導(dǎo)語：商用車吸能型前下部設(shè)計一文來源于網(wǎng)友上傳，不代表本站觀點，若需要原創(chuàng)文章可咨詢客服老師，歡迎參考。

在轎車與重型商用車迎面碰撞過程中，由于兩者高度的明顯差異，轎車極易鉆入商用車底部，給轎車乘員造成致命傷害。因此重型商用車必須裝備前防護(hù)裝置。歐洲現(xiàn)行法規(guī)ECER93…和我國正準(zhǔn)備實施的《商用車前下部防護(hù)要求》強制性標(biāo)準(zhǔn)(主要借鑒ECER93法規(guī))規(guī)定了前防護(hù)裝置剛度的下限，但是如果前防護(hù)裝置設(shè)計過于剛硬，那么前防護(hù)裝置在碰撞過程中將起不到緩沖吸能的作用，即前防護(hù)裝置碰撞相容性不好，轎車仍將處于劣勢。文獻(xiàn)[2]中研究的前防護(hù)裝置主要通過盒形梁的折疊壓縮吸收碰撞能量，滿足了ECER93法規(guī)的要求。文獻(xiàn)[3]中將低保險杠作為商用車前下防護(hù)裝置，大大改善了商用車和轎車碰撞相容性。文獻(xiàn)[4]中通過多剛體軟件MADYMO建立了商用車前防護(hù)裝置與轎車迎面碰撞仿真模型，對設(shè)計的吸能型前防護(hù)結(jié)構(gòu)進(jìn)行了分析。本文中對某商用車原有前下部防護(hù)裝置進(jìn)行ECER93法規(guī)的驗證，找出不足之處，據(jù)此設(shè)計了一種新型商用車前防護(hù)裝置。該防護(hù)裝置不僅具有碰撞阻擋功能，也能起到緩沖吸能的效果。

1某商用車前下部防護(hù)裝置性能分析

1．1原車前防護(hù)裝置的法規(guī)驗證

某商用車前防護(hù)裝置的三維模型如圖1所示。該前防護(hù)裝置主要包括：橫梁和支架兩部分。支架上端通過螺栓與貨車縱梁相連，支架下端通過焊接的方式與橫梁相連。考慮到減輕支架質(zhì)量，在支架上開了孔洞。圖1原車前防護(hù)裝置的3D模型為考核該防護(hù)裝置的防護(hù)功能，按ECER93對其進(jìn)行法規(guī)驗證。ECER93法規(guī)對防護(hù)裝置剛度的要求具體體現(xiàn)在加載點的變形上。它規(guī)定，在3個點(P1、P2及P3點)上施加規(guī)定的靜載荷，在各施力點處測得的變形所引起的水平位移~<400mm。圖2給出了在規(guī)定靜載荷作用下測得的前防護(hù)裝置變形圖。表1列出了P1、P2及P3加載點處的最大水平位移。從表1可以看出，Pl、P2和P3加載點處的水平位移均大于400mm，不符合法規(guī)要求，表明其前端防護(hù)剛度不足。

1．2轎車與原車前防護(hù)裝置碰撞仿真分析

建立轎車前端與商用車前防護(hù)裝置碰撞仿真模型，轎車以56km／h的速度撞擊固定的原車前防護(hù)裝置。圖3給出了120ms時的碰撞仿真結(jié)果，整個碰撞過程中，前防護(hù)裝置吸收能量25．9kJ，由圖中可以看出，原防護(hù)裝置未起到阻擋作用，轎車直接鉆入商用車底部，并且商用車車架侵人轎車前風(fēng)窗玻璃。

2吸能型前下部防護(hù)裝置結(jié)構(gòu)設(shè)計

2．1支架結(jié)構(gòu)設(shè)計

考慮到原防護(hù)裝置支架剛度不足，本文中采用拓?fù)鋬?yōu)化方法設(shè)計防護(hù)支架結(jié)構(gòu)。拓?fù)鋬?yōu)化的最大優(yōu)點是能在結(jié)構(gòu)拓?fù)湫螤钗炊ǖ那闆r下，根據(jù)已知邊界條件和載荷條件確定比較合理的結(jié)構(gòu)形式，可用于全新產(chǎn)品的概念設(shè)計。對于連續(xù)結(jié)構(gòu)拓?fù)鋬?yōu)化，常用的方法有：均勻法、變密度法和漸進(jìn)結(jié)構(gòu)優(yōu)化法等。本文中采用變密度法對前端防護(hù)支架進(jìn)行拓?fù)鋬?yōu)化，其基本思想是引入一種假想的在[0，1]之問的密度可變材料，將連續(xù)結(jié)構(gòu)體進(jìn)行有限元離散，每個單元的密度作為設(shè)計變量，將結(jié)構(gòu)的拓?fù)鋬?yōu)化問題轉(zhuǎn)化為單元材料的最優(yōu)分布問題。

2．1．1拓?fù)鋬?yōu)化有限元模型的建立建立高400mm、寬400mm、厚60ram的有限元模型作為支架，如圖4所示，采用六面體實體單元劃分，單元邊長為10mm。材料彈性模量為2．1×10MPa，泊松比為0．3，密度為7．8×10kg／1TI。支架上端固定，右下端施加一均布力。設(shè)置拓?fù)鋬?yōu)化的設(shè)計目標(biāo)是支架的應(yīng)變能最小(剛度最大)，約束條件是優(yōu)化后支架的體積分?jǐn)?shù)小于0．5，設(shè)計變量是單元密度。

2．1．2拓?fù)鋬?yōu)化結(jié)構(gòu)設(shè)計目標(biāo)函數(shù)經(jīng)過21次迭代后收斂，圖5給出了優(yōu)化結(jié)果的密度云圖，圖6給出了相對密度為0．3以上的密度結(jié)果等值面圖。布，據(jù)此可以重新設(shè)計支架的結(jié)構(gòu)，如圖7所示的“倒2A”字型支架。支架由3根空心型鋼構(gòu)成，1和2的截面為60mm×60ram，3的截面為60ram×40ram，考慮到需要對厚度進(jìn)行參數(shù)優(yōu)化，厚度設(shè)稍大一一圖7拓?fù)鋬?yōu)化后的支架結(jié)構(gòu)些，初始值均為7mm，材料屈服極限為189MPa。

2．1．3支架結(jié)構(gòu)的參數(shù)優(yōu)化將3根鋼管的厚度作為設(shè)計變量，在支架1的下端施加與法規(guī)規(guī)定的1''''2點加載力相等的水平力160kN，考慮到在低速碰撞工況下，由支架前端的吸能器先發(fā)生壓潰變形吸收能量，支架幾乎不發(fā)生變形，本文中設(shè)置支架1下端水平位移小于1mm。設(shè)計目標(biāo)為模型質(zhì)量最小，目標(biāo)函數(shù)經(jīng)過6次迭代收斂。圖8給出了3個厚度變量的迭代歷史。優(yōu)化后支架1、2、3的厚度分別為4、5和0．4mm。圖9給出了支架質(zhì)量的迭代歷史，優(yōu)化前支架質(zhì)量為12．1lkg，優(yōu)化后為6．87kg，質(zhì)量減輕了43．27％。

2．2吸能器結(jié)構(gòu)設(shè)計

為了使設(shè)計的防護(hù)裝置在與轎車迎面碰撞中更多地吸收能量，在支架前端設(shè)計了薄壁吸能部件，見圖1O。根據(jù)吸能器吸收能量與壓潰反力，本文中將吸能器長度設(shè)定為192mm，變形引導(dǎo)槽深度為3mm，截面大小設(shè)計為85mm×85mm。考慮到吸能器處于懸臂狀態(tài)，在吸能器與支架之間設(shè)計了。

3吸能型前下部防護(hù)裝置ECER93法規(guī)驗證

按照ECER93法規(guī)要求對新設(shè)計的防護(hù)裝置進(jìn)行了驗證，P1、P2和P3施力點水平位移結(jié)果如表2所示。其中防護(hù)裝置下邊緣離地高度為390mm。從表2可以看出，各施力點處的水平最大位移均小于400ram，滿足ECER93法規(guī)要求。同時，兩P1點之間防護(hù)的下邊緣離地高度也小于450ram。因此該防護(hù)裝置滿足ECER93法規(guī)要求。

4、吸能型前下部防護(hù)裝置與轎車碰撞仿真結(jié)果分析

為了進(jìn)一步考察該防護(hù)裝置阻擋與緩沖吸能功能，將其與轎車進(jìn)行了正面碰撞試驗仿真。除了考慮轎車分別以56和65km／h的速度撞擊固定的前防護(hù)裝置兩種碰撞工況外，還進(jìn)行轎車90km／h極限速度下與前防護(hù)裝置的碰撞仿真模擬，以考察該前防護(hù)裝置在極限速度下提高乘員生存率的能力。

4．1吸能式前下部防護(hù)裝置阻擋功能

在90km／h碰撞速度下，轎車達(dá)到最大鉆入量時的碰撞結(jié)果如圖12所示，由于支架變形較大，轎車的鉆人量為640ram，可以看到轎車前風(fēng)窗玻璃離商用車車架還有一段距離，另外車體B柱下部減速度為38．5g(見圖13)，轎車前圍板最大侵人量為278mm，這些都表明該吸能型前防護(hù)裝置在90km／h極限碰撞速度下可以較好地提高乘員生存率。圖1390km／h碰撞速度時轎車車體B柱下部減速度

4．2吸能式前下部防護(hù)裝置緩沖吸能功能

碰撞速度為56和65km／h時，測得車體B柱下部減速度如圖14所示。餐時間／s圖14兩種碰撞速度時轎車車體B柱下部減速度從圖14中可看出，在56和65km／h實車正面碰撞時，車體B柱下部減速度都不大，小于30g，表明所設(shè)計的前下部防護(hù)裝置具有較好的緩沖吸能功能，可減輕對碰撞車輛車內(nèi)乘員的傷害。5結(jié)論按現(xiàn)行法規(guī)ECER93和我國準(zhǔn)備實施的《商用車前下部防護(hù)要求》強制性標(biāo)準(zhǔn)，對前防護(hù)板式支架結(jié)構(gòu)進(jìn)行了重新設(shè)計，設(shè)計實現(xiàn)了“倒A”字型支架，并在支架前端加入碰撞緩沖部件盒形梁，通過褶皺壓縮變形消耗碰撞能量。相比拓?fù)鋬?yōu)化與參數(shù)優(yōu)化前，該吸能型前下部防護(hù)裝置減輕了質(zhì)量。設(shè)計的防護(hù)裝置滿足法規(guī)ECER93要求，并且表現(xiàn)出良好的碰撞相容性。下一步將著重考慮商用車防護(hù)下部離地高度，以及轎車的車頭形狀等因素對防護(hù)裝置的阻擋與吸能效果的影響，提高所設(shè)計防護(hù)裝置的實際應(yīng)用價值。