商用车吸能型前下部设计_优秀论文

1、 商用车吸能型前下部设计在轿车与重型商用车迎面碰撞过程中, 由于两者高度的明显差异, 轿车极易钻入商用车底部, 给轿车乘员造成致命伤害。因此重型商用车必须装备前防护装置。欧洲现行法规ECER93和我国正准备实施的商用车前下部防护要求强制性标准(主要借鉴ECER93法规)规定了前防护装置刚度的下限, 但是如果前防护装置设计过于刚硬, 那么前防护装置在碰撞过程中将起不到缓冲吸能的作用, 即前防护装置碰撞相容性不好, 轿车仍将处于劣势。文献2中研究的前防护装置主要通过盒形梁的折叠压缩吸收碰撞能量, 满足了ECER93法规的要求。文献3中将低保险杠作为商用车前下防护装置, 大大改善了商用车和轿车碰撞相

2、容性。文献4中通过多刚体软件MADYMO建立了商用车前防护装置与轿车迎面碰撞仿真模型, 对设计的吸能型前防护结构进行了分析。本文中对某商用车原有前下部防护装置进行ECER93法规的验证, 找出不足之处, 据此设计了一种新型商用车前防护装置。该防护装置不仅具有碰撞阻挡功能, 也能起到缓冲吸能的效果。1某商用车前下部防护装置性能分析11原车前防护装置的法规验证某商用车前防护装置的三维模型如图1所示。该前防护装置主要包括：横梁和支架两部分。支架上端通过螺栓与货车纵梁相连, 支架下端通过焊接的方式与横梁相连。考虑到减轻支架质量, 在支架上开了孔洞。图1原车前防护装置的3D模型为考核该防护装置的防护功能

3、, 按ECER93对其进行法规验证。ECER93法规对防护装置刚度的要求具体体现在加载点的变形上。它规定, 在3个点(P1、P2及P3点)上施加规定的静载荷, 在各施力点处测得的变形所引起的水平位移12轿车与原车前防护装置碰撞仿真分析建立轿车前端与商用车前防护装置碰撞仿真模型, 轿车以56kmh的速度撞击固定的原车前防护装置。图3给出了120ms时的碰撞仿真结果, 整个碰撞过程中, 前防护装置吸收能量259kJ, 由图中可以看出, 原防护装置未起到阻挡作用, 轿车直接钻入商用车底部, 并且商用车车架侵人轿车前风窗玻璃。2吸能型前下部防护装置结构设计21支架结构设计考虑到原防护装置支架刚度不足,

4、 本文中采用拓扑优化方法设计防护支架结构。拓扑优化的最大优点是能在结构拓扑形状未定的情况下, 根据已知边界条件和载荷条件确定比较合理的结构形式, 可用于全新产品的概念设计。对于连续结构拓扑优化, 常用的方法有：均匀法、变密度法和渐进结构优化法等。本文中采用变密度法对前端防护支架进行拓扑优化, 其基本思想是引入一种假想的在0, 1之问的密度可变材料, 将连续结构体进行有限元离散, 每个单元的密度作为设计变量, 将结构的拓扑优化问题转化为单元材料的最优分布问题。211拓扑优化有限元模型的建立建立高400mm、宽400mm、厚60ram的有限元模型作为支架, 如图4所示, 采用六面体实体单元划分,

5、单元边长为10mm。材料弹性模量为2110MPa, 泊松比为03, 密度为7810kg1TI。支架上端固定, 右下端施加一均布力。设置拓扑优化的设计目标是支架的应变能最小(刚度最大), 约束条件是优化后支架的体积分数小于05, 设计变量是单元密度。212拓扑优化结构设计目标函数经过21次迭代后收敛, 图5给出了优化结果的密度云图, 图6给出了相对密度为03以上的密度结果等值面图。布, 据此可以重新设计支架的结构, 如图7所示的“倒2A”字型支架。支架由3根空心型钢构成, 1和2的截面为60mm60ram, 3的截面为60ram40ram, 考虑到需要对厚度进行参数优化, 厚度设稍大一一图7拓扑

6、优化后的支架结构些, 初始值均为7mm, 材料屈服极限为189MPa。213支架结构的参数优化将3根钢管的厚度作为设计变量, 在支架1的下端施加与法规规定的12点加载力相等的水平力160kN, 考虑到在低速碰撞工况下, 由支架前端的吸能器先发生压溃变形吸收能量, 支架几乎不发生变形, 本文中设置支架1下端水平位移小于1mm。设计目标为模型质量最小, 目标函数经过6次迭代收敛。图8给出了3个厚度变量的迭代历史。优化后支架1、2、3的厚度分别为4、5和04mm。图9给出了支架质量的迭代历史, 优化前支架质量为121lkg, 优化后为687kg, 质量减轻了4327。22吸能器结构设计为了使设计的防

7、护装置在与轿车迎面碰撞中更多地吸收能量, 在支架前端设计了薄壁吸能部件, 见图1O。根据吸能器吸收能量与压溃反力, 本文中将吸能器长度设定为192mm, 变形引导槽深度为3mm, 截面大小设计为85mm85mm。考虑到吸能器处于悬臂状态, 在吸能器与支架之间设计了。3吸能型前下部防护装置ECER93法规验证按照ECER93法规要求对新设计的防护装置进行了验证, P1、P2和P3施力点水平位移结果如表2所示。其中防护装置下边缘离地高度为390mm。从表2可以看出, 各施力点处的水平最大位移均小于400ram, 满足ECER93法规要求。同时, 两P1点之间防护的下边缘离地高度也小于450ram。

8、因此该防护装置满足ECER93法规要求。4、吸能型前下部防护装置与轿车碰撞仿真结果分析为了进一步考察该防护装置阻挡与缓冲吸能功能, 将其与轿车进行了正面碰撞试验仿真。除了考虑轿车分别以56和65kmh的速度撞击固定的前防护装置两种碰撞工况外, 还进行轿车90kmh极限速度下与前防护装置的碰撞仿真模拟, 以考察该前防护装置在极限速度下提高乘员生存率的能力。41吸能式前下部防护装置阻挡功能在90kmh碰撞速度下, 轿车达到最大钻入量时的碰撞结果如图12所示, 由于支架变形较大, 轿车的钻人量为640ram, 可以看到轿车前风窗玻璃离商用车车架还有一段距离, 另外车体B柱下部减速度为385g(见图1

9、3), 轿车前围板最大侵人量为278mm, 这些都表明该吸能型前防护装置在90kmh极限碰撞速度下可以较好地提高乘员生存率。图1390kmh碰撞速度时轿车车体B柱下部减速度42吸能式前下部防护装置缓冲吸能功能碰撞速度为56和65kmh时, 测得车体B柱下部减速度如图14所示。餐时间s图14两种碰撞速度时轿车车体B柱下部减速度从图14中可看出, 在56和65kmh实车正面碰撞时, 车体B柱下部减速度都不大, 小于30g, 表明所设计的前下部防护装置具有较好的缓冲吸能功能, 可减轻对碰撞车辆车内乘员的伤害。5结论按现行法规ECER93和我国准备实施的商用车前下部防护要求强制性标准, 对前防护板式支架结构进行了重新设计, 设计实现了“倒A”字型支架, 并在支架前端加入碰撞缓冲部件盒形梁, 通过褶皱压