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乘用车质心与碰撞性能关系的研究

1.引言

随着人们生活水平的不断提高,乘用车进入普通百姓的家庭已经是非常平常的事情,但是随着车辆不断的增多,车辆交通事故的发生频率也在不断地上升[1]。这些事故中,很多车看上去很高端、豪华,但是在事故中往往是车毁人亡,当然,糟糕的驾驶习惯及不遵章守法的观念是车祸的主要根源,但这里并不排除乘用车自身设计中存在的碰撞安全性能隐患。本文通过对比分析某权威碰撞安全性能机构的几个实车前部碰撞数据[2,3],如下图1、图2及图3所示,得出以下几点:

1〉碰撞中车身跳动高低对碰撞性能有影响;

2〉同级别车型,白车身重量接近底盘偏重,碰撞性能较好;

3〉质心偏高车型碰撞中前结构折弯角度大,相对小腿部得分较低。

    本文主要利用有限元简易小车模型进行模拟分析,重点模拟分析在不同质心下,整车的碰撞安全性能。

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2.有限元简易小车模拟 2.1 有限元简易小车模型建立

在有限元模拟碰撞分析中,通常采用一辆整车来进行。本文主要针对整车前部碰撞进行研究分析,因此在建立的简易小车模型将车身后部切除,刚化处理并进行配重,其中后轮及后悬部分保留(图4)。

QQ截图201602291017201

 

2.2 工况定义

 为了更好的验证质心位置的影响,本文根据各类型乘用车共列举了五种状态的质心位置,定义标准是:以Concept1(原车质心位置)为基准,向上80mm定义一阶,向下40mm定义一阶,详见图5、表1。

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模拟试验工况:C-NCAP正面100%重叠刚性壁障碰撞试验,运行时间为150ms。

2.3模拟分析数据对比

2.3.1碰撞中整车跳起最大高度视图对比

    碰撞中,由于各个状态下质心位置的不同,因此使后轮在碰撞过程中产生不同高度的跳起,具体如图6表2所示。

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对比五个状态的小车,Concept3质心位置最高,其对应的后轮跳起高度及后轮与地面夹角也是最大;而质心位置最低的Concept4,其对应的后轮跳起高度及后轮与地面夹角也是最小。从这一点的对比发现,质心位置的高低与发生正碰后后轮跳起高度及后轮与地面夹角存在关系。

2.3.2碰撞中kickdown(图7)折弯角度对比

    纵梁在正碰中是主要的载荷传递路径,因此承接纵梁与下部纵梁之间载荷传递的部位则在碰撞中的作用显的格外重要。其原因就在于kickdown折弯角度的大小对控制其他部位载荷传递及前围板侵入量起到直接影响的作用。具体折弯视图及数值如图8表3。

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    对比五种状态的折弯角度发现,质心位置最高的Concept3,其kickdown的折弯角度最小;质心位置最低的Concept4,其kickdown的折弯角度几乎与Concept3相同;而质心位置处于中间的Concept1在碰撞中,kickdown的折弯角度确是最大。如果单从这项数值分析发现,以Concept1为基准,质心向上、向下移动,折弯角都变小。

2.3.3前围板侵入量云图对比

    前围板侵入量的大小直接影响着碰撞中驾驶员与副驾驶员的腿部伤害情况,因此在前部正碰中有效的控制前围板的侵入量,是实验中前排假人腿部得到高分的一个重要环节。图9所示为五个质心状态下的前围板侵入量云图。

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    对比五种状态的前围板侵入量云图发现,以Concept1为基准,不论质心上移还是下移,前围板的侵入量都会减小。其中,质心位置最低的Concept4的前围板侵入量最小。虽然不能从这点对比发现质心位置与前围板侵入量的关系,但是对比kickdown折弯角,发现前围板侵入量与kickdown折弯角成正比关系,即纵梁与下部纵梁折弯角越大,其对应的前围板侵入量也越大。

2.3.4前舱主要部件载荷分布

载荷传递是考察车身结构好坏的重要依据,把载荷传递到承载能力强的部件上去,是有效控制变形的重要手段[4]。因此对比各主要部件承载力的变化是判断质心位置对碰撞影响的最关键部分。考察对比的截面及承载力如图10、表4。

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A-pillar对比显示,质心位置越高,载荷传递的越多;Floor_rail对比显示,质心位置越低,载荷传递越多;Frt_rail_frt对比显示,质心位置对纵梁前端承载力几乎没有影响;Mid_rail_frt受动力总成等因素的影响,承载力与质心位置关系表现的不是很明显;Rr_rail_frt整体呈质心位置越低承载力越大的趋势;Kickdown整体也呈质心位置越低承载力越大的趋势;Rocker对比显示,以Concept1为基准,质心位置向上、向下,承载力均呈下降的态势;Shotgun整体呈质心位置越高载荷向上传递愈多的趋势;Tunnel_frt对比显示,以Concept1为基准,质心位置向上、向下,承载力均呈上升态势。

3.质心点与各支撑点的关系

综合2.3.1的各项对比数值,很难发现质心位置高低与碰撞各数值及后轮跳起高度的内在

关系。下面就各位置的质心点与支撑点关系进行分析。

3.1质心点与纵梁前端接触点的关系

纵梁前端变形、承载及跳动,对正碰结果的好坏起到直接的影响,同时也是验证车身结构重要入手点。下图11所示为各质心点与纵梁前端位置。

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从视图看,Concept1的位置与纵梁前端点的位置几乎持平,所以在F反作用力下,Concept1在Z向是没有分力的;对比Concept1,Concept2和Concept3的位置都高于纵梁前端点的位置,因此这两种状态的下质心点位置都获得了一个+Z向的分力,促使车身后部向上运动,致使后轮跳动也相对较高;而Concept4、Concept5位置都低于纵梁前端点的位置,因此获得的都是-Z向的分力,迫使车身后部有个下压趋势。

3.2质心点与kickdown折弯角的关系

从2.3.2的对比介绍发现,kickdown折弯角与后轮跳起高度及质心位置都没有成一定比例的关系,下面就质心点与kickdown折弯角的关系近一步深化了解(图12)。

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在2.3.1的对比中发现,质心位置越高,后轮跳起高度越大。以Concept1为基准,Concept2和Concept3都是后部车身上跳的,因此载荷在传递时也会偏上端路线传递,在对比shotgun的载荷力时就发现,载荷力随质心上移而增加;并且在Concept2、Concept3的变形视图中发现,其A柱上端都有折弯现象发生,所以在Concept2与Concept3的载荷分布中,下端载荷就要低于Concept1的,并呈质心点越高,载荷上移越多的趋势;在Concept4、Concept5中,后轮跳起高度都低于Concept1,因此载荷分布会趋于向下,而通过对比纵梁后部、下部纵梁及中通道等关键截面力的情况发现,载荷力相比Concept1都有提高,因此得出质心位置越低,越有利于下部载荷传递。

4.结论  

综合上述几点的对比分析可以得出,在质心点的位置偏下的模型中,载荷传递、后轮跳起高度、前围板侵入量都要优于质心点偏上的。同时结合质心点位置与纵梁高度的因素,因此设计一款碰撞传力效率高、整车质心位置偏低的车身,是在前部碰撞实验中获得高分的关键,尤其在面对目前日益严格的碰撞法规就显得尤为重要了。

下一步笔者将就整车质心位置对侧面碰撞性能关系做进一步研究分析工作。

参考文献

[1] 公安部交通管理局. 中华人民共和国道路交通事故统计年报(1999-2008年度). 北京: 1999-2008, 10.

[2] 中华人民共和国机械局CMVDR294关于正面碰撞乘员保护的设计规则. 北京: 机械工业出版社, 1999.

[3] 肖悦. 汽车侧面碰撞结构仿真方法的研究. 合肥工业大学学报, 2007, 30(S1): 82-85

[4] NHTSA Plan for Achieving Harmonization of the U.S. and European Side Impact Standards. In: Report to Congress, NHTSA, April, 1997



(作者:奇瑞汽车股份有限公司 席艳秋 凌君玉 张敏 周明寒)