汽车后端低速碰结构性能目标研究

汽车后端低速碰结构性能目标研究

王光耀 ,张伟

上海汽车集团股份有限公司技术中心

摘要：当前车型架构及前期开发阶段，后端低速碰性能评估输入条件有限，在项目开发设计的过程中，对尾门性能的评估目标控制很严格，使得造型可发挥的空间较小，同时工程成本也在一定程度上增加。本文基于现有车型的下车体及尾门、造型数据，对尾门低速正碰性能目标进行仿真分析，同时进行实车试验，研究尾门正碰的目标值。

关键词：低速碰法规 仿真分析 试验对标 目标值

1前言

在世界范围内汽车保有量不断增加，城市内汽车拥堵现象日益严重，使得车辆在城市道路上的行驶速度普遍降低，汽车低速碰撞已成为发生频率最高的交通事故之一。低速碰撞是指汽车速度低于15km/h的碰撞，这类事故对车内乘客的人身安全一般不会产生大的危害，但对车辆的相关零部件，如发盖、尾门、灯等会造成破坏，降低车辆的使用寿命，同时增加维修费用和理赔费用，带来一定的经济损失。

为减小低速碰撞事故中车身结构受到的撞击与损害，降低维修成本，我国的汽车管理机构于2009年1月1日起对汽车前后端实施强制性产品认证，评价法规为GB17354-1998《汽车前后端保护装置》。目前国内针对低速碰撞安全性能的研究，侧重于期前端结构的安全性能，而对于后端低速碰撞安全性能研究得较少[1]。本文按照低速碰撞法规要求，对汽车尾门建立了通用碰撞分析有限元模型进行仿真分析，并与实车试验进行对标研究，得到不同车型尾门的结构碰撞响应特性，支持尾门低速碰撞性能评估。

2低速碰撞简介

2.1 低速碰撞法规简介[2]

GB17354-1998《汽车前后端保护装置》是我国关于低速碰撞的强制标准，其内容和ECER42所规定的内容基本一致，均要求对前、后端保护装置分别在整车整备质量和加载质量（半载）下进行纵向碰撞分析和车角碰撞分析。

2.1.1 法规试验介绍

1.正碰试验：碰撞器（见图1）为整车整备质量，速度为 40+0.25KM/H。

① 试验车辆为整车整备质量时，对车辆正前方和正后方各进行一次试验；

② 试验车辆为加载试验车质量时，对车辆正前方和正后方各进行一次试验；

2.角碰试验：碰撞器为整车整备质量，速度为 2.50+0.1KM/H。

① 试验车辆为整车整备质量时，对一个前车角和一个后车角进行试验；

② 试验车辆为加载试验车质量时，对另一个前车角和另一个后车角进行试验；

图1  碰撞器示意图

2.1.2 试验性能要求

低速碰撞试验结束后，要求车辆能满足下列条件：

①照明和信号装置应能继续正常工作并清晰可见。如果出厂时安装好的照明装置失调，允许进行调整以符合规定要求，但只限于采用常规的调整方法。如果灯丝折断，应允许更换灯泡。

②发动机罩、行李箱盖和车门应能正常开闭，车辆的侧门在碰撞的作用下不得自行开启；

③车辆的燃料和冷却系统应无泄漏，油路和水路不堵塞，密封装置、油箱和水箱亦能正常工作；

④车辆的排气系统无妨碍其正常工作的损坏或错位现象；

⑤车辆的传动系统、悬架系统（包括轮胎）、转向系统和制动系统应保持调整状态并能正常工作。

2.2 尾门低速碰撞性能要求介绍及评价目标介绍

低速碰撞法规中，对门盖的要求是在发生接触和轻度碰撞后，行李箱盖（含尾门）能正常开闭，且相应的功能件（例牌照灯等）可以正常使用，不影响原有的功能。

目前对于尾门低速对中碰撞的评价目标值为不接触尾门，即侵入量=0，这对于造型的空间限制较大，对工程提出了更多的挑战。因此，基于此情况，我们对目前常用的尾门进行研究，并同时进行实车实验，确定新的尾门对中正碰目标值。

2.3 尾门选型

现有车型中常用的尾门类型可分为尾门和行李箱盖，其中尾门一般比较凸出，在车型开发设计过程中，遇到的问题比较多，对于造型和工程的挑战更大，因此本文主要对尾门进行目标设定研究，通过各种对比分析，筛选了市场上三种常见车型的尾门进行研究对标，来确定新的尾门对中正碰目标值，三种尾门形式如图2：

图2  三种常见尾门类型

3低速碰撞仿真简介

在汽车碰撞安全研究中，CAE仿真技术已成为不可替代的方法，根据仿真分析结果，可以对汽车的结构设计进行优化，从而提高汽车的碰撞安全性。因此，仿真精度直接影响汽车设计改进的合理性。用于仿真的有限元模型能最大程度地反映汽车的实际结果，对仿真精度有很大影响。[3]

3.1 尾门低速碰撞模型的建立

为研究尾门在不同速度下受到低速撞击后的损坏程度，本文在仿真和实车试验中，均拆除了后保险杠横梁和后保险杠，让碰撞器以不同的速度直接撞击尾门，真实模拟尾门受外界低速撞击后的情景，并进行仿真分析与实车试验对标，提升仿真分析的精度，为后续分析奠定坚实的理论实践基础。如图3为本研究中建立的三种尾门的分析模型：

图3  三种尾门形式的低速碰撞分析模型

3.2尾门低速碰分析及试验设计

为了避免速度太高，导致尾门直接被撞坏的情况，本研究分别设定了不同的撞击速度，分别为0.5KM/H、1KM/H、1.5KM/H、2KM/H、2.5KM/H、3KM/H、3.5KM/H、4KM/H、4.5KM/H，先进行低速碰撞仿真分析，初步分析评估尾门的受损情况，然后进行实车碰撞试验进行对标。

4低速碰撞试验简介[4]

  碰撞摆锤机构的有效质量由碰撞器、箱体、刚性臂、配重块和锁止机构等组成，其中碰撞摆锤机构与试验车直接碰撞接触，根据试验车的整车整备质量选取相应的配重块来匹配，其结构示意图如图4：

图4 碰撞摆锤机构示意图

本文的低速碰对中正碰试验，采用此标准碰撞摆锤机构进行实车试验，按照GB17354-1998对车辆和碰撞器的要求，进行试验准备。

4.1试验准备

   按照GB17354要求对车辆、碰撞器进行配重和准备，此外，试验测试准备如下：

1、与碰撞器及车垂直的位置，放置高速摄像仪，并在周边配置高亮灯光，以保证碰撞过程能被清晰地记录；

   2、在车辆及碰撞器上贴注宝马标，且要保证宝马标在关键碰撞过程中，一直处于摄像范围内.

4.2实车试验

将选取的三种已上市车型的工程车辆，按照上述试验要求进行准备，进行不同速度下的碰撞试验，从低到高，同时记录每次试验车辆的损伤情况及尾门开启情况，实车试验示意图如图5：

图5 三种尾门形式的实车试验碰撞示意图

从图中可知，后保险杠横梁和后保险杠均已拆除，摆锤直接对中撞击尾门。

需要说明的一点是MPV尾门的实车碰撞，因条件限制无法用市面上已有的GL8和奥德赛进行实车试验，通过对比碰撞器与MPV尾门分缝的相对位置，发现撞击头是直接撞击尾门分缝位置的，因此本文的研究中，特选用已上市某SUV车型，调整摆锤Z向高度， 使摆锤撞击头正对尾门，来模拟MPV尾门对中正碰情景，同时在仿真分析中也采用同样的场景进行分析对标。

5尾门低速碰撞目标研究

尾门低速碰性能评价目标可分解为：

1）尾门对中碰撞目标值（mm）：测量尾门和碰撞器的Z向重合尺寸，不包括碰撞器的倒角Z向尺寸。

2）车身最大塑性应变（%）：车身最大塑性应变不能超过5%

5.1尾门低速碰仿真及试验结果统计

在确保尾门可正常开闭，且车身塑性应变不超过5%，即尾门仅轻微变形（维修成本相对较低）的情况下，统计两厢车、SUV、MPV（使用SUV模拟）三台试验车仿真及试验结果。根据尾门性能第二条评价指标对结果进行初步筛选，即车身塑性应变已超过5%，可得到统计结果如表1：

表1  碰撞器对三种车型尾门的侵入量统计

5.2 尾门低速碰目标设定

根据三种不同车型尾门碰撞分析结果，当碰撞器对尾门有一定侵入量时，尾门外板轻微变形（EPS小于5%），但可以正常开启。

因此，在车型架构及前期开发设计阶段，可放宽碰撞器对尾门对中正碰的目标值。考虑到仿真与试验的误差（30%），建议仿真分析时，尾门对中正碰目标值设定为10mm，减小对造型及布置的限制，降低车身结构设计优化成本。

6结论

基于汽车前后端保护装置法规及低速碰性能仿真分析流程，建立了不同速度下的尾门低速碰撞分析模型，研究了不同车型、不同撞击速度下，碰撞器对尾门对中正碰的侵入量，并同时进行实车试验。通过仿真与试验结果分析研究，提出了汽车开发架构及前期开发阶段，低速碰性能中尾门对中正碰目标要求，具体如下：

尾门对中正碰目标值，即碰撞器对尾门的侵入量≤10mm

该目标要求可用于车型架构及前期设计阶段尾门低速碰撞性能的评估，降低工程成本，为造型和布置提供更大的发挥空间。

7参考文献

[1]某车型后端低速碰撞的安全性能分析及优化，崔淑娟，陈可明，史爱民，符志，李气辉

[2]汽车前后端保护装置GB17354-1998

[3]保险杠壁厚对低速碰撞性能的影响研究，许津，宋年秀，胡韶文，刘鹏；青岛理工大学 汽车与交通学院，山东 青岛 266520

[4]乘用车前后端保护装置测试设备的开发，赵学美，姜祖啸，朱春嵩，褚万刚；上海机动车检测中心，上海大众汽车有限公司，中国重汽集团进出口有限公司，