商用車吸能型前下部設計

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在轎車與重型商用車迎面碰撞過程中，由于兩者高度的明顯差異，轎車極易鉆入商用車底部，給轎車乘員造成致命傷害。因此重型商用車必須裝備前防護裝置。歐洲現行法規ECER93…和我國正準備實施的《商用車前下部防護要求》強制性標準(主要借鑒ECER93法規)規定了前防護裝置剛度的下限，但是如果前防護裝置設計過于剛硬，那么前防護裝置在碰撞過程中將起不到緩沖吸能的作用，即前防護裝置碰撞相容性不好，轎車仍將處于劣勢。文獻[2]中研究的前防護裝置主要通過盒形梁的折疊壓縮吸收碰撞能量，滿足了ECER93法規的要求。文獻[3]中將低保險杠作為商用車前下防護裝置，大大改善了商用車和轎車碰撞相容性。文獻[4]中通過多剛體軟件MADYMO建立了商用車前防護裝置與轎車迎面碰撞仿真模型，對設計的吸能型前防護結構進行了分析。本文中對某商用車原有前下部防護裝置進行ECER93法規的驗證，找出不足之處，據此設計了一種新型商用車前防護裝置。該防護裝置不僅具有碰撞阻擋功能，也能起到緩沖吸能的效果。

1某商用車前下部防護裝置性能分析

1．1原車前防護裝置的法規驗證

某商用車前防護裝置的三維模型如圖1所示。該前防護裝置主要包括：橫梁和支架兩部分。支架上端通過螺栓與貨車縱梁相連，支架下端通過焊接的方式與橫梁相連?？紤]到減輕支架質量，在支架上開了孔洞。圖1原車前防護裝置的3D模型為考核該防護裝置的防護功能，按ECER93對其進行法規驗證。ECER93法規對防護裝置剛度的要求具體體現在加載點的變形上。它規定，在3個點(P1、P2及P3點)上施加規定的靜載荷，在各施力點處測得的變形所引起的水平位移~<400mm。圖2給出了在規定靜載荷作用下測得的前防護裝置變形圖。表1列出了P1、P2及P3加載點處的最大水平位移。從表1可以看出，Pl、P2和P3加載點處的水平位移均大于400mm，不符合法規要求，表明其前端防護剛度不足。

1．2轎車與原車前防護裝置碰撞仿真分析

建立轎車前端與商用車前防護裝置碰撞仿真模型，轎車以56km／h的速度撞擊固定的原車前防護裝置。圖3給出了120ms時的碰撞仿真結果，整個碰撞過程中，前防護裝置吸收能量25．9kJ，由圖中可以看出，原防護裝置未起到阻擋作用，轎車直接鉆入商用車底部，并且商用車車架侵人轎車前風窗玻璃。

2吸能型前下部防護裝置結構設計

2．1支架結構設計

考慮到原防護裝置支架剛度不足，本文中采用拓撲優化方法設計防護支架結構。拓撲優化的最大優點是能在結構拓撲形狀未定的情況下，根據已知邊界條件和載荷條件確定比較合理的結構形式，可用于全新產品的概念設計。對于連續結構拓撲優化，常用的方法有：均勻法、變密度法和漸進結構優化法等。本文中采用變密度法對前端防護支架進行拓撲優化，其基本思想是引入一種假想的在[0，1]之問的密度可變材料，將連續結構體進行有限元離散，每個單元的密度作為設計變量，將結構的拓撲優化問題轉化為單元材料的最優分布問題。

2．1．1拓撲優化有限元模型的建立建立高400mm、寬400mm、厚60ram的有限元模型作為支架，如圖4所示，采用六面體實體單元劃分，單元邊長為10mm。材料彈性模量為2．1×10MPa，泊松比為0．3，密度為7．8×10kg／1TI。支架上端固定，右下端施加一均布力。設置拓撲優化的設計目標是支架的應變能最小(剛度最大)，約束條件是優化后支架的體積分數小于0．5，設計變量是單元密度。

2．1．2拓撲優化結構設計目標函數經過21次迭代后收斂，圖5給出了優化結果的密度云圖，圖6給出了相對密度為0．3以上的密度結果等值面圖。布，據此可以重新設計支架的結構，如圖7所示的“倒2A”字型支架。支架由3根空心型鋼構成，1和2的截面為60mm×60ram，3的截面為60ram×40ram，考慮到需要對厚度進行參數優化，厚度設稍大一一圖7拓撲優化后的支架結構些，初始值均為7mm，材料屈服極限為189MPa。

2．1．3支架結構的參數優化將3根鋼管的厚度作為設計變量，在支架1的下端施加與法規規定的1''''2點加載力相等的水平力160kN，考慮到在低速碰撞工況下，由支架前端的吸能器先發生壓潰變形吸收能量，支架幾乎不發生變形，本文中設置支架1下端水平位移小于1mm。設計目標為模型質量最小，目標函數經過6次迭代收斂。圖8給出了3個厚度變量的迭代歷史。優化后支架1、2、3的厚度分別為4、5和0．4mm。圖9給出了支架質量的迭代歷史，優化前支架質量為12．1lkg，優化后為6．87kg，質量減輕了43．27％。

2．2吸能器結構設計

為了使設計的防護裝置在與轎車迎面碰撞中更多地吸收能量，在支架前端設計了薄壁吸能部件，見圖1O。根據吸能器吸收能量與壓潰反力，本文中將吸能器長度設定為192mm，變形引導槽深度為3mm，截面大小設計為85mm×85mm。考慮到吸能器處于懸臂狀態，在吸能器與支架之間設計了。

3吸能型前下部防護裝置ECER93法規驗證

按照ECER93法規要求對新設計的防護裝置進行了驗證，P1、P2和P3施力點水平位移結果如表2所示。其中防護裝置下邊緣離地高度為390mm。從表2可以看出，各施力點處的水平最大位移均小于400ram，滿足ECER93法規要求。同時，兩P1點之間防護的下邊緣離地高度也小于450ram。因此該防護裝置滿足ECER93法規要求。

4、吸能型前下部防護裝置與轎車碰撞仿真結果分析

為了進一步考察該防護裝置阻擋與緩沖吸能功能，將其與轎車進行了正面碰撞試驗仿真。除了考慮轎車分別以56和65km／h的速度撞擊固定的前防護裝置兩種碰撞工況外，還進行轎車90km／h極限速度下與前防護裝置的碰撞仿真模擬，以考察該前防護裝置在極限速度下提高乘員生存率的能力。

4．1吸能式前下部防護裝置阻擋功能

在90km／h碰撞速度下，轎車達到最大鉆入量時的碰撞結果如圖12所示，由于支架變形較大，轎車的鉆人量為640ram，可以看到轎車前風窗玻璃離商用車車架還有一段距離，另外車體B柱下部減速度為38．5g(見圖13)，轎車前圍板最大侵人量為278mm，這些都表明該吸能型前防護裝置在90km／h極限碰撞速度下可以較好地提高乘員生存率。圖1390km／h碰撞速度時轎車車體B柱下部減速度

4．2吸能式前下部防護裝置緩沖吸能功能

碰撞速度為56和65km／h時，測得車體B柱下部減速度如圖14所示。餐時間／s圖14兩種碰撞速度時轎車車體B柱下部減速度從圖14中可看出，在56和65km／h實車正面碰撞時，車體B柱下部減速度都不大，小于30g，表明所設計的前下部防護裝置具有較好的緩沖吸能功能，可減輕對碰撞車輛車內乘員的傷害。5結論按現行法規ECER93和我國準備實施的《商用車前下部防護要求》強制性標準，對前防護板式支架結構進行了重新設計，設計實現了“倒A”字型支架，并在支架前端加入碰撞緩沖部件盒形梁，通過褶皺壓縮變形消耗碰撞能量。相比拓撲優化與參數優化前，該吸能型前下部防護裝置減輕了質量。設計的防護裝置滿足法規ECER93要求，并且表現出良好的碰撞相容性。下一步將著重考慮商用車防護下部離地高度，以及轎車的車頭形狀等因素對防護裝置的阻擋與吸能效果的影響，提高所設計防護裝置的實際應用價值。