前端压缩空间最低要求

案例分析1

（1）设：碰撞安全目标为美国NCAP五星，试验工况为正面刚性碰撞，速度为56km/h，验证前端设计纵向尺寸D1、D2和总压溃量等设计目标。

图3.33　各个NCAP星级的加速度峰值分布

（2）设定碰撞峰值限制。根据附录Ⅰ～Ⅲ的数据统计，各个级别车辆碰撞的加速度峰值分布见图3.33。五星车辆的加速度峰值多分布在30～40g，四星的则大多数高于40g，40g是四星与五星之间加速度峰值的明显分界线。因此，将碰撞加速度的目标定为35g。根据图3.19将ESW定为16g。

（3）按加速度峰值求最小压溃量C和可压缩空间D。将ESW目标16g代入公式（3.9），求得最小压溃距离应为800mm。为保证获得最小的车室塌陷变形量，根据公式（3.9），D=D1+D2应当尽量大，根据图3.24，五星级车辆的前端压溃变形量与D1+D2之间的差值应当小于200mm，因此在整车总布置设计时应当保证D1+D2≥600mm。

（4）根据图3.32的波形效率与G*C的规律，G*C=115，其对应的波形效率在40%以上。在图3.12中，保证力值呈直线上升可获得最大的波形效率，尽量避免朝力—位移三角的方向塌陷，即等刚度设计。保证上升线平直的时候波形效率为50%，要想高于50%，就必须使力—位移曲线呈弓起形态。保证波形效率的方法是从前往后在纵向上尽力消除局部的刚度薄弱环节，图3.12所示的力值曲线只能在3D结构数据完成以后才能用有限元模拟计算进行检查。

由图3.12可以看出，碰撞试验中由测力障碍壁测得的合力和由加速度a与质量m计算出来的a*m是非常接近的，因此可以用加速度峰值和整车质量来估算最大的力值Fmax，在这个力的作用下，刚性车身应不发生向内的塌陷变形。

以上前端结构概念设计工作方法流程如图3.34所示。

图3.34　前端压缩空间设计流程(www.xing528.com)

除了碰撞刚度要求，还要防止车室局部塌陷，主要技术措施是载荷均布设计。载荷均布是指前方传来的碰撞载荷要以树根分支的形式作用在刚性车室上（见图3.35），尽量避免集中在某一个部位，否则会引起这个部位的局部塌陷。保证载荷分支结构的连续性非常重要，中间不能有提前间断。载荷路径分支设计没有一成不变的，总的目标就是将主干载荷最小化地分派到各个分支结构里去。承载力分析只有在结构设计完成以后的有限元碰撞模拟分析阶段才能进行。

图3.35　载荷路径的分支结构

图3.36　封闭框架式前端结构设计方案^[6]

对于集中载荷，如偏置碰撞、柱撞、上骑、下钻等各种工况，应当让尽可能多的部件参与碰撞吸能，并在发生局部碰撞的时候把临近的结构件也都牵连进来。图3.36所示为一种“闭环”设计方案，当左侧发生部分重叠碰撞时，可以通过封闭环结构将撞击能量传递到右侧构架，利用其变形吸收碰撞能量^[6]。

目前还出现了上述三维框架往微观方向发展的趋势。微观桁架结构设计技术是以结构承载性能为输入条件，以优化结构中每一个微小单元的材料属性、结构几何参数及空间布局。它属于载荷针对性设计，是基于拓扑优化思想而进一步开发的，与多材料应用技术融合，配合工艺开发，可为轻量化设计提供创新性的解决方案。与常规设计技术不同的是，功能导向的微观结构设计技术同步实施结构优化与材料应用，通过定义不同承载功能区来有针对性地进行仿真分析。

3D桁架结构具有承载性能好、质量轻、布置灵活等优点，已成为微观桁架结构设计的基本单元。在碰撞过程中，传统的车身吸能部件通过轴向压溃塑性变形来耗散碰撞能量。对于微观桁架结构，在垂向冲击载荷作用下，桁架单元可以将沿车体纵向（x轴方向）的压力转化成横向的横杆拉力，以维持横向整体的稳定性，并实现横向载荷的传递。这种承载功能的划分不仅可以掌握单元的承载贡献度，而且有利于根据载荷变化对各个梁的几何尺寸及空间布局进行调整和优化^[13]。因此，微观桁架很适合应用于偏置碰撞、斜角碰撞、柱撞等非对称性载荷的碰撞工况。

当结构件的某一点承受集中载荷时，各个微结构单元的横拉杆会在各个单元之间发挥横向牵引作用，使“外地”更多的微结构件参与到“本地”的承载任务中来。整体结构在载荷作用下被逐步压缩至实体，最后微结构件的塑性变形与其之间的摩擦力还会进一步吸能。此种特性非常有利于保证在集中载荷作用后整体具备较高的刚度和完整性。微观桁架刚度递增的结构特性非常符合车辆碰撞刚度分布“前软后硬”的设计准则，有利于结构吸能并保持乘员舱完整，特别是在小面积重叠碰撞工况下，空间分布式微结构单元分散了主路径载荷，使材料的承载参与度达到最大化^[14]。微结构材料在保险杠总成上的应用示例见图3.37。

图3.37　微结构轻量化保险杠总成方案