商用车吸能型前下部设计

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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

1．1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，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~<400mm。图2给出了在规定静载荷作用下测得的前防护装置变形图。表1列出了P1、P2及P3加载点处的最大水平位移。从表1可以看出，Pl、P2和P3加载点处的水平位移均大于400mm，不符合法规要求，表明其前端防护刚度不足。

1．2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56km／h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25．9kJ，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

2．1支架结构设计

考虑到原防护装置支架刚度不足，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。

2．1．1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，单元边长为10mm。材料弹性模量为2．1×10MPa，泊松比为0．3，密度为7．8×10kg／1TI。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0．5，设计变量是单元密度。

2．1．2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0．3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60mm×60ram，3的截面为60ram×40ram，考虑到需要对厚度进行参数优化，厚度设稍大一一图7拓扑优化后的支架结构些，初始值均为7mm，材料屈服极限为189MPa。

2．1．3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1''''2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0．4mm。图9给出了支架质量的迭代历史，优化前支架质量为12．1lkg，优化后为6．87kg，质量减轻了43．27％。

2．2吸能器结构设计

为了使设计的防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85mm×85mm。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。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65km／h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90km／h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。

4．1吸能式前下部防护装置阻挡功能

在90km／h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38．5g(见图13)，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90km／h极限碰撞速度下可以较好地提高乘员生存率。图1390km／h碰撞速度时轿车车体B柱下部减速度

4．2吸能式前下部防护装置缓冲吸能功能

碰撞速度为56和65km／h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65km／h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，通过褶皱压缩变形消耗碰撞能量。相比拓扑优化与参数优化前，该吸能型前下部防护装置减轻了质量。设计的防护装置满足法规ECER93要求，并且表现出良好的碰撞相容性。下一步将着重考虑商用车防护下部离地高度，以及轿车的车头形状等因素对防护装置的阻挡与吸能效果的影响，提高所设计防护装置的实际应用价值。