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兼顾行人保护与低速碰撞的前保险杠吸能器设计*

2016048

兼顾行人保护与低速碰撞的前保险杠吸能器设计*

肖 志,余传辉,莫富灏,杜 敏,李 凡

(湖南大学,汽车车身先进设计制造国家重点实验室,长沙 410082)

[摘要] 轿车前保险杠系统的设计需要同时满足行人碰撞与低速碰撞的要求。现代轿车设计中,通常通过在保险杠蒙皮和横梁之间增加吸能结构以满足此类要求。本文中首先提出了一种模块化的自适应轿车前保险杠X形吸能器,它可根据碰撞能量的大小,通过改变自身变形特征,分阶段地提升吸能能力。接着以某车型为基础设计了该吸能器,并基于GB/T 24550—2009行人保护法规和CMVSS215低速碰撞法规要求,利用有限元分析评估了其耐撞性能,并与常用泡沫吸能器进行了对比。结果表明:不同于传统泡沫吸能结构,该吸能器在行人碰撞和低速碰撞时会产生不同的变形模式,可以更好地兼顾两种不同要求。

关键词:保险杠;吸能器;行人保护;低速碰撞

前言

轿车前保险杠系统是轿车设计的重要部件,需要同时满足行人保护和低速碰撞法规的要求。通常前保险杠系统会在保险杠横梁与蒙皮之间加装吸能结构,以满足法规要求。然而行人保护与低速碰撞对保险杠系统的设计要求有一定的矛盾,现有技术中的轿车保险杠结构和材料并未区分行人保护与低速碰撞的不同。以普通轿车所采用的泡沫型保险杠吸能器为例,满足低速或较高速碰撞要求的吸能器泡沫材料刚度较大,与行人腿部碰撞时易造成行人腿部严重损伤,而满足行人腿部保护要求的泡沫由于刚度较小,则不能满足低速碰撞的要求。且该泡沫吸能器是由发泡聚丙烯(EPP)泡沫或热塑性聚合物制成的一体化吸能结构。EPP泡沫小珠的制造工艺复杂,生产耗费时间较长[1]。而且由于EPP泡沫组成的吸能器在不同温度下的吸能效果不同,即在低温时过硬,而在高温时又过软。并且一体化的设计使其在发生一次碰撞损坏后即要全部更换,造成浪费。因此本文中选用性能更稳定的材料来设计一种模块化的保险杠吸能器。

目前已经开展了很多综合考虑行人保护和低速碰撞的研究,文献[2]中在低速碰撞性能较好的情况下分析了行人保护性能的不足,并设计了一种铝合金保险杠横梁,改进后的保险杠系统虽然行人保护的性能有所提升,但低速碰撞性能并未有较大的改进;文献[3]中对现有轿车保险杠系统的7个结构尺寸参数进行了多目标优化,最终得到的结果使两种碰撞性能均得到提升,但因仅对原有保险杠系统进行初步优化,且未加装吸能器,效果不显著,不易于推广到其它车型。以上研究主要基于对现有保险杠系统的结构参数进行优化,而对新结构、新材料应用的研究较少,通过对保险杠吸能器的设计以兼顾行人保护与低速碰撞的研究则更少。

至于新型保险杠吸能器的研究,文献[4]和文献[5]中应用工程塑料设计的保险杠吸能器,均采用包裹式的片状结构,主要利用突出结构的上下表面进行吸能。此类吸能器结构过于复杂,制造难度较大,且仍采用一体化的结构;同时其结构设计并未区分不同的碰撞形式,仅考虑了行人保护的要求。因此,需要设计一种保险杠吸能器,能根据吸收能量的不同,自适应地采取不同的变形模式,以分别满足行人保护与低速碰撞的要求。

图1 吸能器位置截面示意图

本文中提出一种新型保险杠吸能器,它安装于汽车蒙皮与保险杠横梁之间,如图1所示。在不改变轿车保险杠系统原有结构的情况下仅对保险杠吸能器进行研究。该轿车保险杠吸能器由若干个相同的吸能单元拼装而成,压缩吸能时可产生两种不同的吸能模式,分别对应不同的碰撞形式。同时选用性能稳定的Xenoy合金材料,并采用模块化的设计,便于更换,减少浪费,维修方便。

此外,采用某国产车型的有限元模型(图2),对保险杠吸能器进行分析,并与传统泡沫型吸能器进行对比,结果表明行人保护与低速碰撞保护性能在满足各自法规的同时均有较大幅度的提高。

图2 整车有限元模型

1 轿车保险杠吸能器的设计

1.1 单个吸能单元的设计

基于吸能器模块化的设计思想和参考文献[6]中对吸能器概念性设计所采用的模块化思路,提出了一种单元拼装形式的模块化吸能器。基于单个单元包含不同吸能模式的设计设想,对比3种不同形状吸能单元的吸能特点,最终提出一种X形吸能单元,如图3所示。

图3 单个吸能单元

由图1选定车型前保险杠结构尺寸参数,选定该吸能单元长度l=80mm,宽度w=40mm,高度根据保险杠横梁高度确定为h=56mm,左右两侧边弧半径R=180mm,上下两卡接弧半径r=10mm。将该吸能单元进行网格划分,网格大小取2mm,厚度t取2.5mm。材料采用Xenoy合金,材料参数如表1所示。

表1 Xenoy合金材料参数

密度/(kg·m-3)弹性模量/MPa泊松比屈服强度/MPa12001999.480.373.8

对单个吸能单元以相当于超低车速4km/h的速率沿长度l的方向进行压缩仿真,测试其吸能和受力与变形情况。变形吸能曲线如图4所示,接触力曲线如图5所示。

图4 变形吸能曲线

图5 接触力-位移曲线

由图4可看出,X形吸能单元的吸能曲线呈现一定的特点:0~12mm段,单元开始压缩变形,首先达到材料的弹性极限;12~40mm段,继续压缩,吸能单元两侧边弧接触并开始形成铰接,吸能量进一步增大;40mm后,进一步压缩,吸能单元相互扭结在一起,形成自锁并以自锁的形式继续压缩,使吸能量达到最大。

由图5可看出,X形吸能单元的力-位移曲线呈现一定的特点:即其在较小变形时产生的接触力较小,对应于图4中0~12mm的阶段,适用于行人保护;在较大变形时,由于其压缩变形形成了自锁结构,从而变形产生的接触力较大,对应于图4中12~40mm和40mm以后的阶段,适用于低速或较高速度碰撞中大变形时的吸能。

1.2 轿车保险杠吸能器总体设计

基于选定车型轿车前保险杠系统结构,以第1.1节中所设计的单个吸能单元为基础,提出了一种兼顾行人保护与低速碰撞的新型保险杠吸能器(图6)。该结构由若干个保险杠吸能单元和前后两根卡口加强梁组成。其中,加强梁与吸能单元采用卡口连接,两者通过弧形卡接结构相互耦合。加强梁的材料同样采用Xenoy合金,厚度取2.0mm。吸能单元的个数由行人碰撞中吸能总量825J以及单个单元的吸能情况初步确定为15个。

图6 新型轿车保险杠吸能器

2 整车有限元模型有效性验证

为确保有限元仿真的真实性,根据加速度-时间曲线对所用的整车有限元模型进行有效性验证。整车模型正撞变形后如图7所示,B柱下端加速度-时间曲线如图8所示。

图7 整车正面碰撞变形

图8 左右两侧B柱下端加速度-时间曲线对比

由图7可看出,整车有限元仿真模型的变形与试验变形非常相似。由图8可看出,仿真模型的加速度曲线与实车试验曲线具有相似的时间历程、峰值和趋势,左右两侧B柱下端加速度峰值的误差均在10%以内,因此认为仿真模型是有效的[7]。

3 车辆行人保护性能分析

3.1 行人碰撞有限元模型的建立

发生行人碰撞时,行人腿部一般只会与车辆前部发生接触。因此,本文中仅从整车碰撞有限元模型中截取A柱之前的主要单元简化计算。模型约束A柱末端、门槛梁上和纵梁后端的6个自由度,如图9所示。

图9 行人下肢碰撞有限元模型

将所设计的吸能器几何模型用Hypermesh软件进行网格划分,建立有限元模型,并固定安装于保险杠横梁与蒙皮之间。同时根据《GB/T 24550—2009汽车对行人的碰撞保护》中的要求选用按EEVC法规要求建立的腿部冲击器模型,赋予小腿冲击器40km/h的初始速度碰撞保险杠部位,如图9所示。

3.2 仿真结果对比分析

将建立的有限元模型用LS-DYNA软件进行仿真分析,根据EuroNCAP评价体系中关于行人保护的要求(胫骨上端加速度≤150g;膝关节剪切位移≤6mm;膝关节弯曲角度≤15°)进行分析,对比所设计的新型保险杠吸能器与传统泡沫填充式吸能器对行人下肢的保护效果,如图10所示。

图10 两种吸能器的行人保护性能对比

由图10(a)可见,加装新型吸能器的情况下,当小腿冲击器接触到保险杠蒙皮时,胫骨加速度曲线形成了第1个峰值;接着X形吸能单元开始压缩后达到弹性极限,形成了第2个加速度峰值;进一步,突破弹性极限压缩至形成明显X型,形成第3个波峰。可见新型保险杠吸能器利用自身X形吸能单元的结构特点,在较低冲击载荷的行人碰撞试验中自适应地采用了小变形的吸能模式,如图11所示,将冲击载荷均匀地分布到不同的压缩阶段,以多个波峰代替原泡沫型保险杠吸能器中的大波峰,以达到降低损伤的目的。

图11 行人下肢冲击后吸能单元的变形

加装泡沫型吸能器时,小腿冲击器的胫骨加速度峰值很大,高达220g,远远超过150g的法规要求;而加装新型吸能器时,小腿冲击器的胫骨加速度峰值明显减小,低于150g,满足了法规要求;由图10(b)可见,加装新型吸能器时,小腿冲击器的膝关节弯曲角度比加装泡沫型吸能器时明显减小;采用新型吸能器时的膝关节剪切位移也低于泡沫型吸能器。综上所述,新型保险杠吸能器在行人保护方面的性能相比泡沫型吸能器有较大改善,并较好地满足了法规要求。

4 低速碰撞性能分析

4.1 低速碰撞有限元模型的建立

与第3.1节相同,仅取整车有限元模型中A柱之前的主要单元,并进行配重。在众多汽车碰撞试验法规中,选择较为严格的加拿大CMVSS215法规进行试验工况设置和限值选择,建立了轿车低速碰撞简化有限元模型。为简化分析过程,仅考虑对中碰撞的情形,碰撞器的碰撞速度法规要求取为8km/h。其碰撞模型如图12所示。

图12 低速碰撞有限元模型

4.2 仿真结果对比分析

根据所选车型的结构尺寸参数和加拿大CMVSS215法规中关于对中碰撞的要求:要避免碰撞器在碰撞过程中接触到维修成本较高的零件(如发动机罩等),因此,碰撞器侵入量的最大许可位移为165mm;保险杠横梁变形量不能超过它与车身之间间隔所决定的许可位移,因此,确定保险杠横梁变形量的最大许可值为64mm。两种吸能器的计算结果对比如图13所示。

图13 两种吸能器的轿车低速碰撞性能对比

由图13(a)可见:采用新型吸能器时,当碰撞器侵入汽车保险杠系统后,X形吸能单元处于弹性变形阶段,其保险杠变形量增大的速度明显比泡沫型吸能器小;30ms后,X形吸能单元在较大冲击载荷的作用下突破弹性极限,两侧边弧相互接触扭结,快速形成自锁结构,至90ms时达到峰值,此时吸能能力迅速提高;进一步压缩后,吸能量急剧增大,使曲线下降并趋于平稳。新型保险杠吸能器利用自身X形吸能单元的结构特点,在较大冲击载荷的情况下,自适应地采用了大变形的吸能模式,如图14所示,吸收了更多的能量,使保险杠变形量峰值大幅降低。安装传统泡沫型吸能器的保险杠侵入量不能满足法规限值的要求,采用新型保险杠吸能器后保险杠变形量有了较大幅度的降低,满足了法规限值的要求。

图14 低速碰撞中吸能单元的变形

从图13(b)可知,安装传统泡沫型吸能器的碰撞器侵入量已接近于法规限值,安装新型保险杠吸能器后碰撞器侵入量有较大程度的降低,远低于法规限值,可以满足保护维修成本较高的零件的要求。综上所述,新型保险杠吸能器在低速碰撞中各响应参数均有不同程度的降低,可以更好地满足法规限值要求。

5 结论

提出并设计了一种新型保险杠吸能器,采用单元拼装形式的模块化设计,吸能单元采用全新的X形结构,材料选用吸能性能稳定的复合材料Xenoy合金。通过对所设计的新型保险杠吸能器行人保护和低速碰撞性能的仿真分析可知,所提出的新型保险杠吸能器很好地利用了自身X形单元的结构特点,自适应地在不同的碰撞形式下采用了不同的吸能模式,尤其在当X形单元发生扭结后迅速提高了吸能能力,因此其综合性能比传统泡沫型吸能器好,使行人保护和低速碰撞各测试参数均有不同程度的改善,可以很好地满足相关法规的要求。综上所述,新型轿车前保险杠吸能器改善了传统泡沫型保险杠吸能器的碰撞性能,并兼顾行人保护和低速碰撞的要求。

所提出的新型保险杠吸能器采用的结构尺寸仅为初步选定,在后续的研究中将进行相关参数的优化。

参考文献:

[1] 熊丽君,吴璧耀.发泡聚丙烯材料的研究生产现状[J].化工新型材料,2004(2).

[2] 陈杰.综合行人下肢保护和低速碰撞的保险杠性能研究[D].长沙:湖南大学,2012.

[3] MU Wenhao, YANG Jikuang. Optimization Design of Frontal Bumper System for Both Pedestrian Lower Leg Protection and Low Speed Impact Requirement[C]. INFATS Proceedings of the 10th International Forum of Automotive Traffic Safety,2012.

[4] SHULER S F, et al. Bumper System with Energy Absorber: US 7163242 B2[P].2007-01-16.

[5] MOHAPATRAS, et al. Bumper Assembly with Energy Absorber: US 7278667 B2[P].2007-10-09.

[6] DAVOODI M M, SAPUAN S M, YUNUSA R. Conceptual Design of a Polymer Composite Automotive Bumper Energy Absorber[J]. Materials and Design,2008(7):1447-1452.

[7] PANJABI M M, CHOLEWICKI J, et al. Mechanism of Whiplash Injury[J]. Clinical Biomechanism,1998,13(2):239-249.

Design of Energy Absorber for Front Bumper with ConcurrentConsiderations of Pedestrian Protection and Low-Speed Collision

Xiao Zhi, Yu Chuanhui, Mo Fuhao, Du Min & Li Fan

Hunan University, State Key Laboratory of Advanced Design And Manufacturing for Vehicle Body, Changsha 410082

[Abstract] The design of a car front bumper system needs to meet the requirements of both low speed collision and pedestrian impact, and modern car design often meets these requirements by adding energy absorbing structures in between bumper beam and fascia. In this paper, a kind of modular, adaptive and X-shaped energy-absorbing unit for car front bumper is proposed first, which can gradually increase energy absorbing ability by changing its deformation features based on the amount of impact energy. Then an energy-absorbing unit of this type is designed for a car make, and a finite element analysis is conducted to evaluate its crashworthiness performance based on pedestrian protection regulation GB/T 245550-2009 and low-speed impact regulation CMVSS215, with comparison to the foam energy absorber of traditional bumper. The results show that being distinct from traditional foam absorber, the novel energy absorber exhibits different deformation modes in pedestrian impact and low-speed impact respectively, so better concurrently meeting two different requirements.

Keywords:bumper; energy absorber; pedestrian protection; low speed collision

*国家自然科学基金(51475154)、国家青年科学基金(51405150)和湖南大学汽车车身先进设计制造国家重点实验室开放基金(31475006)资助。

原稿收到日期为2014年10月9日,修改稿收到日期为2014年12月25日。

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