商用车吸能型前下部设计.doc

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1、商用车吸能型前下部设计在轿车与重型商用车迎面碰撞过程中，由于两者高度的明显差异，轿车极易钻入商用车底部，给轿车乘员造成致命伤害。因此重型商用车必须装备前防护装置。欧洲现行法规ECER93…和我国正准备实施的《商用车前下部防护要求》强制性标准(主要借鉴ECER93法规)规定了前防护装置刚度的下限，但是如果前防护装置设计过于刚硬，那么前防护装置在碰撞过程中将起不到缓冲吸能的作用，即前防护装置碰撞相容性不好，轿车仍将处于劣势。文献[2]中研究的前防护装置主要通过盒形梁的折叠压缩吸收碰撞能量，满足了ECER93法规的要求。文献[3]中将低保险杠作为商用车前下防护装置，大大改善了商用车和

2、轿车碰撞相容性。文献[4]中通过多刚体软件MADYMO建立了商用车前防护装置与轿车迎面碰撞仿真模型，对设计的吸能型前防护结构进行了分析。本文中对某商用车原有前下部防护装置进行ECER93法规的验证，找出不足之处，据此设计了一种新型商用车前防护装置。该防护装置不仅具有碰撞阻挡功能，也能起到缓冲吸能的效果。1某商用车前下部防护装置性能分析1．1原车前防护装置的法规验证某商用车前防护装置的三维模型如图1所示。该前防护装置主要包括：横梁和支架两部分。支架上端通过螺栓与货车纵梁相连，支架下端通过焊接的方式与横梁相连。考虑到减轻支架质量，在支架上开了孔洞。图1原车前防护装置的3D模型为考核

3、该防护装置的防护功能，按ECER93对其进行法规验证。ECER93法规对防护装置刚度的要求具体体现在加载点的变形上。它规定，在3个点(P1、P2及P3点)上施加规定的静载荷，在各施力点处测得的变形所引起的水平位移~1．2轿车与原车前防护装置碰撞仿真分析建立轿车前端与商用车前防护装置碰撞仿真模型，轿车以56km／h的速度撞击固定的原车前防护装置。图3给出了120ms时的碰撞仿真结果，整个碰撞过程中，前防护装置吸收能量25．9kJ，由图中可以看出，原防护装置未起到阻挡作用，轿车直接钻入商用车底部，并且商用车车架侵人轿车前风窗玻璃。2吸能型前下部防护装置结构设计4学海无涯2．1支架结

4、构设计考虑到原防护装置支架刚度不足，本文中采用拓扑优化方法设计防护支架结构。拓扑优化的最大优点是能在结构拓扑形状未定的情况下，根据已知边界条件和载荷条件确定比较合理的结构形式，可用于全新产品的概念设计。对于连续结构拓扑优化，常用的方法有：均匀法、变密度法和渐进结构优化法等。本文中采用变密度法对前端防护支架进行拓扑优化，其基本思想是引入一种假想的在[0，1]之问的密度可变材料，将连续结构体进行有限元离散，每个单元的密度作为设计变量，将结构的拓扑优化问题转化为单元材料的最优分布问题。2．1．1拓扑优化有限元模型的建立建立高400mm、宽400mm、厚60ram的有限元模型作为支架，

5、如图4所示，采用六面体实体单元划分，单元边长为10mm。材料弹性模量为2．1×10MPa，泊松比为0．3，密度为7．8×10kg／1TI。支架上端固定，右下端施加一均布力。设置拓扑优化的设计目标是支架的应变能最小(刚度最大)，约束条件是优化后支架的体积分数小于0．5，设计变量是单元密度。2．1．2拓扑优化结构设计目标函数经过21次迭代后收敛，图5给出了优化结果的密度云图，图6给出了相对密度为0．3以上的密度结果等值面图。布，据此可以重新设计支架的结构，如图7所示的“倒2A”字型支架。支架由3根空心型钢构成，1和2的截面为60mm×60ram，3的截面为60ram×40ram，考

6、虑到需要对厚度进行参数优化，厚度设稍大一一图7拓扑优化后的支架结构些，初始值均为7mm，材料屈服极限为189MPa。2．1．3支架结构的参数优化将3根钢管的厚度作为设计变量，在支架1的下端施加与法规规定的1’’’’2点加载力相等的水平力160kN，考虑到在低速碰撞工况下，由支架前端的吸能器先发生压溃变形吸收能量，支架几乎不发生变形，本文中设置支架1下端水平位移小于1mm。设计目标为模型质量最小，目标函数经过6次迭代收敛。图8给出了3个厚度变量的迭代历史。优化后支架1、2、3的厚度分别为4、5和0．4mm。图9给出了支架质量的迭代历史，优化前支架质量为12．1lkg，优化后为6．

7、87kg，质量减轻了43．27％。2．2吸能器结构设计4学海无涯为了使设计的防护装置在与轿车迎面碰撞中更多地吸收能量，在支架前端设计了薄壁吸能部件，见图1O。根据吸能器吸收能量与压溃反力，本文中将吸能器长度设定为192mm，变形引导槽深度为3mm，截面大小设计为85mm×85mm。考虑到吸能器处于悬臂状态，在吸能器与支架之间设计了。3吸能型前下部防护装置ECER93法规验证按照ECER93法规要求对新设计的防护装置进行了验证，P1、P2和P3施力点水平位移结果如表2所示。其中防护装置下边缘离