汽车碰撞安全工程：纵向能量管理

图3.58　前端变形纵向分区

正面碰撞有全宽刚性壁、刚性壁斜角、偏置吸能壁、柱撞等多种工况，大部分是非对称式碰撞，碰撞力只能由部分纵向吸能件承受，在这种情况下，整车截面力只能在相关承载件内分担。现以正面刚性碰撞（FRB）为例进行纵向能量管理分析，其他碰撞工况可做类推分析。我们将车辆前端结构划分成三大可变形纵向区域（见图3.58）。

1）Ⅰ区纵向能量管理

Ⅰ区为从保险杠前端到碰撞盒安装基面的这一段区域。其职责是在低速碰撞时吸收绝大部分碰撞能量，在AZT^[30]等保险试验规范工况下不得将能量传递到Ⅱ区，以避免增加车辆维修费用。能量管理原则：

（1）碰撞力满足AZT等低速碰撞保险试验规范要求，由吸能盒完全吸收。吸能盒可以设计成可拆卸结构，用连接件与主纵梁相连接。贵重的总成或部件，如发电机、空调压缩机、车灯、雷达等，尽量布置在Ⅱ区。低速碰撞以后拆下碰撞盒与保险杠，更换新件，可避免更大的连带损失。

（2）Ⅰ区的抗撞力由0增长至FAZT。

（3）在FRB工况中吸能尽量高，最好占总碰撞能量的20%以上。目的之一是提高加速度波形的前峰，满足理想波形形态要求；其次是加大碰撞能量，给安全气囊点火判断控制器提供明确的输入，以便尽早完成点火决策。

（4）力—位移曲线应满足碰撞全程等刚度要求（以利于提高波形效率）。

案例分析2

碰撞安全目标：56km/h正面碰撞加速度峰值amax=35g，全程压溃量C=800mm。工程问题：在碰撞速度vAZT=14km/h的AZT低速试验中，Ⅱ区结构不得损坏，则Ⅰ区的纵向空间S至少需要留多大？

图3.59　前端能量管理纵向力值分配

分析：前端能量管理纵向力值分配如图3.59所示。碰撞能量按等效方波法估计为：

式中，S是Ⅰ区纵向空间，m是整车质量。

由等刚度条件得：

Fmax=mamax（3.51）

当vAZT单位为km/h，C单位为m，amax单位为g时，有：

在本案例条件下，S=0.127m。

2）Ⅱ区纵向能量管理

Ⅱ区的范围是，碰撞盒安装基面到发动机刚性前表面，此区域为主吸能区域。能量管理设计原则：

（1）满足α目标值。例如，根据图3.56，为达到五星级性能的一阶能量比，α最好达到0.55以上，为此，Ⅱ区的吸收的能量应当占总能量的35%以上（考虑到Ⅰ区已吸能20%）。

（2）抗撞力由FAZT增加至FE。

（3）力—位移曲线满足碰撞全程等刚度要求。

案例分析3

在案例分析1中，由性能目标出发，已经确定的设计参数有：可压缩空间D=D1+D2=600mm，最大压溃量C=800mm，最大力值Fmax，最小波形效率40%。除此之外，根据图3.56，再新增加一个一阶能量比α大于0.55的要求。工程问题：为满足上述边界条件要求，Ⅱ区应如何布置设计？

分析方法：

保证波形效率的简单办法是采用从前往后等刚度、截面力线性增长的前端结构设计，也就是碰撞力在位移域以直线上升到顶点（见图3.12），三角形直线上升的恒定刚度力—位移曲线可使效率达到50%。接下来就要解决如何保证一阶能量比α大于0.55的问题。

一阶能量比α的设计可以归结为D1尺寸在D中如何分配的问题。在等刚度的前提下，为保证α>0.55，需有：

式中，FE是发动机与障碍进行硬性接触前一瞬间的碰撞力。注意“效率达到50%”这一要求，意味着力—位移曲线应当以三角形呈直线增长，因此有：

为此，需要完成两项工程校核：

（1）如图3.21所示，发动机的前缘不能靠保险杠太近，距离应大于D1，如果D值已定，则只能D2<D-D1=10mm（D2几乎没有空间，需要总布置权衡）。(www.xing528.com)

（2）D1前端界面应能承受碰撞力FE。

案例分析4

其他已知条件与案例分析相同，根据图3.56，将“一阶能量比α>0.55”的要求改为“ESW1/ESW2>0.4”。

分析方法：

第一台阶高G1为D1段的等效方波高度，故有：

第二台阶高G2为ac段等效方波高度，有：

注意等刚度条件：

故

案例分析2～4中，三角形等刚度力—位移曲线可以用其他形式的波形来代替，但是分析原理和过程与此类似。

3）Ⅲ区纵向能量管理

Ⅲ区指发动机刚性后表面到前围板。此区域的作用是吸收高速碰撞的剩余能量，减缓对乘员造成的冲击。能量管理准则：

（1）抗撞力由FE增加至Fmax。

（2）力—位移曲线满足碰撞全程等刚度要求。

这阶段的设计任务主要是解决“案例分析3”中的最小D2值要求与总成布置D2最大值限制之间的矛盾。满足所有上述条件的总布置设计在实际中是很难做到的，最终的总布置结果只能是耐撞结构总布置、总成总布置、造型、工艺／材料成本之间的权衡与折中产物。

4）纵向能量管理的简化模型验证

图3.60　概念设计粗网格模型（由一汽技术中心安全研究室提供）

可以用简单模型验证纵向能量管理布局。在纵向能量管理设计阶段，可以把纵向吸能件抽象为一个单一的概念纵梁。由于这个阶段的结构3D数据不可利用，因此不可能进入有限元性能分析，最适合的工具是搭建粗网格模型进行快速分析^[28]，如图3.60所示。如果验证结果令人满意，就把单一概念纵梁的阶段性力值特征转化为横向多路径承载的结构件总布置方案，即进入“横向能量管理”阶段。

为快速分析纵向能量管理方案设计的合理性，仿真模拟应当满足以下几个条件：

（1）模型能反映出纵向能量控制的基本设计参数，以便于开展参数调整。

（2）单元数（如果用有限元）不能过多，以缩短计算时间。

（3）能进行碰撞动力学响应输出。

图3.60采用的有限元简化模型单元的数量少于2万，在微机工作站上做一次碰撞运算的时间大约为5min，模型里包括了五大吸能部件：保险杠、纵梁、发动机、副车架、上翼梁，反映了Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ吸能区的结构特征，同时还可以利用以下结构设计参数调整出碰撞波形形态：

图3.61　多刚体仿真概念模型

（1）D1、D2、E（见图3.61）；

（2）刚性区域长度L2和L5（见图3.61中2、5段黑色区域）；

（3）各吸能段几何特性，主要有长度L1、L3、L4、L6和L7及截面积δ1、δ3、δ4、δ6和δ7（见图3.61中1、3、4、6、7段），还有上翼梁的长度L8及截面积δ8，以及保险杠截面积δ9。

表3.5中数据组1是在进行新车型开发时，结合前述车型等同延用件（COP）的特性搭建而成的模型，总布置特征尺寸采用新车型方案。输入相应初始参数并求解方案模型，计算结果如图3.62中曲线A所示，将其转化成双阶形态可以发现其结果并没有落入五星目标包络线之内。通过多轮筛选并考虑实际的产品限制，反复运行概念模型，最终得到能够满足波形目标（图3.62中曲线B）的第2组结构参数方案，从而完成纵向能量管理的概念验证。

表3.5　两组不同设计参数

图3.62　概念模型的碰撞波形输出