基于预变形控制理论的汽车前纵梁仿真设计

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第２卷第４期嬲年１２月长沙理工大学学报（自然科学版）

Ｊ伽粕ａｌｏｆＶ０１．２Ｎｏ．４ｃｈｎｇ曲ｎｕｎｉ甲ｅ同ｔｙ０ｆｓｃｉｅ眦ｅ蛐ｄＴ盹ｈ珈ｌｏ甜（ＮａｈⅡ啊ｓｃｉｅ琳ｅ）Ｄ髓．２００５

文章编号：１６７２—９３３１（２００５）０４一００３４一０５

基于预变形控制理论的汽车前纵梁仿真设计

周宇，雷正保，杨兆

（长沙理工大学汽车与机械工程学院，湖南长沙４１００７６）

摘要：研究了汽车普通前纵直粱的变形方式和吸能特点，针对其在碰撞过程中加速度曲线的不足，依据预

变形理论，对薄壁直粱进行了改进，并通过有限元软件验证了改进方案的合理性，该方案有利于乘员保护．

关键词：前纵梁；吸能；预变形

中围分类号：ｕ４６３．３２＋６文献标识码：Ａ

正面碰撞问题一直是汽车被动安全性研究的重点和热点．当汽车发生正面碰撞时，主要由汽车车身前部的“压溃区”的塑性变形来吸收碰撞时的动能，其中主要是端部底架结构的大变形来缓和冲击和吸收冲击动能．对轿车和轻型客车而言，薄壁结构是汽车设计制造中最常见的结构形式．汽车碰撞的过程本质上就是薄壁结构的大变形过程，端部底架结构上的前纵梁是主要的吸能构件．研究结果表明…，在汽车前部纵向碰撞事故中，７０％以上的汽车冲击动能必须由纵梁承受才能保证乘坐室的完整性与小变形性．因此，纵梁的吸能能力极为关键．而前纵梁前端的薄壁梁结构的吸能特性和变形模式，决定着车身在撞击时的加速度或力的响应，对乘员保护来说有着非常重要的作用．

对保护乘员而言，为了防止车身部件侵入驾驶室而对乘员造成伤害，驾驶室要保证足够的刚度和强度，在此前提下才可以谈前部纵梁的吸能设计．理想的纵梁设计应该充分利用许可变形，配合端部底架结构上的其他部件，吸收汽车碰撞中的绝大部分动能，并使车身产生对人体伤害最小的碰撞力波形．汽车前纵粱的结构和失效状态与薄壁直梁件极其相似，可选用能代表前纵梁的薄壁直梁件来研究材料特性和结构变形之间的关系，其结果可用于纵梁的安全设计．薄壁方形吸能梁结构简单，吸能能力强，是汽车纵梁的一种最主要的形式．因此，薄壁方形吸能梁的大变形力学特性在汽车纵梁设计中具有重要的意义．１预变形控制理论的基本思想

汽车纵向方形吸能梁的大变形力学特性如图１所

示．它的力一变形特性曲线不平稳，不能满足碰撞控制结

构的有关要求，因此不能直接作为碰撞控制结构使用．但

从总体上来看，图ｌ的力一变形特性曲线除了在变形的

初始阶段存在一个结构变形范围很小而力的幅度波动较

大的区域外，其余阶段还是比较平稳的．因此，只要能够

将变形初始阶段的那一个力的幅度波动较大的部分切除墨＼Ｒ羁馘１０２０加６０８０１００

变形量／一

图１方形吸能粱的大变形力学特性掉，则作为汽车纵向碰撞控制结构使用是完全可能的．

收捕日期：２００５一们一０４

基金项目：湖南省教育厅科研资助项目（０３ｃ叩０）

作者简介：周宇（１９８０一），男，湖南长沙人，长沙理工大学硕士研究生，主要从事汽车安全方面的研究

第２卷第４期周宇，等：基于顸变形控制理论的汽车前纵梁仿真设计３５实际上人们很早就认识到了这一点，并根据相关的知识提出了一些改进的方法，企图消除结构力一变形特性曲线中力的幅度波动较大的那部分曲线，达到使结构的整个力一变形特性曲线平稳的目的．其中，以德国学者霍尔斯特皮佩特等人的构想最具有代表性．在霍尔斯特皮佩特等人的构想中“１，实现结构力一变形特性曲线平稳的办法被归结为两大类，其中一类是采用图２（ａ）所示的弯曲形曲式纵梁，通过在纵梁合适位置设置一个弯曲区域，使得纵梁在汽车纵向碰撞过程中发生弯曲变形来吸能；另一类是采用图２（ｂ）所示的横截面削弱式纵梁，将纵梁上合适位置处的横截面削弱，使得纵梁在纵向碰撞过程的初期首先在预定的位置发生变形，且由于变形部分的截面已经被削弱，发生变形所需的力也相应减少，从而使结构的力一变形特性曲线平稳且变形能够被控制．

（ａ）弯曲式纵梁（ｂ）削弱式纵粱

圈２能局部弯折的纵栗姑构形式

由于汽车薄壁直梁的安装位置所限，它的结构形状的改变涉及到其他部件的安放和载重的变化，故图２（ａ）的设计构想不适合于汽车前纵梁的设计，所以考虑用图２（ｂ）的削弱式纵梁来进行优化设计．

当削弱式纵梁受到冲击时，在碰撞的一瞬间，不会像普通的薄壁直梁一样产生那么大的反冲击力．相反，由于有被削弱的地方，该处的刚度应该要稍小于其他处，于是最早变形就在此处产生，即较早地消除了图１中比较陡的开始部分，提前进入稳定的“压溃”阶段．这就是预变形控制的理论基础．

２普通薄壁直梁的仿真模拟

对于汽车的碰撞研究，大多采用试验和数值模

拟相结合的手段，薄壁梁的研究也不例外Ｌ３Ｊ．但建

立整车正碰模型需要耗费大量的人力和时间，所以

本研究直接对汽车前纵梁的变形方式和吸能特点

进行研究．薄壁梁的仿真建模一般都是采用有限元

法，目前国内在这方面广泛采用的有限元软件是表１Ｐｌａ击ｃⅪｎｅ哪ｄｅｍ材料模型参数项目弹性模量Ｅ／ＧＰ密度／（ｋｇｍｑ）泊橙比

屈服应力＾／ＧＰ

切向模量五／ＧＰ数值２００７８６５０２７璩ｄｙｎａ３Ｄ，Ｐ蹰Ｉ—ｃｍ吕ｌｌ和Ｍｓｃ．Ｄｙｔｒａｎ等．本研究利用美国Ｍｓｃ公司的ｖＰＧ软件进行仿

真模拟试验，使用ｖＰＧ软件做前后处理，使用Ｉｓ－

ｄｙＩＩａ软件做计算．模拟中将钢板定义为Ｐｌａｓｄｃ硒ｎｅ－０．３１０．７６３失效时的等效塑性应变ｃ／（８“）

Ｐ０．７５４０ｍｄｃａｌＭ０ｄｅｌ（塑性随动弹塑性材料模型），具体参５

数见表１．

拟纵粱的长度为Ｏ．３５ｍ，截面宽为０．１ｍ，高为ｏ．０６８ｍ，厚度为０．００１２ｍ，网格划分为Ｏ．００５ｍ．整个薄壁直梁建模、划分网格后的状况如图３所示．

设某轿车以５０ｋｍ／ｈ的时速发生正碰时的总动能为１００ｋＪ．前纵梁作为主要的吸能部件，应该能吸收５０％左右的能量。而单根前纵梁应该能吸收２５％左右的能量．这样在设定撞击物时，根据动能公式：

３６长沙理工大学学报（自然科学版）２００５年１２月

Ｅ＝吉一２

算出撞击物的质量为２５５．１０ｋｇ．又根据公式：

ｍ＝。Ｐ

设定一个长宽高均为Ｏ．３２ｍ的密度为７．８６ｋ∥ｍ３的刚性

方快．模拟中薄壁直梁一端固定，方块沿轴向从另一端以

１４ｍ／ｓ的初始速度进行压缩，得到了如图４所示的在碰

撞过程中的变形图，其碰撞薄壁直梁加速度变化曲线如

图５所示．田３刘完网格詹的薄壁直粱示意图

（ａ）ｆ－５ｍ（ｂ）＃１０珊（ｃ）Ｉ＝１５岫（ｄ）Ｉ＝２０嬲

图４薄壁直粱在碰撞过程中的变形图

由图４和图５可以看到，在压缩终了时，加速

度急剧上升．这是由于薄壁梁此时已经完全被压

缩，不能再吸能所造成的．在纵梁设计中应该尽量

避免这种情况的发生．即当薄壁粱被压缩到０．２５ｍ一冀％２加

时，薄壁梁出现的第一个加速度峰值就是本研究要

讨论和处理的问题．辩景嚣

时间／脚３改进形薄壁直梁的仿真模拟

围５薄壁直粱加速度变化毋

预变形控制理论是用诱导机构来实现的．诱导机构可以诱导薄壁梁折叠变形，有效降低峰值．诱导机构有很多种，仿真试验中发现，在满足一定尺寸和位置的前提下，棱上开孔和开诱导槽都可以有效地起到诱导变形和降低峰值的作用，而面内开孔的诱导作用不是很明显＿４Ｊ．本研究选用了诱导性较强的开槽方案，诱导槽的形状、位置和尺寸都会对薄壁梁的前、后压塌顺序和吸能情况产生影响．通过比较不同位置开槽尺寸，最后选择了两类方案：第一类是在前端开ｕ形槽；第二类是在前端和后端分别开２个ｕ形槽．两个方案的ｕ形槽的尺寸都是一样的，宽和深均为ｌｍｍ．由于开诱导槽的位置对于吸能的效果和加速度

ｍｍ）和双端距离端面开诱导槽的峰值较大，因此分别取单端距离端面开诱导槽（２０—一，４０

（２０ｍｍ，４０ｍｍ，６０ｍｍ，６０ｍｍ）等６种方案进行分析（见表２）．改进后的薄壁直梁和原来的薄壁直粱的材料和网格划分一致（如图６和图７所示）．

圈６单端开谤导槽的薄壁直粟示意图

图７双端对称开诱导槽的薄壁直粱示意图

第２卷第４期周字，等：基于预变形控制理论的汽车前纵粱仿真设计３７从表２可以看出，６种方案对于吸能而言并没

有太大的区别．但是，不管是单端开诱导槽还是双

端开诱导槽，距离端面４０ｍｍ处相对于距离端面

２０表２不同距离开请导槽的６种方案吸能誊敷对比ｗｎ和印ｍｍ的方案，对于降低平均加速度，特

别是降低加速度第一峰值都有非常明显的优势．

而双端开诱导槽距离端面４０ｍｍ的方案，即方案５

比单端开诱导槽距离端面４０—ｎ的方案６又要好

得多．因此，开诱导槽确实能够降低碰撞过程中加

速度第一峰值，同时又能改善平均加速度．而双端

开诱导槽能够更好地发挥诱导槽的作用，效果比

单端开诱导槽要好得多．

按照本研究前面设计的普通薄壁直梁的碰撞试验方案，对距离端面４０Ｈｕｎ单端和双端开诱导槽的方案进行试验，得到的变形图分别如图８和图９所示．

（ａ）ｌ＝５砌（ｂ）拉１０ｍ日（ｃ）ｌ＝１５ｍ５（ｄ）ｌ＝２０ｍ８

图８单端开诱导槽的薄壁直粱在碰撞过程中的变形围

（ａ）Ｉ＝５ｍ自（ｂ）扛ｌＯｍｓ（ｃ）仁１５ｌＩ】ｓ（ｄ）Ｉ＝２０砌

圈９双端对称开诱导槽的薄壁直梁在碰撞过程中的变形囤

由图８和图９可以看出，不管是单端开诱导槽的薄壁直梁，还是双端对称开诱导槽的薄壁直梁，诱导机构在控制薄壁直梁的碰撞变形中都起到了非常明显的作用，变形都是在被削弱的部分开始的，改进薄壁直梁后，汽车的加速度变化情况如图ｌＯ所示．在图１０中，ｌ表示单端开诱导槽的加速度变化，曲线２表示双端对称开诱导槽的加速度变化．从图１０可以

看到，诱导槽确实成功地避免了初始阶段的加速度

剧烈的变化．这是由于当碰撞刚刚发生时，改进后

的直梁有可以首先发生变形的部位，而不象改进前

那样做一个整体变形．而在图１０中，曲线１比曲线

２抖动大，说明在碰撞过程中双端对称开诱导槽的

薄壁直梁吸能过程比较平缓．作为汽车构件，显然

比较符合人机工程学的要求口，６Ｊ．但是，若开过多的

诱导槽会降低总的吸能数和吸能质量比．因此，开

两个对称设置的诱导槽是合理的．一０自

一＼趟制景时ｍ旷嘲围１０改进直粱后汽车的加速度变化图

３８长沙理工大学学报（自燕科学版）２００５年１２月４结论

本研究是基于预变形控制理论的薄壁直梁优化设计．事实上，预变形结构在工程实际中使用非常广泛，列车车轮采用的所谓磨耗型踏面就是一个典型的应用．在早期的设计中，车轮踏面是纯锥形的，并未考虑到车轮踏面和钢轨问的磨耗，影响了车辆沿直线运行时的蛇行运动稳定性．实际上，由于纯锥形车轮踏面和钢轨顶部的接触面很小，接触应力很高，在车轮运用的初期，局部位置磨耗很快，踏面不久即呈现凹陷．但当磨耗范围逐渐遍及整个踏面并与钢轨顶部的轮廓外形相吻合后，接触应力就显著减少，表面又经过“冷硬”处理，以后磨耗减慢，踏面外形也相对稳定．为此，人们提出并采用了与车轮磨耗后的踏面形状一样的所谓磨耗形踏面，这样不仅可以减缓磨耗，延长使用寿命，提高车辆的蛇行运动稳定性，还能改善通过曲线时的引导作用，大大改进了车辆的行驶性能．

由此可见，本研究提出的预变形控制结构设计思想与列车车轮磨耗形踏面设计思想在本质上是一致的，理应具有良好的实际工作性能．本研究根据乘员安全保护的需要，就汽车前纵梁在碰撞中的变形情况做了比较深入的研究，并针对其不足之处提出了一点改进的措施．汽车前纵梁的优化涉及到吸能等其他方面，而本研究主要是从改进薄壁直梁后汽车加速度曲线上着手，如需要考虑其吸能量和吸能比，则必须结合壁厚、加强板等因素进行综合考虑，而这些因素对于本研究提出的改进薄壁直梁后汽车加速度畸线没有太大的影响，故没有深入讨论．

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ＳｉｌＩｌｌｌＩａｔｉｖｅＤｅｓｉ印ｏｆＡｕｔｏｍｏｂｎｅ’ｓＦｒ蛐ｔＲａｉｌｓ

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基于预变形控制理论的汽车前纵梁仿真设计

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被引用次数：周宇，雷正保，杨兆， ZHOU Yu， LEI Zheng-bao， YANG Zhao长沙理工大学,汽车与机械工程学院,湖南,长沙,410076长沙理工大学学报（自然科学版）JOURNAL OF CHANGSHA UNIVERSITY OF SCIENCE AND TECHNOLOGY(NATURAL SCIENCE)2005,2(4)1次

参考文献(6条)

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