（车辆工程专业论文）可伸缩式汽车碰撞缓冲吸能装置研究.pdf

硕十学位论文 摘要 进入2 l 世纪以后，车辆安全性越来越受到人们的重视，成为人们购车时考 虑的最重要因素之一。e u r o n c a p 第二阶段对汽车安全性提出了更加苛刻的要求， c n c a p 也将增加新的测试项目，这对汽车的安全性设计提出了更大的挑战。汽 车的前纵梁是前碰撞过程中主要的吸能部件，受到前部结构造型设计等方面的限 制，前纵梁的长度是有限的。这就使得满足碰撞法规要求的车型，在更高车速碰 撞时，乘员仍然存在较大的伤亡危险。特别是对于一些轻型和微型车，车内前部 空间非常有限，难以达到好的碰撞安全效果。因此，如何在有限的汽车前部吸能 空问的情况下，进一步改善前碰撞安全性能值得进一步的研究。 本文提出了将车辆的吸能空间主动拓展到车体外部的思想，通过在车辆的纵 梁和前保险杠之间安装一套可伸缩的缓冲吸能装置，在碰撞前将设计在原吸能梁 中的辅助吸能梁及保险杠中段伸出车外来达到增加吸能空间的效果。针对国内某 量产车的前部结构设计了该新型碰撞缓冲吸能装置的样件，完成了样车的结构和 控制系统改装。采用台车碰撞试验的方法，研究了装置在伸出及缩回状态下的高、 低速碰撞性能；建立并验证了吸能装置的有限元模型，对装置在各个状态下的碰 撞响应，以及诱导槽距离、壁厚因素的影响做了仿真研究。最后，在福特t a u r u s 整车有限元模型的基础上，研究了装置在1 0 0 刚性墙正面碰撞和4 0 o d b 偏置 碰撞中的动力学响应。 论文的研究表明，该碰撞缓冲吸能装置能够有效的完成自由伸缩及锁止功能。 在高速正面碰撞下，该碰撞缓冲吸能装置能有效增加车辆的碰撞缓冲吸能空间， 从而改善碰撞吸能过程，达到对车内乘员更好的保护效果。在低速碰撞条件下， 该碰撞缓冲吸能装置能够完全吸收碰撞能量，使得车身主要零部件免于破坏，减 少车辆维修费用。即使在缩回状态发生碰撞事故，该装置也不会对原车碰撞性能 造成不利影响。 关键词：碰撞安全性；可伸缩式；缓冲吸能装置；计算机仿真；试验研究 i i 可伸缩式汽车碰掩缓冲吸能装置研究 a b s t r a c t s i n c ee n t e r i n gt h e21t hc e n t u r y ，p e o p l ep a ym o r ea n dm o r ea t t e n t i o nt ot h e v e h i c l es a f e t ya n dt r e a tt h es a f e t yp e r f o r m a n c ea so n eo ft h em a jo rc o n s i d e r a t i o n s w h e nt h e ym a k eu pt h e i rm i n dt op u r c h a s eac a r e u r o n c a ph a sb r o u g h tf o r w a r d m o r es t r i c ts t a n d a r d sd u r i n gi t ss e c o n ds t a g ea n dc - n c a pw i l la d dn e w t e s ti t e m s ，s o t h ev e h i c l es a f e t yt e c h n o l o g yw i l lf a c em o r ec h a l l e n g ei nf u t u r e f r o n tr a i li st h em a i n e n e r g ya b s o r p t i o nd e v i c ed u r i n gt h ef r o n ti m p a c t ，w h o s el e n g t hi sa l w a y sl i m i t e db y t h ev e h i c l ef r o n ts t r u c t u r ea n do t h e rf a c t o r s s ot h eo c c u p a n t sa r es t i l li ng r e a td a n g e r w h e nt h ei m p a c th a p p e n si nh i g h e rs p e e de v e ni ft h ev e h i c l e sh a v em e tt h ei m p a c t s t a n d a r d s e s p e c i a l l yt os o m el i g h to rm i n i t y p ev e h i c l e s ，i ti sh a r dt og e tw e l li m p a c t p e r f o r m a n c eb e c a u s eo ft h e i rl i m i t e d f r o n tc r a s hs p a c e s oh o wt om a k ef u r t h e r i m p r o v e m e n tt ot h ev e h i c l ef r o n ti m p a c tp e r f o r m a n c eu n d e rt h ec o n d i t i o no fl i m i t e d e n e r g ya b s o r p t i o ns p a c en e e dt ob ef u r t h e rs t u d i e d t h i sp a p e rp r o p o s e dt h em e t h o dt h a te x p a n d i n gt h ee n e r g ya b s o r p t i o ns p a c et o t h ee x t e r n a lo ft h ev e h i c l e i nt h i ss t u d y ，an e ws e to fc r a s he n e r g ya b s o r p t i o nd e v i c e w a si n s t a l l e db e t w e e nt h er a i la n df r o n tb u m p e r ；t h i sd e v i c ew i l lp r o t r u d et h e s u b e n e r g ya b s o r p t i o nb e a mw h i c hm o u n t e d i nt h er a i la n dt h em i d d l ep a r to ft h ef r o n t b u m p e rt o t h ee x t e r n a l o ft h ev e h i c l eb e f o r et h ec r a s ht oi n c r e a s et h ee n e r g y a b s o r p t i o ns p a c e ap r o t o t y p eo ft h en e wc r a s he n e r g ya b s o r p t i o nd e v i c e a n di t s c o n t r o ls y s t e mw e r ed e s i g n e da n dm a n u f a c t u r e da c c o r d i n gt oap r o d u c t i o ns u v s f r o n ts t r u c t u r e s l e di m p a c tt e s t sw i t ht h i sd e v i c ee x t e n d e da n dr e t r a c t e dr e s p e c t i v e l y w e r eu s e dt os t u d yt h ed e v i c e sp e r f o r m a n c ei nl o wa n dh i g hv e l o c i t y ；m e a n w h i l e ，t h e f i n i t ee l e m e n tm o d e lw a sd e v e l o p e da n dv a l i d a t e d t o s t u d yt h e f r o n t i m p a c t p e r f o r m a n c eo ft h ed e v i c ei nd i f f e r e n ts i t u a t i o n s a n di t si n f l u e n c ef a c t o r ss u c ha s g r o o v e sd i s t a n c ea n dt h i c k n e s s a tl a s t ，t h ed e v i c e sd y n a m i c sp e r f o r m a n c ed u r i n g t h e 10 0 r i g i dw a l lf r o n ti m p a c ta n d4 0 o d bo f f s e ti m p a c th a sb e e ns t u d i e db a s e do n t h et a u r u sf i n i t ee l e m e n tm o d e l t h er e s e a r c hr e s u l t si n d i c a t e dt h a tt h i sn e wt y p eo fa b s o r p t i o nd e v i c ec a nb e e x t e n d e da n dl o c k e de f f e c t i v e l y w h e nt h ed e v i c ei se x t e n d e d ，i tc a ni n e r e a s et h e v e h i c l e sc r u s hs p a c e ，i m p r o v et h ee n e r g ya b s o r p t i o np e r f o r m a n c ea n da c h i e v eb e t t e r p r o t e c t i o ne f f e c tt ot h eo c c u p a n t sd u r i n gt h eh i g hs p e e df r o n ti m p a c t ；w h e nt h ec r a s h h a p p e n si nl o ws p e e d ，t h ec r a s he n e r g yc a nb et o t a ll y a b s o r b e db yt h i sd e v i c e ，t h e i i i 硕士学位论文 f r o n t a lv e h i c l eb o d yc a nb ea v o i d e df r o mb e i n g b a d l y d e s t r o y e d ，a n dt h e n t h e m a i n t e n a n c ec o s t sw i l lb eg r e a t l yr e d u c e d b e s i d e s ，n ob a di n f l u e n c ew i l lb eb r o u g h t t ot h ev e h i c l ee v e ni ft h ea c c i d e n th a p p e n sw h e nt h ed e v i c ei sr e t r a c t e d k e yw o r d s ：f r o n t a li m p a c ts a f e t y ；e x t e n d a b l ea n dr e t r a c t a b l e ；e n e r g ya b s o r p t i o n d e v i c e ；c o m p u t e rs i m u l a t i o n ；t e s ts t u d y i v 湖南大学 学位论文原创性声明 本人郑重声明：所呈交的论文是本人在导师的指导下独立进行研究所取得的 研究成果。除了文中特别加以标注引用的内容外，本论文不包含任何其他个人或 集体已经发表或撰写的成果作品。对本文的研究做出重要贡献的个人和集体，均 已在文中以明确方式标明。本人完全意识到本声明的法律后果由本人承担。 作者签名： 可物期： 卅年垆月细 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解学校有关保留、使用学位论文的规定，同意学校保 留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和电子版，允许论文被查阅和借阅。 本人授权湖南大学可以将本学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检 索，可以采用影印、缩印或扫描等复制手段保存和汇编本学位论文。 本学位论文属于 1 保密口，在一年解密后适用本授权书。 2 不保密团。 ( 请在以上相应方框内打”) 作者签名：撇期：沁1 年 中月如日 刷雅叶瀚堂：叫年p 月舢 i 论女 第1 章绪论 1i 本课题研究的背景和意义 根据公安部交通管理局的最新统计数据，截至2 0 0 8 年6 月底，我幽的汽车 保有茸达到6 1 2 2 万辆，与2 0 0 7 年相比增加约4 2 5 万辆，增幅为74 7 ，汽车已 经成为人们普遍使用的交通i ：县”+ 。与此同时，由汽车引发的变通事故也成为了 一个严取的社会问题。从图l1 中可以看出，近年来我国的各项交通事故统计数 据成递减趋势“，这与我同政府颁布实施汽车安全法规行政职能部门加强道 路交通安全监管，汽车生产企业重视车辆安全性的研发与改进、以及广大消费者 的监督作用足密不可分的。但足我围变通事故基数庞大，道路交通安全仍然面 临希严峻的考验。 2 0 0 0 年至2 0 0 5 年的巾田交通事故统计数据艋示诈面碰撞事故及其造成的 人员死亡分别占交通事敞总数和死亡人员总数的2 17 0 、2 95 5 ，在所有的碰撞 形态中，正面碰撞事故的致死率最高“1 。汽车的前纵粱是前碰撞过程中主要的吸 能部件，各种车型都充分利_ l j 前纵梁以达到好的碰撞安全性要求”。然而，受 到前部结构造型设计等各方面的限制，车辆前纵粱吸能段的k 度是有限的。特别 足对于一些轻型和微型牟，车内前部空间非常有限，难以达到好的碰撞安全性能。 表ll 所示的c n c a p 碰撞结果显示。，对于小型乘用车，萁碰撞星级普遍偏低， 而且失分最严重的往往是正面1 0 0 重叠刚性壁障碰撞试验，这是由于微型车车 身结构紧凑，| j 部吸能空问有限导致的。即使足对于一些满足碰撞法规要求的车 型，在更高车速碰撞时，乘员仍然存在较大的伤亡危险。因此，如何利用汽车前 部有限的吸能空间进一步改善车辆前碰撞安全性值得进一步研究。 准瑁 图】l0 2 年至0 7 年中国交通事故统计 ! 些堑：! ! 至竺堡堡堡竺墼些至竺垒 十 月 h * h * 籍；瓣耋麓戮i ”一n * “ 口x i ，：紫：? 器黔譬鳎一z ：“ 扣一l 盈盈 r 蔫勰；! i 雾。* t “t 。”。卜圈 ，! 焉淤攀黧一e m 。a 。豳 ，! j 器裂”翟一a - 。 一圈 ：精：鬻i 嚣 受，” a ” 一， 。 一_ _ 雹 ，! 珊黎掣罂受，* e a 。1 一田 zi 觜：黼”一翌e ”m t n 。；一i 盈 僦i 麓，“一臻”* - t ，i 。 ”盔盈 图l2c - n c a p 小型乘用车碰撞结果 本文在系统地研究了幽内外汽午碰撞缓冲吸能方法的基础上，提m 了将车辆 的吸能空f f i 主动拓展到车体外部的思想：通过在车辆纵粱和前保险杠之闻安装 套可伸缩的缓冲吸能装霄，以实现在碰撞前将设计安装在原吸能梁中的辅助吸能 粱及保险杠的巾段伸出乍外并将其限何，使其参与碰撞吸能，达到增加吸能卒间， 延长碰撞时问历程的效果。改装置具有结构简单紧凑、成本低廉、可靠性强等优 点，既可戍用于新车型的开发，同时也可用于旧车型安全性改进，具有重要的 研究意义和实用价值。 1 2 汽车碰撞中的乘员损伤机理及安全车身结构 汽车碰撞过程中，如何埘司机和乘员进行有效的保护，尽量减少其所受伤害， 足汽车被动安全研究的主要内容。汽车发生碰撞事故时，通常将车辆与外部事物 之问的碰撞称为次碰撞”，两人体与车内部件的碰撞称为“二次碰撞”。汽车碰 撞造成的人体损伤类型主要有机械损伤、中物损伤和心理伤害。机械损伤指人体 在外界直接碰撞载荷作用下产生的内伤和外伤，如骨折和皮肉撕裂等，即外载荷 的强度超过了人体骨骼或肌肉组织的承受极限所致；生物损伤指在碰撞导致的加 速度作用下人体某些部位如大脑产生的生物功能损伤；心理损伤指碰撞过程对人 的心理造成的惊慌和恐惧感等。司乘人员在碰撞过程中受到损伤的主要原因可归 坝f ：学位论文 纳为以下四点：1 ) 一次碰撞过程过分剧烈，以致传递到乘员身上的力及加速度超 过了人体的耐受极限，使人体器官受到损伤；2 ) 碰撞过程中乘坐室外部刚硬物体 ( 如发动机、变速箱、前轮) 侵入乘坐室内部，直接将乘员挤压伤亡；3 ) 由于一 次碰撞的过分剧烈而引起的回弹很厉害，致使乘员在车内遭受前后两个方向的多 次“二次碰撞”而受伤；4 ) 在碰撞过程中，乘坐室变形太大，以致乘员缺乏生存空 间而伤亡。 从以上汽车碰撞事故中的人体损伤机理可知，虽然“二次碰撞”是造成人体损 伤的直接原因，但“一次碰撞”在很大程度上决定了“二次碰撞”的剧烈程度，因此 芬葛羚 l、 争 沥另珍 b 区 图1 3 汽车乘员安全区和缓冲吸能区示恿图 a 区一乘员安全区b 区一缓冲吸能区 “一次碰撞”对人体损伤状况有很大的影响，合理设计汽车结构的缓冲与吸能特性， 控制好“一次碰撞”，对减少人体损伤有着重要的意义。在车辆的安全设计过程中， 通常可以将车辆分为汽车乘员安全区和缓冲吸能区。仅从乘员不被汽车碰撞变形 后产生的挤压导致伤亡的角度看，乘员安全区在碰撞中的变形要越小越好，这就 要求缓冲吸能区( b 区) 有较大的总体刚度，但b 区的刚度过大会影响汽车的缓 冲吸能性能，致使碰撞过程中产生的加速度过大，超过人体的耐受极限而导致人 体损伤。所以从缓冲吸能的角度讲，b 区的刚性应该足够小，变形应足够大，以 尽量减少碰撞作用力。为了解决这一矛盾，通常将汽车的碰撞缓冲区设计成“外柔 内刚”式的结构，即缓冲吸能区与乘员安全区的交界处设计成具有较大刚性的结 构，而缓冲吸能区的外围设计成具有较小刚性和较好的缓冲吸能性能的结构n 2 婚1 。 对于前后碰撞而言，金属薄壁管是目前应用最广泛的吸能结构之一，在碰撞 过程中通过金属构件发生有效的塑性变形，消耗大量的碰撞能量，达到缓冲吸能 的目的。通过改变薄壁构件的截面形状、尺寸、壁厚及材料特性等参数，使其具 有不同的缓冲吸能特性，从而满足不同的缓冲吸能特性要求。对于侧面碰撞而 言，由于缓冲和吸能的空间十分有限，需要更加注重整个侧面防撞吸能结构的设 计，合理分配碰撞力传递路径，安装车门防撞杆及蜂窝铝等结构来达到缓冲吸能 可伸缩式汽车石4 f ! 撺缓冲吸能装置研究 的效果5 。 此外，合理的汽车安全车身结构还需满足以下要求：不影响汽车行驶的平顺 性和操纵性；能够承受在汽车整个使用寿命期间可能遇到的所有静力和动力载荷； 满足汽车轻量化要求；不得影响汽车的空气动力学特性；必须在汽车的整个使用 期间在包括热、冷和腐蚀等各种环境中满足汽车碰撞安全性要求；在其使用终了 时，其材料必须能够在新的汽车或其它产品的制造中再循环和再利用；满足其它 部件的装配要求；满足汽车撞击行人、摩托车手、骑自行车者时对道路交通弱势 群体的保护要求等。 1 3 汽车碰撞缓冲吸能结构的国内外研究现状 1 3 1 国外汽车碰撞缓冲吸能结构研究现状 自上世纪六十年代，对耐撞强度的研究为汽车结构性能提出了更高的要求， 研究人员开始意识到必须设计一种在冲击下能以预定方式变形的结构，结构撞击 变形必须能够控制而变形能必须与冲击动能相平衡，在保持乘坐室完整性的同时， 结构的变形应使乘员的减速度最小n 6 1 。 国外汽车吸能结构的研究主要采用试验与仿真相结合的方式。试验主要用来 测试整车或部件的碰撞性能是否达到设计要求，而基于有限元的数值仿真则用来 模拟和改进结构的碰撞吸能特性。由于汽车碰撞试验是破坏性试验，其试验成本 高，试验周期长，只有实力雄厚的汽车大公司或其资助的实验室才能开展整车碰 撞试验研究。国外的g m 、f o r d 、v o l k s w a g o n 等大型汽车制造商，以及像国家碰 撞分析中心( n c a c ) 这样大型的科研机构每年都进行几百次的碰撞试验对各种 车型进行认证和考核。一些高等院校和科研机构则主要致力于典型结构和材料方 面的研究。吸能材料和吸能结构是目前这一研究领域的热点，尤其是超轻材料、 复合材料、泡沫材料和蜂窝状材料的结构。如在国际上享有盛名的m i t 的应用力 学教授t w i e r z b i c k i 所领导的碰撞与耐撞性实验室( i c l ，i m p a c ta n d c r a s h w o r t h i n e s sl a b o r a t o r y ) 在蜂窝材料充填的薄壁梁在承受压、扭、弯复合作用 下的吸能特性研究等h 。 对于典型薄壁构件碰撞吸能特性的研究，国外的一些汽车公司和科研机构开 展了一系列的试验和理论研究n r 2 们，主要集中在金属材料能量消耗特性的研究、 各种截面形状的薄壁构件吸能特性研究、薄壁结构件的连接特性研究等心1 ：2 3 】。 a l e x a n d e r 提出了薄壁构件折叠特性的屈服点分析模型心引，经w i e r z b i c k i ，j o n e r s ， a b r a m o w i c z 等人的发展已经逐渐成熟，并可以用来预测压溃参数心5 2 们。除了薄壁 吸能结构，研究人员还对其他典型吸能结构进行了研究。k i t a g a w a 等人利用波纹 来控制边梁的变形模式，设计了三种波纹形式，优化设计了其能量吸收的最优排 4 硕一l 二学位论文 布方式乜7 1 。l o r e n z i 等人对蜂窝铝管在车辆前碰撞领域的应用进行了研究，将其作 为吸收冲击能的装置放置于散热器前部，前后分别与保险杠和前轴相连拉8 j 。a g h a n s s e n 对薄壁构件填充泡沫铝材料后的防撞性能进行了深入的研究晗引，指出了结 构的设计方法并建立了用于结构仿真的有限元模型。 1 3 2 国内汽车碰撞缓冲吸能结构研究现状 国内开展汽车碰撞缓冲吸能结构的研究起步较晚，所做的基础研究工作仍十 分有限，但是，由于有了国外的经验可供借鉴，同时在一批早期海归人才的努力 下，发展得也相当迅速。l9 8 9 年，清华大学汽车系建立了国内第一个简易的实车 碰撞试验台，并进行了一些探索性的车辆碰撞试验研究。随后，中国汽车技术研 究中心( 天津) 、东风汽车工程研究院( 襄樊) 、交通部公路交通试验场( 北京) 以及湖南大学、上海汽车检测中心、重庆汽车研究所等单位也先后建立了汽车碰 撞试验室，开展吸能结构方面的研究工作。特别是2 0 0 0 年c m v d r2 9 4 国家强制性 汽车碰撞法规的实施，以及2 0 0 6 年c n c a p 中国新车评价规程的开展，国内汽车 生产商越来越重视汽车碰撞安全性的研究工作，有效地促进了汽车碰撞缓冲吸能 结构的研究。值得指出的是，由湖南大学研制的机械储能式汽车碰撞实验牵引装 置，实现了低功率和短跑道条件下的近似匀加速牵引，其性能达到国际同类水平， 成本却只有国外产品的1o ，已经应用于上汽通用五菱等企业的新车安全性设计 中啪1 。 与国外相比，我国的碰撞仿真研究工作只是在最近几年发展起来。1 9 9 6 年开 始清华大学汽车研究所对北京b j 2 0 2 0 s 的车架结构进行了有限元计算，这是国内 首次应用有限元进行汽车零部件结构碰撞的计算机仿真。1 9 9 8 年，贾宏波等人对 红旗轿车进行碰撞仿真研究，通过对基本结构的研究明确了计算方法和参数，通 过对车身主要吸能结构元件的仿真计算研究，找出了合理的技术参数，为整车碰 撞计算提供依据口1 1 。北京理工大学、同济大学、湖南大学等也相继完成了轿车车 身或轿车整车的碰撞仿真研究工作。 近年来，一些从事汽车安全性设计的高等院校及研究所广泛开展了汽车前碰 撞吸能结构的研究工作：开展了应用于汽车保险杠、车门以及纵梁等主要安全构 件中的吸能结构耐撞性研究m 1 ，多孔结构材料在汽车碰撞安全中的应用【3 ”，波纹 管在汽车碰撞中的应用研究凹4 蚓，提出了基于预变形的控制理论，在方形薄壁梁 上开诱导槽以优化加速度变化曲线的方法口引。 总的来说，我国在汽车碰撞研究领域的发展尚处于起步阶段，碰撞试验研究 和计算机仿真研究基础薄弱，并且受到人力和资金的制约，在今后很长的一段时 间仍需不断深入研究，提升自主创新能力，缩短与发达国家的差距。 可伸缩式汽车碰掩缓冲吸能黻置研究 1 4 本论文的主要内容 本论文课题来源于国家自然科学基金资助项目( 基金号：5 0 6 7 5 0 6 2 ) ，采用计 算机仿真分析和试验研究相结合的方法，对可伸缩式汽车碰撞缓冲吸能装进行了 开发和研究。全文内容共分五章，现归纳如下： 第一章介绍了课题研究的背景和意义，结合我国近年的交通事故数据及 c n c a p 碰撞结果，提出了将车辆吸能空间拓展到车体外部的课题指导思想。分 析了汽车碰撞中乘员的损伤机理及安全车身结构的设计方法；在查阅大量文献的 基础上，介绍了汽车碰撞缓冲吸能结构国内外的研究现状。 第二章介绍了几种典型的汽车前碰撞缓冲吸能结构，分析了各自的优缺点， 并举例说明了各种吸能结构在车辆安全领域中的应用。 第三章介绍了可伸缩式汽车碰撞缓冲吸能装置的设计原理，对比分析了几种 设计方案的优缺点，最终确定新型自锁式方案，根据设计方案对实车进行了相应 的改装和操控试验。 第四章运用现有的试验条件，在湖南大学碰撞实验室对可伸缩式汽车碰撞缓 冲吸能装置进行了台车碰撞试验研究。介绍了试验的设备，试验的准备过程及试 验结果的分析，为后续有限元模型的验证提供了依据。 第五章首先简要介绍了汽车碰撞有限元仿真技术的相关基本理论。建立并验 证了可伸缩式汽车碰撞缓冲吸能装置的有限元模型，在试验研究的基础上，运用 计算机仿真技术对可伸缩式汽车碰撞缓冲吸能装置在各个状态下的碰撞响应进行 了深入研究。 第六章运用福特t a u r u s 整车有限元模型，对其进行了相应的结构改装，加 入了可伸缩式保险杠。对其分别进行了5 6 k m h1 0 0 刚性墙正面碰撞和6 4 k m h 4 0 o d b 偏置碰撞的仿真模拟，对比分析了两种碰撞形式下原车型、装置伸出状 态、装置缩回状态的碰撞响应差别。 6 硕十学位论文 第2 章典型前碰撞缓冲吸能结构的研究 本章主要研究了目前国内外常用的汽车前碰撞缓冲吸能结构，对比分析了各 种吸能结构的优缺点，通过实例列举了其在车辆安全领域的应用，为本文可伸缩 式汽车碰撞缓冲吸能装置的设计提供了参考。 2 1 薄壁构件吸能 汽车发生正面碰撞事故时，主要由车身前部“压溃区”的塑性变形来吸收碰撞 能量。在承载式车身中，能量主要由上下布置的车身前部结构件( 包括下部的边 梁和上部的挡泥板加强梁) 承受；而在非承载式车身中，大部分的能量主要由纵 梁承受。因此，合理设计车身前部( 特别是纵梁前段) 结构对提高整车的前碰撞 安全性有着重要的意义口l3 引。汽车前纵梁的结构和失效状态与薄壁直梁件极其相 似，可选用能代表前纵梁的薄壁直梁件来研究材料特性和结构变化之间的关系 引，其结构可用于纵梁的安全性设计。 2 1 1 薄壁构件的变形模式及其影响因素 从吸能性方面考虑，轴向载荷作用下薄壁结构的变形模式分为：渐进叠缩变 形、e u l e r 变形和混合变形模式，主要区别是形成塑性铰的变形机制不同。 渐进叠缩变形也称为“折叠式”变形或“风琴式”变形。塑性铰从结构一端有序 的逐一形成，是吸能结构的最佳变形模式，对于吸能元件，有时可以通过“预变形” 技术诱发该类稳态变形的发生。 e u l e r 变形的初始变形受横向弯曲机制控制，第一个塑性铰一般发生在构件的 中部，随后产生很大的横向位移，是一种吸能效率很低的变形模式，设计时要尽 量避免该种变形模式的发生。 混合变形模式的主要特点是变形初始阶段发生渐进叠缩变形，形成一个或多 个塑性铰，随后转变为e u l e r 变形，是一种发生概率较高的变形模式。 对典型方形薄壁构件的研究表明，在轴向压力的情况下，剖面宽长比 ( d b ) o 6 7 的长方形截面薄 壁钢梁则有规则皱褶塌陷的趋势，即产生渐进叠缩变形。所以在选择吸能梁剖面 尺寸时，应选择宽长比( d b ) 0 6 7 的矩形梁。由弹性稳定性理论可知，当梁的长 度增加时，梁的轴向压缩承载能力将下降，如梁将在其轴向全承载极限之前发生 横向弯曲( e u l e r 失稳) 。当长度与剖面宽度之比小于15 时，长度对梁的最大承载 7 可伸缩式汽乍碰掩缓冲吸能装胃研究 能力影响不大。汽车上的梁一般均满足长度与剖面宽度之比小于15 。 影响薄壁构件变形模式的因素很复杂，除了截面形状和尺寸参数外，材料特 性、碰撞速度、冲击质量等也是重要的影响因素。 2 1 2 薄壁构件吸能特性影响因素 1 横截面形状 对于薄壁直梁件的设计，横截面是需要考虑的一个重要因素，因为不同的横 截面将可能导致直梁件不同的碰撞吸能水平。z h a n g 等人研究了不同的截面形状 对薄壁梁吸能特性的影响n 们，具有相同截面周长、相同长度的直梁件，其截面分 别设计成圆形、正方形、长方形、六边形、八边形及帽形( 如图2 1 所示) ，分别 对其施加3 0 0 k g 的质量，以4 8 k m h 的速度撞击刚性墙，其碰撞结果如表2 1 所示。 k、 l夕 广弋 1 1 、_ 一 厂。、 弋j夕 圆形正方形 长方形六边形 八避形帽形 图2 1 截面形状 表2 1 各种截面薄壁直梁的碰撞响应 从表2 1 的数据可以看出，圆形和八边形的吸能效果较好。对于多边形结构， 随着边数的增加，其吸能效果也相应的增加，但是其平均作用力也相对较大。在 实际设计过程中，可以根据需要选择截面形状，如果需要提高直梁件的碰撞力， 可以采用八边形截面形状，而如果需要降低碰撞力的话，则可采用四边形的截面 形状，同时，还要考虑制造成本及与整车的刚度匹配，图2 2 即为三种不同的实 车纵梁截面形状。 8 图2 3 双帽形粱右限元结构图 2 壁厚 薄壁梁的壁厚与碰撞吸能直接相关，表22 给出了取帽彤薄壁直梁( 其有限 元结构如图23 所示) 在开诱导槽情况下，壁厚分别为12 m m 、15 m m 和2 o m m 十钎a f “ m h w r 模拟所得到的l 吸能特性参数。4 。 从巾可以看到随精壁厚的增加游壁粱碰掩力的峰值从9 04 3 2k n 迅速增为 1 4 75 4 3k n ：乜的吸能也栩戍增加，蜓为2 r a m 时吸能为170 3 5 k j 比l2 r a m 时 提高了7 23 。 在实际的结构设计中，壁厚的选择必须与实际情况相适心，壁厚太薄容易变 形，且可能不具备足够的l 败能能力，而雄厚过厚又不易变形吸能，造成加速度峰 值过大，导致乘员损伤。 表22 不同壁厚的双帽形粱吸能参数 3 焊点 方彤薄壁粱的形成足通过对金属薄板进行冲爪、弯折等冷加工变形后，再通 过焊点或者焊边连接而构成的。在碰撞过程中，焊点可能会脱开( 即焊点失效) ， 从肼影响薄壁构件埘撞击能量的l 灶收。焊接的强度、焊接彤武的小同发焊点的疏 密程度都会影响焊点的开裂。在实际设计过程叶1 ，还可以从焊点的唧置上考虑， 堪u r 能地将焊点布置在构件变形叫拉应力与剪应力较小的位胃如对十直梁件的 折叠式变形束| 兑，焊，囊的理想布霄位置是变形褶皱的波峰与波谷之削的平衡处。 4 诱导结构 辫l 的轴向折叠式变形是最有效的吸能方式，但是在实际结构的变形中很难得 图24 老款标致3 0 7 前纵粱诱导结构 到。引入诱导结构可以引导溥壁粱的折叠式变形，控制其裙皱位胃，防止由于材 料、结构几何形状、制造驶装配等因素造成不稳定的e u l e r 变形模式。研究显示 硕十学位论文 梁的压溃形式与诱导槽的形状关系不大，但对诱导槽的位置及尺寸大小较为敏感。 通常情况下，棱上开孔和开槽都可以有效地诱导变形，当诱导孔的尺寸增加时， 梁变得更软，压溃距离增加，平均碰撞力及峰值载荷降低。通过正确地组合诱导 孔的尺寸、位置及个数，对得到稳定、可预知的碰撞变形模式起到决定性作用h 6 1 。 图2 4 为开有诱导槽的老款标致3 0 7 前纵梁结构。 2 2 波纹管吸能 波纹管是将薄壁壳沿着侧面在轴向制成有波纹的折皱而成，根据截面形状不 同可分为圆柱形波纹管和方形截面波纹管，图2 5 为圆柱形波纹管的结构示意图。 波纹管的相关参数有：波纹管公称直径d ，壁厚r ，夹角仅，波距h ，高度日，波 纹过渡内圆角半径，及所用的材料。如果波纹管是由半径相等的正负两个半圆弧 以及切于此二圆弧的直线组成，这种波纹管称为半圆弧波纹管，也称为u 型波纹 管。 图2 5 圆柱形波纹管结构参数 图2 6 福特公司安全车车架 可伸缩式汽乍碰掩缓冲吸能装置研究 波纹管的吸能特性受其壁厚f 、a 角、波纹高度h 等参数影响较大。与薄壁直 梁件相似，波纹管壁厚的增加同样可以有效增加吸能效果，同时维持加速度与力 的时间历程相对平稳，有效降低碰撞过程中的加速度峰值，减少乘员受到的伤害。 其次，波纹管在变形的过程中，材料的轴向压缩吸能较弯曲吸能要多得多，而波 纹管a 角的大小是影响其轴向吸能能力的重要因素。当n 角减小时，其刚度相对 增大，轴向压缩吸能能力也相应增加，但是同时会导致加速度的振荡加剧；反之， 则导致吸能能力下降。所以在实际设计过程中，需要结合试验和仿真确定合适的 a 角。再次，波纹管的波高h 对其吸能能力和加速度曲线也会产生较大的影响。 总体来说，薄壁波纹管结构具有吸能能力强，加速度曲线变化均匀等优点； 但是，其制造工艺比较复杂，制造成本较高，同时波纹管的横向刚度较弱，难以 支撑较大的载荷，因此在车身结构中的应用范围较窄，难以推广应用。 ( 图2 6 为福特公司安全试验车的波纹管形车架副) 2 3 填充材料吸能 吸能元件通过塑性变形吸收的碰撞能量为e ( d ) = r f ( a ) d x ，其中d 为元件的 压缩变形长度。如果把e ( d ) 除以d ，则得到元件所能承受的平均压溃载荷e ( d ) ： 乞( d ) = i 1r f ( d ) d x ( 2 1 ) 图2 7 蜂窝式结构的方向 巴( d ) 是汽车耐撞性设计中的一个重要指标，直接关系到车厢内乘员所承受 的碰撞力。如果在空心的吸能元件内填充某种材料，则“夹芯”的吸能元件所能承 受住的平均压溃载荷为： c ，( d ) = ( d ) + e ( d ) + 曩( d ) ( 2 2 ) 式中：e ( d ) 为填充材料所承受的平均压溃载荷；互( d ) 为元件和填充材料交 1 2 互作用引起的部分。可见，如果在空心的吸能元件内填充密度低、质量小、吸能 性能好的材料，就能在尽可能少地增加元什质量的情况下极大地提高元件所能承 受的平均压溃载荷，并提高吸能元件的吸能效果。多孔材料具有密度低、质量小 的特点，而且在冲击载荷作用下，可以在很大的变形范围内承受不变的载荷，而 币会像普通材料那样在塑性变形的同时，承载能力明显下降。因此，多孔结构材 料多作为填充物填充到空心的吸能元件中去，以求显著提高吸能元件的吸能效果。 目前较为常用的多扎结构材料为蜂窝式结构。 蜂窝式结构由多个六边形基本单元组成，与川结构的聚合体材料十h 比，蜂窝 式结构的金属材料具有更高的碰撞强度，更适合应用到汽车碰撞安全设计中。但 足，由于结构的特殊性，其力学性能与它的方向性密切梢荚。图27 表示的是蜂 窝式结构的方向性：图中t 轴称为强轴，l 轴和w 轴称为弱轴，整个结构在强轴 方向的承载能力要明屁人于弱轴方向。根据强轴数的不同分为一维、二维和三维 蜂窝结构。维蜂窝结构由于其对方向的依赖性过强，在实际的应用中价值不高； 一维蜂窝结构即一般所说的蜂窝结构由于其仍具有方向性( 有一个弱轴) ，实际 应用中，需通过合理的结构设计，尽量避免其在弱轴方向上受载；三维蜂窝结构 也就是常晓的泡沫结构，其在三个轴向上具有相同的承载能力，显示出较强的力 学性能，但泡沫结构的密度要比蜂窝式结构高，会影响结构的吸能效率圳。 ( a ) 作为午门侧面碰撞填充材料( b ) 作为保险杠吸能填充材料 图28 蜂窝式材料的应用 蜂寓式吸能结构制作比较复杂，般采用铝金材料经过冲压、焊接等工艺 而成，制造成本较高。目前，蜂窝式吸能结构主要用于车门侧血碰撞填充材料( 图 28 a ) 、保险杠吸能填充材料( 图28 b ) ，以及部分轿车前纵梁填充材料。 24 液压缓冲吸能 与传统的通过材料塑性变形达到能量吸收效果的吸能结构不同，液压缓冲吸 能结构是利用油液的粘性阻尼作用，将大部分的冲击能量通过节流孔吸收转化为 油液的热能蚪散发掉，其结构如图29 所不，横十l ：内侧加强件通过橡胶挚与液雎缓 冲器的活寒 t 相连接活采杆做成空心，内装一浮动活塞将其隔成左、右两腔， 应腔充满氮气，右腔充满机械油，活塞杆外吲柱面与缓冲缸内网# 面滑动配台， 缓冲缸内机械油与活塞杆右腔相通。缓冲缸固定在牟桨或车身加强件上，当汽车 与障碍物碰撞时，保险杠横杠受到的碰撞冲击力由其横杠内侧加强件传到活塞杆 ，活鏖杆端部向右移动，推动机械油按图示箭头方向流过节流孔，压向活塞右 腔，推动活塞向左移动，并使氮气受到压缩。这样，利用机械油通过节流孔时的 粘性阻力吸收撞击能量，吸收能最的效率高达8 0 ，j = 作特性比较稳定。撞击后 靠氮气产生复原动力，使保险杠复位。 图21 0 奥迪a 6 液压缓冲保险杠 液压缓冲小仅能够吸收巨人的冲击能量，而且可以通过渊节节流孔来设计不 同的碰撞缓冲规律，工作稳定可靠，特别适合于冲击能较大的场合。但是其结构 复杂、维修小使，密封要求高，需要经常保养f i n n 会产，k 渗漏，对环境温度变 化也比较敏感牛产成本及保养赀用较高，目前仅应用于奥迪、宝马等高档车型。 硕l j 学位论义 2 5 本章小结 对比分析了多种前碰撞缓冲吸能结构：薄壁缓冲构件制造简单、成本低廉， 应用广泛，通过控制其合理的变形模式，可以达到良好的碰撞吸能特性；波纹管 结构虽然具有较好的吸能能力及均匀的碰撞加速度曲线，但是其制造工艺复杂、 生产成本昂贵；液压缓冲吸能结构工作稳定可靠，吸收冲击能量大，但是结构复 杂、维修不便，生产成本及保养费用较高；泡沫填充材料通常作为辅助吸能结构， 且其制作比较复杂，价格较贵。综合考虑装置结构的工艺性、生产成本以及可靠 性等多方面因素，选择薄壁缓冲构件作为本论文所提出的可伸缩汽车碰撞缓冲吸 能装置辅助吸能段的结构，通过优化设计其截面形状、壁厚、诱导结构、焊点等 参数获得理想的缓冲吸能效果。 1 5 可伸缩汽车石4 掩缓冲吸能装冒研究 第3 章可伸缩式汽车碰撞缓冲吸能装置的结构开发 本章首先对理想的车辆f j i 碰撞特性进行了研究，进而介绍了可伸缩式汽车碰 撞缓冲吸能装置的设计原理，相应设计了三种可行性结构方案，在对比分析了各 方案的优缺点后最终选取新型自锁式结构。基于国内某款越野车的前部结构，设 计并试制了该缓冲吸能装置，并进行了相应的实车改装和操控试验研究。 3 1 理想的前碰撞特性 车辆发生正面碰撞事故时，为保护车内乘员的安全，根据汽车前碰撞损伤机 理可知车辆要具备以下的条件：( 1 ) 要保证乘员足够的生存空间；( 2 ) 除乘坐室以 外的车体结构部分尽可能的多变形，以合理地吸收碰撞能量，使得作用于乘员身 体上的力和加速度值不超过人体的耐受极限，避免人体器官受到伤害而导致伤亡。 变f 值 行人 碰撞 图3 1 前碰撞理想变形特性 为满足上述基本要求，设计的第一步要使乘坐室的结构刚度大于车辆前部变 形区域的刚度，通过整车结构的刚度匹配及采用特殊的传递路径使之达到相应的 指标限值；而对于碰撞变形区域，除了尽可能多地吸收撞击能量外，其变形模式 及变形特性等要满足一定的要求，在低速碰撞时，车辆的变形及变形力值都较小， 以保护行人或车辆自身；当发生中等速度的碰撞时，变形力值应尽量均匀，以最 大限度地降低碰撞加速度峰值；而当发生高速碰撞时，从悬架到车身前围板之间 的变形力应急剧上升，以阻止变形扩展到乘坐室，危害车内司乘人员，这种理想 1 6 硕l ：学位论文 的前碰撞变形特性如图3 1 所示。 3 2 新型碰撞缓冲吸能装置的方案和结构设计 3 2 1 设计原理 汽车的碰撞吸能过程是一个将碰撞能量转化为变形能及其它形式能量的过 程，为简化起见，忽略其它形式的能量消耗，则碰撞前汽车的动能将等于碰撞过 程中碰撞力所做的功，即： w = f f ( t ) d s ( 3 1 ) 在汽车动能( w ) 一定时，通过增加碰撞力作用距离i d s 可以减小碰撞力f ( t ) 。即 j 碰撞变形长度越长，则碰撞作用力可以减小，同时，乘员承受的碰撞加速度也可 以减小。 然而，从保护乘员生存空间的角度考虑，车辆的前部吸能区域不能发生过大 的变形，即变形量需控制在一定的范围之内，否则会导致发动机、变速箱、转向 机构等刚性部件侵入驾驶室，直接挤压车内司乘人员而导致伤亡。同时，考虑到 环境保护、燃油经济性、汽车轻量化等因素，越来越多的紧凑型汽车受到市场的 青睐，这些车型前部变形吸能空间通常较小，要达到既减少碰撞作用力，又使车 辆本体结构不发生过大变形，一种有效的措施是将变形吸能空间拓展到车体外部， 达到增加碰撞变形长度，延长碰撞时间历程的目的。 保 险 杠 图3 2 新型吸能装置设计原理图 根据上述工作原理，本文在汽车前纵梁与前保险杠之间设计了一套可伸缩的 辅助吸能装置( 如图3 2 所示) 。汽车停车或正常行驶时，辅助吸能装置缩回于前 纵梁内部。当车辆高速行驶或遇到