乘用车狭小面积追尾商用车的耐撞性优化

邓善良姜潮邓青青

湖南大学汽车车身先进设计制造国家重点实验室,长沙,410082

摘要：乘用车狭小面积重叠追尾碰撞对商用车后下部防护装置的耐撞性要求较高。针对乘用车狭小面积追尾商用车这一碰撞形式进行耐撞性分析，通过拓扑优化得到兼顾30%、50%、100%三种追尾重叠形式的商用车后下部防护装置最佳材料分布形式，并根据拓扑优化模型进行精细设计，提出了一种新型的针对狭小面积重叠碰撞的商用车后下部防护装置。将该防护装置运用于某型商用车上，并对其狭小面积追尾碰撞的耐撞性进行了仿真验证。

关键词:商用车;追尾碰撞;后下部防护装置;优化设计

中图分类号：U467.14

收稿日期：2014-10-20

基金项目：国家自然科学基金资助项目(11172096,51222502);湖南省杰出青年基金资助项目(14JJ1016)

作者简介：邓善良,男,1987年生。湖南大学汽车车身先进设计制造国家重点实验室硕士研究生。研究方向为汽车碰撞安全、优化设计。姜潮,男,1978年生。湖南大学汽车车身先进设计制造国家重点实验室教授、博士研究生导师。邓青青,男,1990年生。湖南大学汽车车身先进设计制造国家重点实验室硕士研究生。

Crashworthiness Optimization for Car to Truck Underride Crashes in Narrow Area Overlap

Deng ShanliangJiang ChaoDeng Qingqing

State Key Laboratory of Advanced Design and Manufacturing

for Vehicle Body,Hunan University,Changsha,410082

Abstract:Higher requirements are put forward toward RUG of commercial vehicles that is car to truck underride crashes in the narrow area overlap. Aiming at this phenomenon, considering 30%,50%,100% three kinds overlap crashes, through the topology optimization, the best material distribution form of RUG was obtained. According to results of topology optimization, a new kind of RUG was structured after elaborate design. Finally the new kind of RUG was applied to a certain type of commercial vehicle, and its crashworthiness of narrow area overlap crashes was validated.

Key words:commercial vehicle;underride crashes;rear underride guards(RUG);optimization design

0引言

现行的交通道路中，乘用车与商用车混合行驶，由于两种车辆存在结构形式上的差异,导致乘

用车与商用车的碰撞相容性并不理想。其中，尤以乘用车追尾商用车最为严重，极易发生钻碰现象[1]。美国公路安全保险协会(insurance institute for highway safety,IIHS)将乘用车追尾商用车这一碰撞形式按照两者的重叠面积分为100%重叠碰撞、50%重叠碰撞以及30%重叠碰撞(狭小面积重叠碰撞)[2]。

由于乘用车的结构形式设计需要兼顾车辆的燃油经济性以及乘坐舒适性，所以其前端布置不适合进行较大改变。因此，国内外对乘用车与商用车的碰撞相容性研究主要集中在商用车后下部防护装置 (rear underride guards，RUG)的优化设计方面。朱西产等[3]通过研究乘用车前端保险杠的尺寸,对载货汽车RUG的最佳离地高度和刚度进行了分析；赵紫剑[4]对商用车RUG进行优化设计，通过添加吸能盒，提高了RUG的耐撞性；Krehl等[5]按照法规对商用车前后防护装置进行碰撞试验,并优化结构从而提高其耐撞性；Mariolani等[6]提出了两种新型的RUG，并进行试验以验证其有效性；Cerniglia等[7]认为RUG有4种吸能模式,即防护架的塑性变形、部件间的摩擦、液体或气体的流动、部件的损坏和破裂等。以上研究一般只针对乘用车与商用车100%重叠的碰撞形式，很少考虑50%和30%等狭小面积重叠追尾碰撞对商用车RUG耐撞性要求较高的问题。

本文针对乘用车狭小面积追尾商用车的碰撞特点,通过拓扑优化确定RUG的最佳材料分布，并进一步优化设计其结构，提出一种新型的RUG,在保证RUG有效性的同时，增加其在碰撞中吸收的能量。

1商用车RUG的特点及其评价方法

商用车特别是大型载货汽车,因其功能原因,具有车辆后端离地较高、总质量大、整体刚度大、在碰撞过程中吸收的能量少、行驶速度低等特点，而乘用车则具有前端较低、整体刚度相对偏小、行驶速度高等特点。商用车以欧曼某型挂车为例,乘用车以福特金牛座为例，商用车后端尾部及乘用车前端尺寸如图1所示。由两者的高度对比可知,若乘用车追尾商用车，则乘用车极易钻入商用车尾部下方,即发生“钻碰”，如图2所示。为避免钻碰现象的发生，商用车RUG应具有足够的强度、刚度以及恰当的离地间隙，以防止乘用车钻入商用车底部。另外，由于乘用车行驶速度较高，因此RUG应能在有效阻挡乘用车钻入商用车尾部下方的前提下,最大程度地吸收碰撞能量,进而缓解碰撞的剧烈程度，保护乘用车内的驾乘人员。此外，RUG应满足轻量化设计要求，且安装后不应影响车辆的通过性能[8]。

图1　乘用车前端与商用车尾部高度对比

图2　乘用车追尾商用车示意图

由于乘用车追尾商用车碰撞的严重性,以及RUG安装的必要性,各国都制定了相应的法规,主要有欧洲ECE R58、美国FMVSS 223/224等法规，我国也推出了GB11567.2-2001标准。法规对需要安装RUG的车辆类型、安装尺寸、应达到的技术要求以及实验方法均进行了规定和说明。

但随着车速的提高以及实验的验证,上述标准的技术要求越来越难以满足实际需求。文献[6]提高RUG静态加载实验作用点所施加的载荷进行了实验,如图3所示,其中,P1、P2、P3为载荷施加点,第一组载荷对应整备质量为1200kg的乘用车50km/h的追尾碰撞，第二组载荷对应 整备质量为1500kg的乘用车64km/h的追尾碰撞。文献[9]按100%、50%以及30%三种重叠的追尾碰撞形式，分别进行了8次实车追尾碰撞实验,结果为:8辆商用车均通过100%重叠的追尾碰撞测试,7辆商用车满足50%重叠的追尾碰撞测试，仅有1辆商用车通过了30%重叠的碰撞测试。该实验结果进一步表明现有标准已不能满足实际追尾碰撞中对乘用车的保护，且对狭小面积追尾碰撞考虑不足。因此，标准亟需提高和完善。

图3　后下部防护装置静态加载实验

2RUG的拓扑优化

商用车RUG的耐撞性较大程度上取决于其内部支撑结构的设计。为兼顾各种重叠形式的追尾碰撞，本文根据多种重叠形式碰撞时商用车RUG的载荷分布，建立其拓扑优化模型，进而根据拓扑优化结果初步确定其内部支撑结构。

拓扑优化的主要研究对象是连续体结构，基本方法是将设计域划分为有限单元，依据一定的算法(如均匀化法、变密度法等)删除部分区域，形成带孔的连续体，从而实现连续体的拓扑结构设计[10]。通过拓扑优化分析，可以全面了解产品的结构和功能特性，有针对性地对总体结构和具体部件进行设计，避免内部复杂零件设计的盲目性，保证最大材料利用率，减小结构质量。

首先根据RUG的上述特点建立其基模型,确定设计域和非设计域;然后通过对RUG的受力和约束分析，确立复杂受力件施加载荷和约束的方法；进而定义其优化目标函数和优化约束，进行拓扑优化；最终根据伪密度云图设计一种新型RUG。

2.1拓扑优化基模型

根据商用车尾部的空间布置以及GB11567.2-2001中对RUG的几何尺寸要求,创建RUG的基模型,如图4所示。基模型包含设计域和非设计域。其中，非设计域为商用车车辆底板、副车架末端部分以及RUG横梁；设计域通过拓扑优化，最终获得具有较好耐撞性的支撑架构。

图4　RUG拓扑优化基模型

2.2施加约束边界条件和载荷边界条件

商用车RUG一般通过螺栓与副车架、车厢地板相连接,因此对副车架末端、车厢地板施加边界条件，约束其6个自由度,如图5所示。

图5　拓扑优化基模型中施加的约束

首先按照ECE R58的要求,分别在P1、P3点施加25kN的载荷,在P2点施加100kN的载荷,获得拓扑优化模型一，如图6所示。

图6　拓扑优化基模型中施加的载荷

对于狭小面积重叠的追尾碰撞,若在P2点施加25kN的载荷,则难以满足实际碰撞中对RUG的耐撞性要求。本文选取某自重1100kg的乘用车,模拟分析其狭小面积重叠刚性壁障的碰撞，速度为56km/h,获取刚性墙的反作用力，碰撞模型如图7a所示。

(a)狭小面积重叠刚性壁障碰撞模型

(b)刚性壁障反作用力时间历程曲线 图7　狭小面积重叠刚性壁障碰撞

由刚性墙反作用力的时间历程曲线图(图7b)以及乘用车变形模式的时间历程可知，反作用力有两个峰值,峰值一为222.8kN,为乘用车与刚性墙之间的最大作用力,该值远大于ECE R58规定的静态加载实验中对P1点施加的载荷25kN;峰值二为309.4kN,为乘用车轮胎与刚性墙之间的最大作用力,在此不予考虑。因此,为满足狭小面积追尾碰撞的实际载荷要求,将P1点施加载荷设置为222.8kN,P1、P3点载荷不变,作用点位置不变,获得拓扑优化模型二,并与拓扑优化模型进行比较。

2.3设置响应及优化目标

拓扑优化需要设计多个响应,由于该优化模型为实体单元组成，各个载荷所对应的位移由实体单元所附的材料性能所决定,因此将P1、P2、P3点所施加载荷对应产生的位移作为柔顺性响应，以设计域的体积作为体积响应。

采用变密度方法[11],将有限元模型内单元密度指定为相同值,以结构的体积最小化为目标,考虑3个载荷的位移响应,建立RUG的拓扑优化模型如下：

(1)

2.4拓扑优化结果

根据设定的目标函数和约束条件,运用成熟的商业软件optistruct,经多次迭代计算,最终获得模型一和模型二的拓扑优化结果,如图8所示。两者对比可知，模型二即考虑狭小面积重叠碰撞的RUG,其内部支撑显著增多,对两侧的保护明显加强。最终,针对乘用车狭小面积追尾碰撞商用车这一碰撞形式，确定了商用车RUG合理的载荷传递路径，以及支撑结构的最佳材料分布形式。

(a)模型一拓扑优化结果

(b)模型二拓扑优化结果 图8　拓扑优化结果

拓扑优化的结果为数值解而非可以直接实现的设计方案，因此需要将工程经验和参考设计的优点融合进去,才能将拓扑优化结果转化为较合理的等效结构[12]。

3RUG结构设计

商用车RUG应当同时满足100%、50%、30%三种重叠形式的追尾碰撞,而现有的RUG如网式RUG、高度可调式RUG和扩胀管式RUG等对100%和50%重叠追尾碰撞有较好的防护作用，但对狭小面积(30%)重叠的追尾碰撞防护作用还需要提高[13]。

由模型二考虑狭小面积重叠碰撞的拓扑优化，根据其结果可以确定载荷传递的路径，进而结合工程实践经验,并考虑加工工艺和安装的便捷性,在拓扑优化结果的基础上进行适当修改,最终获得一种新型的RUG，如图9所示。对比现有的RUG，该设计在RUG末端增加了垂直支撑和斜向支撑，并且在中间支撑以及两侧支撑与下端横梁之间添加吸能盒，使其在追尾碰撞时充分吸收碰撞能量，提升其缓冲效果。

1.副车架末端　2.纵梁末端　3.两侧支撑　4.吸能盒 5.下端横梁　6.上端横梁　7.中间支撑　8.斜向支撑 图9　新型RUG

文献[1]进行了槽钢、矩形钢管和钢板折叠三种结构的RUG实车追尾碰撞实验，对比三种结构，矩形钢管结构防护架吸能时间较长，可降低碰撞加速度峰值，有效吸收碰撞能量。因此在本设计中，下端横梁采用矩形钢管结构，利用变形，充分吸收碰撞能量，并且增加一上端矩形钢管横梁，使其在碰撞中与乘用车发动机舱盖接触时发生变形，吸收碰撞能量。

3.1新型RUG有效性验证

按照GB11567．2-2001《汽车和挂车后下部防护要求》中RUG移动壁障碰撞实验的要求,对新设计的RUG进行有效性验证,即由1100kg重的移动壁障以32km/h的速度正面100%重叠撞击RUG,RUG下边缘离地高度为420mm。

由表1可以看出,新设计的RUG的各项指标满足法规要求。为进一步验证新型RUG对狭小面积重叠追尾碰撞防护的有效性,本文选用国标中相同的移动壁障，速度提高至56km/h,正面30%重叠撞击RUG,仿真分析时长为80ms。RUG变形过程分别截取时刻t为20ms、40ms、60ms以及80ms的碰撞状态,如图10a所示,能量变化曲线如图10b所示。根据30%重叠碰撞的时间历程以及能量变化曲线可以看出,在碰撞过程中，吸能盒以及下端横梁充分变形，吸收碰撞能量46kJ,起到缓冲吸能功能。两侧支撑以及斜向支撑具有足够的强度刚度，变形较小，起到阻挡功能。碰撞后期，移动壁障向外偏转，没有钻入车厢底板下方。

表1　仿真结果与法规要求值对比

t=20mst=40ms

t=60mst=80ms (a)RUG变形过程

(b)能量变化曲线 图10　30%重叠碰撞仿真

根据某型商用车的尺寸以及商用车尾部的空间布置(图11),针对狭小面积的追尾碰撞，运用上述优化设计流程，构建新型RUG。

图11　某型商用车模型

对乘用车狭小面积追尾商用车进行有限元模拟仿真分析。由于追尾碰撞过程中只有商用车后端尾部与乘用车相接触,而其前端不参与碰撞，即不发生任何变形，所以在不影响计算结果的前提下,为减少计算耗时，本文只截取商用车尾部车厢地板、纵梁以及副车架的一部分，用于安装新型RUG。在仿真分析中将纵梁后端6个自由度全部约束，乘用车以56km/h的速度30%重叠追尾碰撞RUG,仿真计算时长为200ms。狭小面积追尾碰撞模型如图12所示。

t=80mst=120ms

t=160mst=200ms (a)车辆追尾碰撞过程

(b)能量变化曲线 图13　乘用车狭小面积追尾后下部防护装置

分别截取时刻为80ms、120ms、160ms以及200ms的碰撞状态，如图13a所示,碰撞中0～200ms的能量变化曲线如图13b所示。可知，在碰撞过程中乘用车向外侧偏转，新型RUG阻挡车辆钻入商用车底部，防止钻碰事故的发生，并且吸能盒以及下端横梁充分变形，吸收碰撞能量，有效减小事故剧烈程度。由于乘用车前端保险杠防护面积较小，使得商用车后下部防护装置与乘用车前端保险杠接触面积较小，乘用车内部吸能盒没有充分变形，最终RUG上端与乘用车A柱有轻微接触。通过改善乘用车自身狭小面积的耐撞性，可有效减小该轻微接触，从而进一步提高两者的碰撞相容性。

4结语

对于乘用车狭小面积追尾商用车这一碰撞形式，因乘用车和商用车的各自结构特点,具有较差的碰撞相容性。本文针对该种碰撞形式，利用拓扑优化，构建了一种新型的商用车后下部防护装置,为改善两者的碰撞相容性提供了一种新的方法。

由于成本原因,较多的商用车没有安装后下部防护装置,因此,希望有关部门能够加强对商用车后下部防护装置安装的监督及监管。另外，随着我国道路交通的改善，乘用车和商用车的车速均在不断提高，现有的国家标准GB11567．2-2001已不能满足实际的要求，希望有关部门能够积极推进相关法规的强化和改进工作。

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(编辑苏卫国)