毕业论文范文——基于某车型的25%小重叠偏置碰撞仿真分析研究

西安航空职业学院毕业论文基于某车型的25%小重叠偏置碰撞仿真分析研究姓 名： 专 业： 航空电子 班 级： 完成日期： 指导教师: 摘要：25%小重叠偏置碰撞是 IIHS 评价体系中的一种评价工况，从 25%小偏置碰撞测试的试验结果统 计来看，包括豪华品牌在内的许多车型只得到勉强通过（Marginal）和差（poor）的评级，主要原因是车 身结构变形量过大。25%小重叠偏置碰撞速度高、重叠度小，碰撞后车身会变形较严重。所以要想在 25%小 重叠偏置碰撞中取得好成绩，对车辆结构要求较高。本文通过对 IIHS 小偏置碰撞试验数据的研究和优化方 案的不断尝试，提出了小偏置碰撞初步的优化思路，并通过某 SUV 车型小偏置碰撞性能的优化，验证了该 优化思路的有效性，对其他车型提供参考。关键词：小重叠偏置碰撞 车身变形量 优化思路1.引言随着社会车辆保有量的不断提高，全球每年有 120 多万的人死于交通事故，在所有交通事故中造成死亡最大的碰撞形式是正面碰撞，其中绝大多是小重叠率的碰撞。因此从 2012 年 8 月份开始，美国公路交通安全保险协会(Insurance Institute for Highway Safety，简称 IIHS) 开始引入小重叠偏置碰撞的测试项目。IIHS 是世界安全标准的重要组成部分，对各个厂商 的车型进行星级划分，评定的星级与车辆保险费用挂钩，这些安全性能指数影响着汽车的销 量。同时获得更好的星级评定，也能提升了品牌形象，所以促进了各车厂对安全性研究的持 续投入。25%小偏置碰撞这种测试方法一经引入，包括各路豪华品牌在内的许多车型只得到 勉强通过（Marginal）和差（poor）的评级，对于车身设计和制造方面提出了全新的挑战。 最近美国国家公路交通安全局（NHTSA）也发布了一系列针对小偏置碰撞的报告和研究成 果，NHTSA 将来也有可能会将小偏置碰撞纳入法规体系中。目前我国还没有出台针对小偏置碰撞的相关法规，所以国内主机厂商对小偏置碰撞的性 能关注相对较少。其中有一些主机厂及研究机构，比如吉利汽车、上汽集团等已经开始了小 偏置碰撞的研究工作，研究的目的基本上都是作为公司的技术储备，严格意义上来说，把小 偏置碰撞性能作为车型开发目标并在量产车型上实施具体方案车型还没有。本文主要是通过 对某车型小偏置碰撞仿真分析优化，探讨小偏置碰撞性能的一些改进思路。2. 小偏置碰撞工况简介2.1 碰撞工况25%小重叠偏置碰撞是 IIHS 评价体系中的一种评价工况，IIHS 也是全球所有被动安全 法规体系中唯一一个把小偏置纳入到评价工况的法规。25%小偏置碰撞工况如图 2.1 所示，碰撞试验的速度 64.4 1 km/h ，汽车与壁障的重合程度是车宽的 25 1%。，壁障是由不易变形的钢结构组成。对碰撞结果的评价主要包括 4 个方面：车身结构评估、假人伤害值评估、 约束系统运动性评估以及基于以上三个方面的总体评估。25%小重叠偏置碰撞速度高、重叠度小，碰撞后车身会变形较严重。要想在总体评价中取得好成绩，控制车身变形量是前提，因为在总体评价结果中有对车辆变形量的评估；减少 碰撞时的车身变形量，对假人的伤害值控制也有较大益处，总之对车辆结构的耐撞性要求较 高。2.2 优化思路图 2.1 小偏置碰撞工况示意图从 25%小偏置碰撞测试的试验结果统计来看，豪华品牌在内的许多车型只得到勉强通 过（Marginal）和差（poor）的评级，主要原因是车身结构变形量过大，达不到 IIHS 小偏置 碰撞的要求，同时车身结构变形量过大也必然会影响约束系统的稳定性，假人伤害值评估、 约束系统运动性评估也不会太好。IIHS 对在美国市场上热卖的一些主流 SUV 进行过一组测试，这些 SUV 在驾驶员侧都 得到了 Good 评级。现在分别对这些车辆的副驾驶员侧进行 25%小偏置碰撞试验，试验结果 与驾驶员侧差异较大，如图所示 2.2 所示。IIHS 对这个报告并没有明确的指向性，只是呈现 了一个结果，日系 SUV 在驾驶员侧碰撞结果更好，毕竟日常开车驾驶员一定要有人，但是 副驾驶不是时时有人，这也可能是车辆制造商没有把驾驶员侧和副驾驶员侧同等对待的原因。 造成这些差异是因为车辆制造厂商针对小偏置碰撞驾驶员侧进行了改进，下面以丰田 RAV4 为例进行说明。图 2.2 小偏置碰撞工况示意图从图 2.3 可以看出，丰田 RAV4 在驾驶员侧的前端做了加强，副驾驶员侧车身结构没有 加强。如图 2.4 所示，副驾驶员侧碰撞后前车门脱落、A 柱变形严重，而驾驶员侧碰撞结果 要比副驾驶员侧好很多。这说明 RAV4 的前端加强对改善小偏置碰撞性能有帮助，这也为我 们对小偏置碰撞性能改善提供了一个思路。图 2.3 丰田 RAV4 前端结构图 2.4 碰撞后 A 柱变形 小偏置碰撞时车身结构变形量过大主要是因为刚性壁障与车辆的重叠度较小，传统的100%正面碰撞、40%偏置碰撞中主要的传递路径是前纵梁、前副车架等，而在小偏置碰撞 中绝大多数的前纵梁、前副车架是撞不到的，这样就失去了一个最主要的传递路径。小偏置 碰撞的主要传力路径主要是上边梁至 A 柱（如图 2.5）、轮胎至门槛（如图 2.6）。目前国内 的绝大多数车辆在开发时没有考虑小偏置碰撞性能，上边梁一般都设计的比较弱，在碰撞时 能传递的力较少，吸收的能量也较少，所以如果没有经过优化改进直接来做试验，结果一般 都会比较差。 图 2.5 上边梁传力路径示意图图 2.6 车轮传力路径示意图小偏置碰撞的试验速度高达 64km/h，碰撞的初始动能很大，如果像传统的 100%正面碰撞那样 90%的初始能量由车身变形来吸收的话，只靠 2 条主要传力路径（上边梁至 A 柱、 轮胎至门槛）是非常困难的，车身的变形量必然会比较大。经过对 IIHS 小偏置试验碰撞性 能较好的车型碰撞数据的统计分析，发现性能表现较好的车型在试验时要么 Y 向侧滑都比 较大，要么车辆绕 Z 轴旋转的较早。这样车辆在碰撞过程中就容易从壁障中滑开，避免壁 障直接剧烈撞击门槛，造成门槛的变形量过大。3.某车型小偏置碰撞优化以某 SUV 车型 25%小偏置碰撞性能优化分析为例。首先，对基础车型进行了小偏置碰 撞的试验，试验结果车体结构变形量过大、约束系统运动性评估较差，总体评价结果等级为 差（poor），如表 3-1 所示。后续对碰撞后车辆进行了拆解对标，由于小偏置碰撞试验车辆 前悬架、轮胎、转向系统、传动系统失效较严重，所以对标工作相对更复杂，在完成对标分 析的基础上，开始对车辆进行小偏置性能的优化。图 3.1 小偏置碰撞仿真与试验示意图表 3-1 试验结果评价指标GoodAcceptableMarginalPoor得分评级车体结构0261010Poor头颈部伤害0210200Good胸部伤害0210200Good大腿和臀部伤 害026102Acceptable小腿和脚伤害01242Marginal约束系统运动 性评估0261010Poor最终评价0-34 910 1920+20Poor车辆原方案在设计时小偏置碰撞性能没有纳入项目开发目标，所以小偏置碰撞性能较差。从参考车辆试验数据分析和各种优化方案的不断尝试后，发现比较有效的改进小偏置碰撞性 能主要思路：一是让车辆尽量从壁障上滑开；二是让车辆尽可能早的转动。思路一：设法让车辆在小偏置碰撞时完全从壁障上滑开，可以避免壁障猛烈的撞击到门 槛及 A 柱，对控制车辆的变形量有较大好处，但是 IIHS 的实际试验中只有较小部分车辆可 以做到这点。因为这需要特殊的车辆结构以及前部底盘件失效参数的控制，难度较大，我们 的车辆想达到这点需要较大的改动，同时失效参数的控制也较困难，所以此方案在本车型上 基本行不通。思路二：让车辆在 Y 向尽可能早的转动。这个方案实施起来相对容易，要实现车辆尽 可能早的转动的目标，就需要车辆在与刚性壁障接触的前段要产生更大的 Y 向推动力。结 合具体车型，所以采取了以下方案： 1）加强上边梁，更强的上边梁有利于力的传递及能量的吸收，如图 3.2 所示；2）加强上边梁与前纵梁的连接，碰撞时让力通过新增的加强结构更多的把力传递到前纵梁 上，同时会增加车辆的 Y 向推动力，使车辆尽早的旋转，这个加强结果对碰撞性能影响较 大，如图 3.2 所示；3）加强 A 柱及门槛。要想门槛和 A 柱在碰撞后保持良好的状态，必须要加强 A 柱及门槛， 如图 3.3 所示。图 3.2 加强上边梁及上边梁与前纵梁连接处图 3.3 加强 A 柱及门槛优化方案的仿真结果从车辆中心 Y 向位移、车辆变形情况、测量点侵入量 3 个方面与 原方案进行了对比。同级别车型在 IIHS 小偏置碰撞试验时车辆中心 Y 向位移随时间变化如图 3.4 所示，同 时加入了该 SUV 优化前和优化后的仿真曲线。从图中可以看出，小偏置性能评价较高的车 型，车辆中心 Y 向的位移一般都较大。优化方案的碰撞过程中车辆中心 Y 向位移更大，说 明同一时刻车辆的旋转更大。优化后的 Y 向旋转位移达到了 IIHS 小偏置碰撞试验同级别车 型中等偏上的水平。图 3.4 车辆中心 Y 向位移随时间变化图如图 3.5 所示，0 至 42ms，加强上边梁与前纵梁的连接部位，使更多力传递到前纵梁上，增加 Y 向的推力，使车辆尽早旋转；42 至 90ms，加强上边梁，更好地有利于上边梁的力的 传递及吸能；90 至 150ms，加强 A 柱和门槛，提供足够的支撑力的同时，减小门槛和 A 柱 的变形量。图 3.5 车辆变形随时间变化图优化后门槛、A 柱、防火墙侵入量整体上有较大改善，如表 3-1，结构评价指标除转向 管柱外基本可以达到 good 水平。由于仿真模型中没有加入假人，没有考虑假人对管柱以及 管柱自身溃缩的对转向管柱侵入量的影响，如果把这些因素考虑进来管柱的侵入量会远小于 仿真值。由此可以看出优化方案对改善小偏置碰撞的结构性能起到了很好的效果，证明优化 思路是正确的。表 3-1 结构评价指标对比结构评估评价指标优化前优化后乘员舱 上部侵 入量项目数量GoodAcceptableMaiginalPoorMaiginalGoodA 柱下铰链（合成位移）315022530030016090左脚尖（合成位移）115065左歇脚板（合成位移）116076制动踏板（合成位移）18860驻车踏板（合成位移）1-门槛（横向）35010015015012050乘员舱 下部侵 入量转向管柱（轴向）15010015015013049A 柱上铰链（合成位移）37512517517510251防火墙上部（合成位移）116071仪表板左部（合成位移）196504.总结本文通过对 IIHS 小重叠偏置碰撞试验数据的研究和优化方案的不断尝试，提出了小偏 置碰撞初步的优化思路，并通过某 SUV 车型小偏置碰撞性能的优化，验证了优化思路的有 效性，取得了较好的效果，具有一定的借鉴意义。但是如果要把小偏置碰撞纳入到项目开发 目标，想要获得较好的碰撞性能还有许多难点要突破：1） 传统的 100%正面碰撞、40%偏置碰撞中主要的传递路径与小偏置不同，如果把小 偏置碰撞纳入到开发目标体系中，车身前端的设计需要配合调整，可能会带来车辆成 本的增加及与其他性能平衡的问题，增加车辆的开发难度；2） 25%小偏置工况的仿真也给仿真工程师带来新挑战，因为小偏置碰撞相对于 100% 正面碰撞、40%偏置碰撞车身变形会更恶劣，这样就会导致车辆在碰撞后失效较严重， 比如轮胎的破裂、焊点及钣金的撕裂、传动及转向系统的失效等，想要准确模拟出这 些情况较困难，需要有材料、零部件对标等前期的基本研究数据作为支撑；3） 由于小偏置碰撞中的零部件、焊点、钣金等失效较多，失效对碰撞性能的影响较大， 如何保证各种失效在试验时的一致性对设计工程师也提出了更高要求。参考文献：1.肖锋、陈晓峰. IIHS+小偏置碰撞位移导向策略与结构评估方法.汽车安全与节能学报.2013.4. 2. 刘明. 关于 25%偏置碰撞试验及评价方法的研究. 科技前沿. 200