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[车身设计及集成] 汽车车身耐撞性和碰撞相容性研究

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发表于 2020-6-12 09:49:11 | 显示全部楼层 |阅读模式

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汽车车身耐撞性和碰撞相容性研究

冉滔1,宋刚2,谢文举1,杨冰1

(1.重庆交通大学 机电与车辆工程学院,重庆 400074;2.61255 部队保障部,北京 100000)

【中国汽车材料网】摘 要:车身耐撞性和碰撞相容性体现的是汽车的基本安全因素指标,通过对现有汽车碰撞实验所体现出的耐撞性、相容性和吸能性优化建模仿真,提高车内自身安全装置和提升小质量汽车刚度、降低大质量汽车刚度,以达到提高汽车整体安全系数的效果。
关键字:耐撞性;碰撞相容性;吸能性


前言
汽车的安全指标一般以汽车的耐碰撞性和碰撞相容性以及事故对乘客伤害程度来评判,以上指标主要衡量的是汽车的安全性。当车与车发生碰撞时和发生碰撞后,通过汽车车身吸能性能和汽车的自身防碰撞能力对车内成员及对方车内乘员的保护作用。

1 汽车碰撞类型及发生率
对于不同类型的碰撞事故对于乘客的伤害程度也有所差别,本文主要研究两车相撞时可能存在的情况以及产生的危害。两车相撞一般又可分为三种情况,正面相撞、侧面相撞以及追尾事故,每种事故的发生概率和致命率如表1 所示。
表1 两车发生碰撞事故概率与致命率

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由表可以看出正面碰撞的事故发生率相对较低,但致命率却比较高。虽然各类事故的发生概率随着地域不同,时间不同,都存在一定的差异,但事故类型与致命率有着一定的对应关系,这对于车身结构设计有一定的借鉴意义。
2 汽车碰撞安全性指标
2.1 耐撞性
汽车车身耐撞性是指汽车本身在遭受碰撞时保护自身车体和车内人员安全的能力。汽车碰撞过程是一个动态大变形和大位移的能量损失过程,在此过程中,瞬时冲击荷载和接触方式影响着整车的变形和位移程度,并且整个碰撞系统在碰撞过程中所产生的几何变形和车身材料变形都是非线性的。本文主要通过建立汽车变形过程中的LMS 模型对汽车的正面碰撞过程做简单分析。如图1 是汽车正面相碰撞的LMS 模型。
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图1 汽车正面碰撞LMS 模型



由图可以看出当两车相撞时,不仅仅是外部结构的变形,对于车体内部结构也有很大影响,所以在进行汽车设计时要着重考虑汽车内部构架的耐撞性。现代的很多汽车已经考虑到这个问题,对于汽车底盘等构件进行了加固保护,从汽车的材料、结构都有了进一步的措施。LMS 模型有较好的理论基础,运行速度快,所以在运用得当的前提下,这种模型对于汽车理念设计有很大的启发作用,对于汽车整体参数的设计研究也可以作为参考。
2.2 相容性
碰撞相容性是指在两车碰撞事故中,两车能够达到质量、刚度、几何结构上的相容,既可以保护自身车内乘客安全,同时也能保护对方车辆上的乘客安全。
2.2.1 影响碰撞相容性因素分析
(1)在相同的构造和相同的刚性结构的前提下,质量不同的两个车发生碰撞,质量重的汽车会处于优势,相对于质量轻的车来说,质量重的汽车发生变形小,驾驶室遭受破坏小,因此车内乘客所遭受的伤害较小。质量轻的汽车受到来至质量重的汽车的破坏大多会造成汽车严重变形,车内乘员也比较危险。
(2)在已有的研究报告中可见,当碰撞的辆汽车拥有相同的质量和相同的速度时,汽车碰撞部位的最大变形量与车自身刚度成反比。假设大车前部刚度较大,在与小车碰撞时,即使两车发生的碰撞刚度不大,大车对于小车的破坏也很大,小车在接触出也会出现较大的变形量。
(3)对于汽车的几何外形的设计最终最重要是汽车所能行驶的最大高度。当行车高度不同的两车相撞时,两辆车的前部碰撞部位的受力结构会产生纵向错离,这对于行车高度低的车辆来说是由几何外形原因所造成的最严重的碰撞情况,会使其出现钻底现象。
2.2.2 相容性理论分析
(1)作用力平均高度影响评估
如图2 所示为作用力高度示意图,利用作用力在车身的作用点所产生的效果用平均高度的力值来代替:
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图2 碰撞作用力分布情况及作用高度示意图


计算公式为:
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在该式中F(t)表示某时间点时某单位作用力的合力;HOF(t)——某时间点的等效力F(t)作用高度,其中:
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Fi 表示不同时间点各测力单元单独作用的碰撞力;Hi 表示Fi 距地面高度。
(2)作用力均衡性评估
汽车碰撞产生的作用力均衡评估是为了评判汽车在碰撞时局部接触点所产生的作用力分布格局是否均衡。通过对汽车受载荷部件进行分析,得到载荷元件载荷峰值fij 和目标载荷元件所受峰值L 之间的相对变化参数来表示均衡度,关系式为:
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表达式中,Fcr,Fr,Fc 表示测试车辆总体、水平以及垂直方向作用力的分布。
2.3 吸收能量性
对于汽车而言,吸能性也是至关重要的一个评价指标。吸能效果的好坏直接影响汽车在发生碰撞过程中受到的破坏程度。汽车的吸能性主要是由车身结构、车身材料、外部冲击载荷形式所决定的。例如在汽车发生正面撞击时,车前保险杆此时就充当吸能元件。因此,合理有效的设计和优化吸能参数显得尤为重要。
2.3.1 基于现有吸能元件的优化设计
增加汽车的吸能效应一般通过在车身安装吸能元件,但综合考虑到现如今汽车的轻量化设计理念,增加吸能元件的时的行驶速度应不超过某个临街峰值。假设汽车上横梁板厚为ζ1,下纵梁上下板厚分别为ζ2,ζ3 时对应着速度达到峰值,E 表示汽车吸能总量,m 表示汽车的总质量,a 表示汽车的加速度峰值,建立多目标优化数学模型:
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通过计算机辅助设计得出优化前后的吸能对比和加速度对比,如图3 所示。
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图3 优化前后吸能、速度对比


3 改善碰撞相容性措施
改善碰撞相容性可以从两个方面进行改进。
(1)对于质量大的汽车降低其碰撞刚度,提高小质量车的碰撞刚度。可以通过提升小质量车的自身刚度来抵抗撞击同时降低大质量车的刚度来减少对小质量车的冲击。
(2)加强车内措施保护车内乘员。安全气囊也是一种很好的保护措施,但现在大多数商用车和普通民用车安全气囊并没有普及,对于小质量车更应该配备安全气囊以保证车内乘客安全。


4 结语
现如今的汽车趋于多元化,为买车族提供了更多的选择。无论是哪款车首先应该注重的是汽车的安全性,应更多的关注汽车在耐撞性、碰撞相容性以及吸能性方面的参数。制车厂也应该更加注重这方面的研究,提高出行安全系数。


参考文献
[1] 孙凌玉.车身结构轻量化设计理论、方法与工程实例[M].北京:国防工业出版社,2010:84-118.
[2] 孙光永,李光耀,钟志华,张勇.基于序列响应面法的汽车结构耐撞性多目标粒子群优化设计[J].机械工程学报,2009,45(2):228-229.
[3] 雷雨成,严斌,程昆.汽车的碰撞相容性研究[J].汽车科技,2004,(1):6-7.




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