基于RCAR試驗(yàn)的汽車低速碰撞性能設(shè)計(jì)

1、2009年(第31卷第12期汽車工程2009238基于RCAR試驗(yàn)的汽車低速碰撞性能設(shè)計(jì)陳現(xiàn)嶺,岳鵬,張凱(長城汽車股份有限公司技術(shù)研究院CAE部,保定071000摘要介紹了RCAR低速碰撞試驗(yàn)與評(píng)價(jià)方法,RCAR碰撞結(jié)果對(duì)車輛保險(xiǎn)費(fèi)用的影響以及車輛低速碰撞性能設(shè)計(jì)的思路和方法,并以長城某轎車為例,利用仿真方法,從碰撞能量計(jì)算、吸能彈簧單元和吸能盒結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)等方面具體闡述了車輛低速碰撞性能設(shè)計(jì)過程。關(guān)鍵詞:RCAR;低速碰撞性能;設(shè)計(jì)Vehicle Low Speed Crashworthiness Design Based on RCAR TestsChen Xianling.Yue Peng

2、&Zhang KaiR&D Center ofGWM,8d打lg071000AbstractRCAR low speed crash test and assessment procedure,the influence of RCAR impact results on vehicle insurance cost and the idea and method of vehicle low speed crashworthiness design are presented.Then taking a Great Wall cal"as example,by me

3、ans of simulation,the specific process of low speed crashworthiness design is expounded from the aspects of impact energy calculation and the designs of energyabsorbing spring unit and crash.can structure.Keywords:RCAR;low speed c陽shwoIrtlline鸚;design日J(rèn)吾汽車發(fā)生低速碰撞事故后,事故引起的車輛損失往往由保險(xiǎn)公司承擔(dān),因此保險(xiǎn)公司須對(duì)車輛進(jìn)行保險(xiǎn)等

4、級(jí)評(píng)估。目前,歐盟各國對(duì)車輛保險(xiǎn)評(píng)級(jí)方法不完全相同,但主要采用RCAR(research council for automobile repairs的正面碰撞、尾部碰撞試驗(yàn)進(jìn)行車輛低速碰撞性能評(píng)級(jí)。汽車保險(xiǎn)評(píng)級(jí)主要以這兩種碰撞試驗(yàn)結(jié)果作為依據(jù),再結(jié)合汽車和試驗(yàn)中損壞件的售價(jià)、維修工時(shí)、車輛性能等計(jì)算得到車輛最終保險(xiǎn)等級(jí)。一般保險(xiǎn)等級(jí)為數(shù)字與字母的組合,如25A,其中A代表的是車輛防盜性能,25代表的就是低速碰撞成績。作者主要針對(duì)RCAR低速碰撞試驗(yàn)闡述車輛低速碰撞性能的設(shè)計(jì)過程。1RCAR試驗(yàn)簡介1.1正面碰撞正面碰撞車輛準(zhǔn)備與ECE R94基本一致。試驗(yàn)車質(zhì)量為整備質(zhì)量加上一個(gè)75kg的駕

5、駛員質(zhì)量;碰撞點(diǎn)位置為車輛前部40%寬度處;試驗(yàn)速度為15:0km/h;試驗(yàn)壁障高度應(yīng)高于試驗(yàn)車輛,幾何尺寸要求如圖1所示;壁障要求為不可變形的剛性壁障;碰撞側(cè)為駕駛員側(cè)。USEJ40%重疊度日為整車寬度圓角療=150mm助試驗(yàn)車輛一=10。原稿收到日期為2009年9月28日,修改稿收到日期為2009年lO月27日。圖1RCAR正面碰撞試驗(yàn)萬方數(shù)據(jù)1166汽車工程2009年(第3l卷第12期1.2尾部碰撞1】尾部碰撞試驗(yàn)方法如圖2所示,試驗(yàn)車輛狀態(tài)與正碰基本一致。MB為可移動(dòng)剛性壁障;壁障距地高度H=700±10mm;h=200±10mm;助試驗(yàn)車輛;連續(xù)圓角R=I50mm

6、;連續(xù)圓角r=50mm;Ut-j40%重疊度;B為整車寬度圖2RCAR尾部碰撞試驗(yàn)駕駛員側(cè)須放置一個(gè)75kg碰撞假人;車輛與碰撞臺(tái)車行進(jìn)方向成10。角擺放;碰撞點(diǎn)位置為車輛尾部40%寬度處;碰撞側(cè)為乘員側(cè)尾部;車輛手制動(dòng)處于松開位置;試驗(yàn)速度為15:jkm/h;臺(tái)車要求為不可變形的剛性壁障,臺(tái)車質(zhì)量為(1400±5kg?；蛘呖蛇x擇將車輛倒置后用尾部撞擊剛性壁障的方法,此時(shí)車輛的撞擊速度為口:15×/(1 朋.1+0001000式中:肘是試驗(yàn)車輛質(zhì)量。2RCAR設(shè)計(jì)思路及方法2.1設(shè)計(jì)思路RCAR測試最終的評(píng)價(jià)結(jié)果是保險(xiǎn)等級(jí),而其中的數(shù)字部分由低速碰撞結(jié)果確定,通常根據(jù)試驗(yàn)車

7、新車售價(jià)、損壞件零部件價(jià)格及維修費(fèi)用、車輛性能(包括100km加速時(shí)間,最大轉(zhuǎn)矩,最高車速、整車質(zhì)量等參數(shù)經(jīng)計(jì)算得到保險(xiǎn)等級(jí)數(shù)字部分。而將車輛修復(fù)至試驗(yàn)前狀態(tài)所需的費(fèi)用通常占影響因素的70%。所以,盡量減少車輛在低速碰撞中的損壞程度是提高保險(xiǎn)等級(jí)最直接有效的方法。讓車輛保險(xiǎn)杠、防撞梁及吸能盒在低速碰撞中起到充分的吸能作用,使縱梁及車身部分不至損壞,是最合理的思路,針對(duì)低速碰撞有以下設(shè)計(jì)原則【2:(1安全氣囊應(yīng)在所有RCAR低速碰撞測試中都不起爆;(2應(yīng)設(shè)計(jì)出螺栓連接的能充分吸收碰撞能量的吸能盒結(jié)構(gòu);(3保險(xiǎn)杠應(yīng)盡量避免與翼子板剛性連接,合理設(shè)計(jì)二者的分縫線;(4前懸架安裝支座及擋泥板長度不應(yīng)超

8、過吸能盒,避免低速碰撞中使其損壞;(5水箱框架一般設(shè)計(jì)成活裝結(jié)構(gòu),以便拆換;(6后備門、尾燈應(yīng)設(shè)計(jì)合理的離地高度,避免試驗(yàn)中損壞;(7合理設(shè)計(jì)前部分縫線,避免低速碰撞造成機(jī)艙蓋損壞;(8充分考慮低速碰撞性能與行人保護(hù)性能的平衡。2.2設(shè)計(jì)方法有限元法在碰撞分析中的應(yīng)用已經(jīng)非常成熟。相比于試驗(yàn)法,應(yīng)用CAE工具可以提高設(shè)計(jì)精度,縮短設(shè)計(jì)周期和節(jié)省費(fèi)用。下面以長城某轎車為例,進(jìn)行RCAR尾部碰撞分析及優(yōu)化探討。車輛及碰撞臺(tái)車模型如圖3所示,碰撞結(jié)果如圖4所示。圖3長城某轎車RCAR尾部碰撞CAE模型 圖4低速尾部碰撞變形示意圖萬方數(shù)據(jù)由圖4可以看出,地板縱梁強(qiáng)度不足,碰撞中發(fā)生潰縮,而吸能盒沒有全

9、部壓潰,未能有效吸能,導(dǎo)致后圍、地板、后縱梁及側(cè)圍發(fā)生變形,顯然,這將導(dǎo)致非常高的維修費(fèi)用。(1碰撞能量計(jì)算要滿足地板縱梁側(cè)圍不變形,就是在碰撞壁障接觸后圍及后門前,碰撞結(jié)束(試驗(yàn)車與臺(tái)車相對(duì)速度為零。由此,可以根據(jù)式(2、式(3計(jì)算得到車輛需要吸收的能量G。m。%=(m。+m?？?(2一1,1,、,G2imIUi一i(mI+m。vf2二二÷掣i:一÷(弘q"mvf蘭生1(3二二、mI十mF,式中:m。為尾碰臺(tái)車質(zhì)量;q為臺(tái)車初始速度;m。為試驗(yàn)車質(zhì)量;穢,為碰撞結(jié)束后臺(tái)車及試驗(yàn)車速度。轎車質(zhì)量為1040kg,試驗(yàn)臺(tái)車速度為16km/h,根據(jù)式(3可得到車輛吸收的

10、能量G=5881J(2吸能彈簧單元設(shè)計(jì)要保證除防撞梁及吸能盒損壞外,其它零部件不損壞;吸能盒應(yīng)能吸收車輛需要吸收的全部能量。吸能盒可假設(shè)為一個(gè)彈簧單元結(jié)構(gòu),則:G=FS(4式中:F為彈簧的作用力;Js為彈簧的壓縮距離。由于要求地板縱梁不損壞,所以必須考慮到地板縱梁和防撞梁安裝結(jié)構(gòu)處能承受的最大沖擊力。由初始結(jié)果可知在后縱梁最先破壞處(見圖5最大撞擊力為77kN時(shí),材料發(fā)生屈服變形。因此,要保證后縱梁不被破壞,吸能盒作用力應(yīng)小于77kN,考慮1.3安全系數(shù),定義吸能盒能承受最大作用力為童雜值罐圖5后縱梁變形位置及截面力曲線60kN。根據(jù)式(4可計(jì)算出所需的吸能空間S= 0.098m。吸能盒在軸向

11、壓潰過程中,實(shí)際都會(huì)產(chǎn)生堆棧,通常堆棧量會(huì)占到壓潰距離的15%,則吸能盒長度為0.1153m。該轎車實(shí)際吸能盒長度大于圖6可利用的變0.1153m(圖6,因此無形空間測量須增加防撞梁與后圍的距離,可通過合理設(shè)計(jì)吸能盒滿足吸能要求。建立的尾撞模型見圖7,用彈簧單元代替吸能盒結(jié)構(gòu),忽略保險(xiǎn)杠吸能。彈簧剛度曲線見圖8。圖7利用彈簧單元建立的尾撞模型100Z50裊。教.50-100jII廠一.愛?2551譬圖8彈簧單元?jiǎng)偠惹€模型計(jì)算結(jié)果如圖9所示,彈簧在碰撞結(jié)束前,變形合理,充分吸收碰撞能量且保證了碰撞壁障不會(huì)損壞后圍、后地板、后縱梁等部件。提取彈簧內(nèi)能時(shí)間圖9吸能彈簧單歷程曲線(圖10可看元結(jié)果示

12、意出,彈簧內(nèi)能在碰撞結(jié)束時(shí)達(dá)到最大值5.3kJ,彈簧單元力曲線如圖11所示,最大值為58kN,可看出力與能量曲線與理論計(jì)算基本一致。 汽車工程2009年(第31卷第12期罩刪箍髻螫掘教圖10彈簧單元內(nèi)能時(shí)間歷程曲線60Z50雜40星30椒20教10圖1l彈簧單元截面力時(shí)間歷程曲線根據(jù)設(shè)計(jì)經(jīng)驗(yàn)及工藝要求等設(shè)計(jì)出吸能盒初步結(jié)構(gòu)如圖12所示。搭建小模型以驗(yàn)證吸能盒的剛度。約束吸能盒后端,通過剛性墻壓潰吸對(duì)比,可以看出,吸能盒截面力與彈簧單元力相比平均值稍小,這是由于防撞梁在前20mm有吸能作用所致。吸能盒內(nèi)能與彈簧內(nèi)能對(duì)比曲線如圖16所示?？梢钥闯龃宋芎薪Y(jié)構(gòu)能達(dá)到充分吸能的作圖14吸能盒結(jié)構(gòu)用,與

13、彈簧單元起到相同在60m。狀態(tài)的吸能效果。7060Z50姜40恒30罐20lO其軸向平穩(wěn)潰縮。最終經(jīng)優(yōu)化后吸能盒厚度選取為1.4mm,材料選擇屈服強(qiáng)度為380MPa的鋼材。其截面力曲線如圖13所示。圖13吸能盒截面力時(shí)間歷程曲線將吸能盒安裝到碰撞模型中,計(jì)算得到碰撞結(jié)果見圖14?？梢钥闯?除吸能盒機(jī)構(gòu)破壞外,其他部件如側(cè)圍、地板、地板縱梁等都沒有損壞。圖15為吸能盒截面力與彈簧單元截面力曲線3結(jié)束語國內(nèi)自主品牌汽車已經(jīng)可以滿足包括歐盟各國的法規(guī)要求,但通過這些國家的強(qiáng)制法規(guī)是最低要求,NCAP及保險(xiǎn)等市場要求對(duì)某款車的銷售顯得至關(guān)重要。從世界范圍看,車輛保險(xiǎn)費(fèi)用高低與車輛低速碰撞受損、被盜而引

14、起的保險(xiǎn)風(fēng)險(xiǎn)是成正比的。RCAR相關(guān)測試在歐盟具有很大的影響力,是自主品牌汽車必須應(yīng)對(duì)的一種設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)。目前,國內(nèi)保險(xiǎn)公司收取的保險(xiǎn)費(fèi)用尚未參考這方面的內(nèi)容,但按保險(xiǎn)測試收取保險(xiǎn)費(fèi)用是一個(gè)必然的趨勢,針對(duì)低速碰撞性能設(shè)計(jì)的研究具有重要意義。參考文獻(xiàn)1Rear Test Protocol Angled BarrierR.Issue2.1RCAR,September2006.2Rcar Design GuideR.Version1.1RCAR,August 2008.萬方數(shù)據(jù) 基于RCAR試驗(yàn)的汽車低速碰撞性能設(shè)計(jì)作者:陳現(xiàn)嶺, 岳鵬, 張凱, Chen Xianling, Yue Peng, Zh

15、ang Kai作者單位:長城汽車股份有限公司技術(shù)研究院CAE部,保定,071000刊名: 汽車工程英文刊名:AUTOMOTIVE ENGINEERING年,卷(期:2009,31(12被引用次數(shù):0次參考文獻(xiàn)(2條1.Rear Test Protocol Angled BarrierIssue2.1 RCAR期刊論文- 20062.Rcar Design Guide期刊論文- 2008相似文獻(xiàn)(1條1.學(xué)位論文楊永生汽車保險(xiǎn)杠系統(tǒng)低速碰撞性能研究2009隨著世界汽車保有量的增加及道路交通傷害的不斷增多,提高汽車在碰撞事故中的被動(dòng)安全性能以及減少碰撞維修費(fèi)用成為汽車行業(yè)的重要任務(wù)。本文根據(jù)RCA

16、R法規(guī)要求與汽車保險(xiǎn)杠系統(tǒng)低速碰撞的特點(diǎn),采用動(dòng)態(tài)顯式有限元仿真技術(shù)對(duì)汽車保險(xiǎn)杠系統(tǒng)進(jìn)行低速耐碰撞性能研究,經(jīng)過對(duì)主要吸能組件吸能盒進(jìn)行一系列改進(jìn)使保險(xiǎn)杠系統(tǒng)滿足評(píng)價(jià)指標(biāo)要求。首先,根據(jù)汽車保險(xiǎn)杠系統(tǒng)低速碰撞的特點(diǎn),對(duì)碰撞仿真過程制定了詳細(xì)的評(píng)價(jià)指標(biāo),主要的評(píng)價(jià)參數(shù)有吸能特性、最大峰值力、平均撞擊力、壓縮位移與撞擊平穩(wěn)性等。其次,根據(jù)RCAR法規(guī)要求,使用三維建模軟件PRO/E建立汽車保險(xiǎn)杠系統(tǒng)幾何模型,主要包括保險(xiǎn)杠橫梁、吸能盒、前縱梁、車底架與車輪等。以HyperMesh為有限元建模平臺(tái),對(duì)三維幾何模型進(jìn)行修理、單元選擇與網(wǎng)格劃分、網(wǎng)格質(zhì)量檢查、材料定義、邊界條件定義、接觸定義、沙漏控制等,將保險(xiǎn)杠系統(tǒng)幾何模型轉(zhuǎn)換為有限元仿真基礎(chǔ)模型,導(dǎo)出LSDYNA3D格式的KEY文件。然后,使用LSDYNA3D對(duì)建立的有限元模型進(jìn)行求解,應(yīng)用HyperView對(duì)保險(xiǎn)杠系統(tǒng)有限元基礎(chǔ)模型進(jìn)行仿真分析,由對(duì)能量曲線與撞擊力位移曲線