曲线;(3)确定车型BLEH的上限值hBLE,并按其高度确定曲线上的一点N;(4)从点N处作一条截面中与地面交角40的直线;(5)、与3条直、曲线,去掉它们交点以外的无效线段后,共同组成该截面的一条组合约束线。沿车辆横

4、向(即保险杠的长度方向)取若干平行于纵向对称面的截面(对应于不同的碰撞点),分别按上述步骤求得该截面的组合约束线;这些组合约束线将构成一个约束曲面。只要汽车前端造型设计的曲面在约束曲面之下,即可保证碰撞输入能量不超过设定值。汽车造型对于行人碰撞试验结果有明显影响。在实际工程中,车辆开发早期的造型设计阶段就应考虑行人爱护要求,以降低工程开发难度,改善车辆的行人爱护性能。需要指出的是,髋部冲击器对不同位置的构造刚度的敏感程度不同,髋部冲击器下部受力往往对冲击反力的峰值影响更明显。因此,接触点局部造型(尤其是局部的弧度设计)以及由此引起的局部刚度变化等,对髋部冲击器碰撞结果也会产生影响。此外,汽车低

5、速碰撞和行人腿部碰撞爱护等对汽车前端设计(如前车灯和机罩前缘等)也有不同的要求,这些因素均应在车型设计早期予以兼顾。 2机罩前缘构造改良设计 行人冲击器碰撞均集中在车辆前端的局部区域,输入动能相对较小,对模型保真度要求较高。本文中利用LS-DYNA软件建立了样车前端有限元模型,与实际试验值进展了比照分析,通过机罩前缘不同位置的碰撞仿真计算对现有车型的髋部碰撞爱护性能进展评估,找出损伤参数超标的区域,并从其构造刚度、质量分布和边界条件特征等方面对结果进展分析。髋部冲击器碰撞可视为一维运动,主要考察髋部冲击器在平动过程中受到的冲击反力合力和弯矩大小。从实际算例和试验结果来看,冲击反力与弯矩之间存在

6、肯定的比例关系,过高的合力峰值是导致髋部冲击器碰撞结果较差的主要缘由,因此在概念设计中以冲击反力峰值作为主要讨论对象。构造设计目标为在不增加变形吸能空间的前提下,降低冲击反力峰值;或在不提高冲击反力峰值的状况下,减小所需要的变形吸能空间。 2.1样车前端模型的建立 本文中使用的样车前端构造模型保存了A柱前与行人冲击器相接触和对其损伤有较大影响的部件,详细包括:机罩及其附属部件、车灯、翼子板、散热器、前保险杠总成(蒙皮、横梁、吸能盒、下支撑件等)和风窗玻璃等部件。约含20万个单元,在截面处约束各点运动自由度。为便利表达,将此样车模型记为模型A。为了验证模型A的精确性,实施了样车前端髋部冲击器碰撞

7、试验,试验中选定的碰撞位置沿车辆横向的坐标值为Y=350mm,试验中碰撞位置信息和试验结果如表1所示。为进展比照,在有限元模型中就同一位置进展了碰撞仿真。仿真计算得到的髋部冲击器合力曲线与试验结果比拟吻合。两者的差异可能存在多方面的缘由,如仿真模型本身的保真度凹凸,实际试验条件与仿真条件可能不完全匹配,传感器测量结果误差等。另外,比照不同文献给出的髋部冲击器标定结果时可以发觉,在标定结果都满意试验要求的状况下,标定试验曲线也存在明显不同,因此,本文中的计算结果仅用于车型改良前后髋部碰撞爱护水平的相比照较。 2.2髋部冲击器与样车前端碰撞仿真 为对样车的髋部碰撞爱护性能进展评估,选取机罩前缘上的

8、4个碰撞位置进展仿真计算,各碰撞位置沿车辆Y向的坐标值,其中碰撞位置1位于机罩前缘中心。各碰撞位置对应的样车几何信息和试验参数。各个碰撞位置对应的髋部冲击器输入能量均接近700J,即法规试验要求的上限值。部件连接、布置、总体刚度和本钱等)。 2.3各碰撞位置构造改良的概念设计 在不同的碰撞位置,髋部冲击器所受的冲击反力合力峰值是由不同的构造特征造成,因此改良设计应结合各个碰撞位置的局部构造有针对性地进展。需要指出的是,由于髋部冲击器表层掩盖泡沫软材料的存在,它在与车辆接触时受力曲线会经受一个斜率相对较小的上升过程,该过程无法避开。在改善波形时主要针对泡沫压实和车辆构造开头变形之后的碰撞历程,本

9、文中侧重于髋部冲击器碰撞爱护的概念设计,未纳入对其他因素的综合考虑(如部件连接、布置、总体刚度和本钱等)。 2.3.1中心碰撞区 针对中心碰撞区(位置1,Y+000),通过在中心位置处机罩下方加装变形吸能件,可以利用其在髋部冲击器碰撞过程的变形汲取碰撞能量,改善髋部冲击器波形。设计中板件建模选用弹塑性材料(对应LS-DYNA软件中的24号材料)。第1种设计方案采纳阶梯状变形吸能件;第2种设计方案即在上横梁与机罩之间加装一个梯形薄板件,该构件包括内外两件,其中外件能够使碰撞初期的冲击反力快速上升,以减小对吸能空间的需求,内件则用于保持平台力。计算结果说明,加装变形件有助于冲击波形形成良好的平台,

10、髋部冲击器所需要的变形空间减小了10mm左右。中心位置处机罩下方变形吸能件的设计方案需要说明的是,车型的发动机罩锁件一般也位于中心碰撞区四周。由于锁件的构造刚度通常较大,往往会对髋部冲击器碰撞产生不利影响。本文中使用的样车有限元模型为发动机罩锁件预留出相应空间,但模型中并未考虑发动机罩锁件。在将此类方案应用于实车构造改良时,须结合实际锁件位置考虑其布置状况,进一步优化构件的材料和几何等参数,以得到良好的碰撞结果。 2.3.2车灯尖角处 车灯尖角处(Y-356)的碰撞位置3下方变形空间较小,散热器上横梁支撑在车灯上方,髋部冲击器在碰撞过程中带动机罩等部件与其产生碰撞时,仍旧具有较高的剩余速度,从

11、而产生了较高的受力峰值。由于车灯的存在使散热器上横梁难以向后下方移动,因此可将局部的散热器上横梁材料减弱,以降低构件的局部刚度。计算结果说明,冲击反力峰值降低了近2kN,髋部冲击器的反弹时刻推迟约7ms,最大位移增大了约10mm。 2.3.3靠近机罩前缘边缘的车灯中心处 靠近机罩前缘边缘的碰撞位置4(Y-500)位于车灯中心,此处车灯灯罩材料刚度较大;部件布置紧凑,局部可变形空间小。髋部冲击器与之碰撞时有效位移较小,冲击反力的峰值较高。为降低构造的等效刚度,可以将灯罩所用材料聚丙烯的强度减弱。仿真结果说明,当其弹性模量由2.28GPa降为0.6GPa时,冲击反力峰值能够降低1kN左右,与此同时

12、,髋部冲击器的最大位移增大了约10mm。 2.4综合改良模型的碰撞计算结果 综合前3小节对车身模型的改良,即在中心碰撞区域加装碰撞吸能件,将两侧的散热器上横梁改为塑料件,并为车灯选用弹性模量较软的材料,得到的模型记为模型B。样车模型A与改良设计后的样车模型B计算结果比照。可以看出,碰撞位置1处,模型B在保证冲击反力不超过髋部冲击器损伤耐受限度的状况下,冲击器位移明显减小,即所需要的变形吸能空间减小,从而为车型部件布置供应了更大的自由度;碰撞位置3和4处,髋部冲击器所受合力峰值明显降低。因此,各个位置的碰撞结果均有显著改善。在EuroNCAP对行人髋部碰撞爱护性能的评分方法中,对髋部冲击器的损伤

13、参数(冲击反力合力峰值和弯矩峰值)分别规定两个极值,其中高要求极值对应总分值,低要求极值对应零分,处于两个极值之间的试验结果采纳线性插值的方式计算相应得分。每次试验须分别计算合力或弯矩得分,取二者的较小值作为该碰撞位置的得分。EuroNCAP试验方法中将车辆机罩前缘划分为(1)、(2)、(3)3个区域,每个区域又包括a或b2个子区。假如汽车厂商赞助EuroNCAP加试,每个区域内最多可进展两次髋部冲击器试验,并取二者的均值作为该区域的得分,最终仍将3个区域的分值累加;若汽车厂商不赞助EuroNCAP加试,每个区域内只进展一次髋部冲击器碰撞试验,按试验结果计算该区域得分,最终对3个区域的分值进展

14、累加,得到髋部冲击器试验总分。仿真计算中采纳的4个碰撞位置相对于EuroNCAP指定试验区域的分布状况。本文中以髋部冲击器的冲击反力合力为主要讨论对象,因此EuroNCAP得分的计算以合力峰值为依据,未考虑其弯矩状况。假设区域(1)和区域(3)对称,则在厂商赞助EuroNCAP加试碰撞位置的前提下(即每个区域在a、b两个子区内均进展髋部冲击器碰撞试验),模型A和模型B的得分分别为1.4和3.6。可以看出,通过增设可变形吸能构造和削减局部构造刚度等措施,该车型的碰撞结果得到明显改善。 3结论 髋部冲击器碰撞试验中的输入能量由车辆前端几何参数打算,并对损伤指标具有显著影响。合理的造型设计可有效降低

15、碰撞能量输入,有利于车辆对行人髋部的碰撞爱护。尽管实际上髋部冲击器与机罩前缘的碰撞波形难以到达抱负方波,但分析说明碰撞输入能量与机罩下方最小吸能空间的需求仍是一一对应的。当汽车前端造型固定,即碰撞输入能量确定后,就须通过机罩内部部件的合理设计与布置来改善髋部冲击器的碰撞波形,降低损伤指标的峰值,使之接近抱负方波,以充分利用吸能空间,提高车辆的行人爱护性能。分析汽车前端造型因素与髋部冲击器碰撞参数输入之间的关系,提出了基于碰撞能量约束的车辆前端外轮廓设计方法,并基于某实车建立起髋部冲击器与车辆前端碰撞模型,对其行人髋部碰撞性能进展了分析评估。在输入能量不变的状况下,针对行人髋部爱护进展了局部构造的改良设计。仿真计算结果初步说明,所提出的若干构造改良设计对提高髋部碰撞爱护性能是有效的。本文中仅以髋部冲击器反力峰值的计算结果进展车型改良前后髋部碰撞爱护水平的相比照较,且只针对髋部碰撞爱护的要求。在下一步的讨论中,须进一步考虑髋部冲击器的最大弯矩状况;并顾及其他设计要求,如保险杠系统须满意低速碰撞要求,机罩的改良设计应保证发动机散热、降低车身噪声和振动性能等。 :聂冰冰夏勇黄俊周青刘奇杜汉斌单位:清华大学汽车安全与节能国家重点试验室上海汽车集团股份有限公司技术中心

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