王新WANG Xin；张颖ZHANG Ying；高扬GAO Yang

（①天津职业大学汽车工程学院，天津 300410；②天津职业大学艺术工程学院，天津 300410；③中交华安科技（天津）有限公司，天津 300401）

0 引言

乘用车与专用汽车发生的追尾事故是最为严重的交通事故类型之一[1]，我国现行的施工、作业类专用汽车后下部防护装置基本为钢材或铝材焊接而成的框架结构，此结构仅符合GB 11567-2017规定的静态压力测试，但在实际追尾事故中，此结构难以有效吸收碰撞能量并阻止乘用车侵入车底，从而造成严重的人员伤亡和车辆损毁[2]。

近年来，国家及地方相关部门相继出台文件，严格要求从安全设施配备等方面强化道路施工、作业安全管理；依据法规中道路施工、作业车辆需加装防撞垫的要求，以及危化品运输车辆加装防撞垫的需求，防撞垫产品迎来市场的爆发期。

同时，目前国内市场主流单级式防撞垫产品，由于只包含单一吸能箱体，即使在轻度碰撞后也需整体更换，其性能缺陷难以满足市场多元化的应用需求，因此，多级吸能式防撞垫的研发与应用成为亟待解决的问题。

本文运用CAE碰撞仿真分析软件LS-dyna进行所设计多级吸能式防撞垫的碰撞仿真分析及优化，验证方案的碰撞性能参数并分析可行性。

1 吸能式防撞垫碰撞吸能原理

轿车追尾专用车辆造成乘员伤亡的原因包括挤压伤害及二次碰撞伤害。其中造成挤压伤害的原因为轿车过大的碰撞变形，导致发动机等刚性较大部件向后侵入驾驶室，乘员生存空间丧失；二次碰撞伤害是由于乘员与约束系统碰撞造成的，而二次碰撞伤害程度取决于碰撞加速度数值，过大的碰撞加速度将导致过大的伤害[3]。

吸能式防撞垫安装在专用车辆尾部，当轿车追尾专用车辆时，通过防撞垫内部吸能单元的轴向压溃变形吸收碰撞的能量，能够有效降低轿车的变形量及碰撞加速度，进而保护车内乘员的安全。

在被动安全领域，压溃变形是最有效的碰撞吸能方式，以下以单级吸能式防撞垫为例说明其结构及碰撞吸能原理，防撞垫包体内设置多层吸能单元，在碰撞过程中通过吸能单元的压溃变形吸收碰撞能量，通过多排吸能单元组合形成不同防撞等级系列化产品，吸能式防撞垫几何模型如图1所示，吸能式防撞垫内部吸能单元结构如图2所示。

图1吸能式防撞垫几何模型

图2吸能式防撞垫内部结构

2 多级吸能式防撞垫结构原理

目前，为保证乘员碰撞安全，乘用车正面碰撞过程中，车辆加速度一般控制在40g以下，避免乘员在二次碰撞过程中造成严重损伤。

同时，GB 11567-2017《汽车及挂车侧面和后下部防护要求》国家标准[4]、QC/T 1129-2019《特种车辆后部防撞吸能装置》行业标准[5]，均规定碰撞试验台车加速度不大于40g，以降低后方追尾车辆乘员的伤害。

多级吸能式防撞垫能够提供多级碰撞缓冲保护，低速、中速、高速追尾碰撞时，一级、二级、三级碰撞缓冲装置分别起主要的缓冲吸能作用，低速度等级追尾碰撞时，不得损伤高等级吸能装置，以保证维修经济性。所设计多级吸能式防撞垫分三级吸能缓冲装置，分别在低速（速度≤10km/h）、中速（10km/h＜速度≤30km/h）、高速（速度≥30km/h）追尾碰撞时起到主要的缓冲吸能作用，中、低速等级追尾碰撞时，碰撞加速度不得大于40g，高速追尾碰撞时，通过增减三级碰撞吸能装置的纵向尺寸，实现不同防撞速度等级产品的研发，同时满足QC/T 1129-2019法规要求的加速度不大于40g的要求。

支撑框架的设计需满足低速追尾碰撞时，支撑框架能够提供可靠支撑；中速追尾碰撞时，支撑框架能够可靠支撑二级碰撞缓冲装置，保证其内部吸能单元的稳定压溃变形，并且当超过支撑框架的极限刚度时，在诱导结构的作用下发生折弯变形，避免由于支撑框架的刚度过大导致碰撞加速度过高；高速碰撞时，支撑框架在有效支撑二级碰撞缓冲装置充分压溃吸能后发生弯折变形，进而不影响三级碰撞缓冲装置的缓冲吸能效果，多级吸能式防撞垫结构如图3所示，其结构主要包含一级碰撞缓冲装置、二级碰撞缓冲装置、三级碰撞缓冲装置，以及用于支撑一、二级碰撞缓冲装置的支撑框架，同时支撑框架设置变形诱导结构，当超过其承压极限时，支撑框架发生折弯变形，本文所述支撑框架采用带弧度的型材，以其弧度作为变形诱导结构。

图3多级吸能式防撞垫示意图

3 有限元碰撞仿真模型搭建

目前，有限元碰撞仿真分析已成为汽车被动安全领域最主要的研发手段，能够有效缩短研发周期，降低试验费用。有限元仿真模型能够准确模拟结构特征、材料特性、连接关系、仿真工况等，并得到高精度的仿真模型。

一级碰撞缓冲装置为树脂防护罩，二级、三级碰撞缓冲装置为铝合金材质，支撑框架采用Q235方钢管及圆管焊接而成；应用Hypermesh作为前处理软件进行有限元模型的搭建，采用四边形壳单元进行各部件的网格划分，为保证计算精度，单元边长定义为10mm，关键部位定义为8mm，根据材料拉伸试验曲线定义各部件材料属性，二保焊及铆接采用RBE2单元模拟[6]。

碰撞台车选用QC/T 1129-2019法规碰撞试验规定的1.5T全宽台车，台车框架采用mat20刚性单元定义，轮胎采用橡胶材质并模拟标准气压，台车框架左右分别设置加速度传感器，用于测量碰撞加速度，台车前端刚性避障表面采用20mm厚度胶合板材质模拟，定义完成的有限元碰撞仿真模型如图4所示。

4 吸能式防撞垫碰撞性能分析

4.1 低速碰撞分析

低速碰撞台车初始速度设定为10km/h，要求低速碰撞过程中，一级碰撞缓冲装置，即前端树脂防护罩能够吸收碰撞能量，不得损伤二级铝合金吸能装置。

图4多级吸能式防撞垫碰撞仿真模型

台车以时速10km/h撞击吸能式防撞垫，碰撞加速度出现单一峰值，最大值18g，加速度曲线如图5所示。

图5低速碰撞加速度曲线

图7低速碰撞台车最大侵入位置

碰撞过程中，仅一级碰撞缓冲装置，即树脂防护罩发生碰撞变形，碰撞开始及最大侵入位置如图6所示；二级碰撞缓冲装置碰撞过程中未发生明显变形，最大侵入位置二级碰撞缓冲装置变形如图7所示，因此，在10km/h及以下低速碰撞时，仅需更换树脂防护罩。

4.2 中速碰撞分析

多级吸能式防撞垫研发的关键在于支撑框架的刚度设计，需保证支撑框架能够有效支撑一级、二级碰撞缓冲装置，以保证其在低、中速碰撞过程中充分吸能。因此，支撑框架引入塑性铰的设计理念，中速碰撞后期，支撑框架应产生塑性铰变形，进而刚度迅速降低，以避免刚度过大导致加速度过高，同时，支撑框架的纵向变形量不应过大，导致中速碰撞过程中二级碰撞缓冲装置接触三级碰撞缓冲装置，影响维修经济性。

支撑框架采用弯曲的圆管，当碰撞力达到其屈服极限时，圆管中间位置产生塑性弯折。采用DOE分析方法对钢管的外径及壁厚进行2因子3水平试验设计[7-8]，优化目标为台车碰撞加速度最大值最小，优化约束条件为支撑框架纵向变形量，其变形量应满足中速碰撞过程中，不得使二级碰撞缓冲装置接触三级碰撞缓冲装置。

钢管外径系列为50mm、80mm、100mm，钢管壁厚系列为3mm、4mm、5mm，共进行9次全因子仿真分析，在最大位移约束条件下，选择碰撞加速度最大值最小的设计方案，最优方案为钢管外径80mm，壁厚4mm，以下就该方案的碰撞仿真结果进行分析。

中速碰撞，台车以时速30km/h撞击吸能式防撞垫，碰撞加速度最大值22.8g，加速度曲线呈现前高后低走势，前期二级碰撞缓冲装置压溃变形，充分吸收碰撞能量；碰撞后期，当碰撞力超出支撑框架的承载极限时，支撑框架在26ms时发生折弯变形，随着碰撞能量的降低及支撑框架的折弯变形，碰撞加速度随之降低，碰撞加速度曲线如图8所示。

图6低速碰撞过程

图8中速碰撞加速度曲线

中速碰撞过程前期，二级碰撞缓冲装置充分压溃变形吸收碰撞能量，支撑框架能够有效支撑一级、二级碰撞缓冲装置，碰撞过程前期变形情况如图9所示；碰撞后期，支撑框架在诱导变形结构处产生塑性铰变形，参与吸能并防止由于支撑刚度过大导致碰撞加速度的增加，碰撞最大侵入位置如图10所示，可以看出三级碰撞缓冲装置未发生变形，因此，在30km/h及以下低速碰撞时，仅需更换一级、二级碰撞缓冲装置。

图9中速碰撞过程前期

图10中速碰撞最大侵入位置

4.3 高速碰撞分析

高速碰撞，以台车时速80km/h撞击吸能式防撞垫为例进行仿真分析，该工况下，碰撞加速度最大值38.2g，加速度曲线呈现前后高、中间低走势，0.18s之前为一、二级碰撞缓冲装置压溃变形并吸收碰撞能量，当碰撞力超出支撑框架的承压极限时，支撑框架产生折弯变形，加速度迅速下降；随着三级碰撞缓冲装置参与碰撞吸能，加速度曲线迅速攀升，碰撞后期加速度稳定在22g左右，高速碰撞加速度曲线如图11所示。

图11高速碰撞加速度曲线

高速碰撞过程中，一级、二级、三级碰撞缓冲装置充分压溃变形吸收碰撞能量；碰撞初期，支撑框架能够有效支撑一级、二级碰撞缓冲装置，使其能够充分变形吸能，碰撞过程前期变形情况如图12所示；碰撞后期，支撑框架在诱导变形结构处产生塑性铰变形，进而支撑刚度迅速降低，避免由于刚度过大导致碰撞加速度过大；碰撞最大侵入位置如图13所示，此时三级碰撞缓冲装置参与碰撞吸能，通过内部吸能单元的压溃变形吸收碰撞能量，直至完全吸收台车动能。在高速碰撞时，需更换一级、二级、三级碰撞缓冲装置。

图12高速碰撞过程前期

图13高速碰撞最大侵入位置

5 结论

针对所设计的多级吸能式防撞垫，建立其有限元碰撞仿真分析模型，以QC/T 1129-2019法规为依据进行10km/h、30km/h、80km/h正面台车碰撞仿真分析，得出碰撞加速度、碰撞变形模式数据，通过数据分析发现，在低速、中速、高速碰撞过程中碰撞加速度均不大于40g，能够有效保护追尾乘用车乘员的安全；同时，低速度等级追尾碰撞时，未损伤高等级吸能装置；通过仿真分析研究，验证了多级吸能式防撞垫设计的合理性，为多级吸能式防撞垫的研发提供了设计思路及理论支持。