CN103569236B - 一种汽车车身前部结构的设计方法及其汽车的设计方法 - Google Patents

Abstract

为解决传统的汽车车身前部结构设计方法中存在局部或全局的缺陷，导致后续开发中需反复做大量的结构优化及多批次的工程样车实验验证、导致开发成本较高等的问题。本发明公开了一种汽车车身前部结构的设计方法及其汽车的设计方法，其主要创新为以等效加速度为基础，结合能量分配，获取目标车的吸能部件的吸收能量及其压溃长度，计算出吸能部件的理论平均通过力，再根据吸能部件实际平均通过力大于或等于理论平均通过力的原则，设计出吸能部件的设计参数。采用本发明的设计方法，获得的车身前部结构更加合理，缺陷更少，有利于汽车后续设计的进行。便于减少后续碰撞样车试制试验的次数，大大减少开发费用。

Description

一种汽车车身前部结构的设计方法及其汽车的设计方法

技术领域

本发明涉及汽车设计领域，尤其指汽车车身前部结构的设计领域。

背景技术

汽车的正面碰撞所造成的伤亡占据交通事故总伤亡的主要比例，而前部车身结构是决定汽车正面碰撞安全与否的基石。

汽车车身前部结构的设计主要指对汽车车身内主要吸能部件的设计参数的设计，设计参数指尺寸、材料等。

图1为轿车发动机舱的典型结构示意图，可将其划分为如下吸能段：第一吸能段D0、第二吸能段D1、第三吸能段D2、第四吸能段D3。

其中从保险杠1到前纵梁后段5(即前挡板6之前)的X方向总长为d＝d₀+d₁+d₂+d₃，总长d由轿车的造型面决定，各段的布置由发动机舱的特征硬点(发动机尺寸、发动机悬挂位置、前轴中心等)控制。其中，第一吸能段D0的主要吸能部件(或称吸能结构)为保险杠1；第二吸能段D1的主要吸能部件为吸能盒2，且沿车身前后方向第二吸能段D1的长度等于吸能盒的长度；第三吸能段D2的主要吸能部件为前纵梁前段3且沿车身前后方向第三吸能段D2的长度等于前纵梁前段3的长度，前纵梁前段是指沿车身的前后方向，从前纵梁的前端至发动机前端的纵梁部分，此段内还包括散热器总成和发动机罩盖端等次要吸能零部件；第四吸能段D3的主要吸能部件为前纵梁中后段且沿车身前后方向第四吸能段D3的长度等于前纵梁中后段的长度，前纵梁中后段5是指沿车身的前后方向，从发动机4前端至前纵梁后端的纵梁部分，该段内还包括发动机罩盖主体和翼子板主体等次要吸能零部件，上述D0‐D3各段的具体长度在设计时未知。

如图2所示，当前国内外主流的汽车车身前部结构设计思路是“对标车参考‐‐初版结构数模‐结构改进”。该设计思路的具体方法步骤为：首先，整车集成工程师对目标车进行动力总成选型、底盘定型以及发动机舱布置等；其次，车身设计工程师参考大量同级别的汽车，选定某一具有代表性的汽车作为对标车，然后参考对标车的尺寸、材料，再辅以工程师以往的经验，设计出目标车的初版车身结构CAD三维数模。再综合获得工程样车CAD数模，并进行工程样车的试制试验，即在设计出工程样车后进行碰撞试验，如果不合格，再进行工艺性调整，重复进行工程样车CAD数模建立、工程样车试制试验；直至性能达标，获得可以进行量产的汽车车身数模，最终实现汽车量产。

然而，由于目标车与对标车在底盘、动力总成、造型等诸多方面的不同，导致基于经验和对标设计得出的目标车初版车身结构往往存在局部甚至全局的缺陷，例如碰撞性能不能满足要求等。因此，在设计出初版数模后仍需做大量的结构优化，导致后续仍需多批次的工程样车实验验证，整车开发成本较高。

为了减少汽车结构上的缺陷，通过借助仿真分析手段优化车身结构，逐步更新出多批次的工程样车三维数模，通过多次的“仿真优化‐实验验证”方式将汽车结构的缺陷消除。由于底盘总布置先于车身结构数模的具体设计，导致为了达到底盘总布置，后期的数模设计缺陷甚至是难以消除的。传统设计方法下，必须等全部数模设计完成后，才能进行结构碰撞仿真优化，此时由于发动机各总布置已经趋于完成，优化改动方案往往难以实施。此方法可简称为“先经验设计，后分析优化”模式，后期的结构(仿真)优化处于被动的地位。

随着汽车设计理论的不断发展，大量学者做的研究分析已经证明，驾驶者胸部加速度与车体加速度a存在如下关系：

$\stackrel{..}{x}=A\sin (\mathrm{\ωt}+\mathrm{\φ})+\mathrm{\α}$

其中简谐函数项是驾驶者约束系统相关量。并由此提出了车体等效加速度的概念，用以将上述车体加速度a简化成易于分析的模型。但其作用仅限于，在目标车初版汽车车身结构数模完成后，将仿真分析结果与此目标加速度对比，评估汽车设计的性能。在此种情况下，等效加速度仅是在目标车初版数模结构完成设计且仿真分析完成后，对碰撞安全性能的初步评价，它仍属于“先经验设计，后分析优化”的传统设计思路，未能从源头上指导轿车的开发，因此前述的结构设计缺陷仍无法消除。

发明内容

本发明提供了一种汽车车身前部结构的设计方法，改变传统车身前部结构设计中的流程模式，直接以等效加速度为基础，结合能量分配，依据各吸能部件的平均通过力指导前部结构的设计开发，实现先优化分析后结构设计。

一种汽车车身前部结构的设计方法，汽车车身前部结构包括吸能段，吸能段内设有吸能部件，包括如下步骤：

获取对标车正面受力碰撞的实时加速度，根据对标车的实时加速度获得目标车的实时等效加速度；

根据上述目标车的实时等效加速度及设计重量，得到目标车的实时等效碰撞力；将目标车的实时等效加速度对碰撞时间积分两次，获取车身前部结构的实时溃缩距离，然后获得吸能部件的压溃长度；

根据所述目标车的实时等效碰撞力及实时溃缩距离，获得吸能段的吸收能量；

根据吸能部件占所述目标车在对应吸能段内的吸收能量的吸能比例，获取吸能部件的吸收能量；

将吸能部件的吸收能量除以所述对应吸能部件的压溃长度，获取所述吸能部件的理论平均通过力；

根据吸能部件实际平均通过力大于或等于理论平均通过力的原则，设计出吸能部件的设计参数。

优选地，所述对标车的实时加速度为车身B柱与门槛梁相交处的实时加速度。

优选地，吸能部件的压溃长度通过如下方式获得：通过实时溃缩距离获得溃缩距离‐时间曲线，通过目标车的实时等效加速度获得实时等效加速度曲线，比对上述两条曲线，获得吸能部件的压溃长度。

吸能部件的压溃长度通过如下方式获得：通过实时溃缩距离获得溃缩距离‐时间曲线，通过目标车的实时等效碰撞力获得碰撞力‐时间曲线；比对上述两条曲线，获得吸能部件的压溃长度。

优选地，吸能部件为管梁型结构，所述设计参数包括吸能部件横截面的长度、宽度、壁厚及材料。

优选地，汽车车身前部结构包括第一吸能段、第二吸能段、第三吸能段、第四吸能段；第一吸能段内主要设有吸能部件：保险杠；第二吸能段内主要设有吸能部件：吸能盒；第三吸能段内主要设有吸能部件：前纵梁前段；第四吸能段内主要设有吸能部件：前纵梁中后段。

优选地，吸能盒、前纵梁前段及前纵梁中后段的实际平均通过力获取自公式：

其中，F_实为实际平均通过力，d为矩形薄壁管梁的横截面长度，b为矩形薄壁管梁的横截面宽度，t为矩形薄壁管梁的壁厚，σ_y为钣材屈服应力，σ(ε)为材料的单向拉伸应力‐应变曲线函数，ε_f为材料的延伸率，ε为材料的单向拉伸应变。

优选地，吸能盒、前纵梁前段和前纵梁中后段占所述目标车在各自吸能段的总吸收能量的比例分别为40～48％、36～50％和14～22％。

优选地，前纵梁前段的实际平均通过力大于吸能盒的实际平均通过力，且前纵梁后段的实际平均通过力大于前纵梁前段的实际平均通过力。

优选地，吸能段的吸收能量通过如下步骤获得：将目标车的实时等效碰撞力相对实时溃缩距离积分，获得整车实时吸收能量，然后获得吸能段的吸收能量。

本发明另外提供了一种汽车的设计方法，包括步骤：

采用本发明前述的汽车车身前部结构设计方法设计汽车车身前部结构；

将上述车身前部结构与动力总成、发动机舱布置和底盘定型进行结构细化设计和整车总布置，设计出合理初版的车身结构三维数模；

对合理初版的车身结构三维数模进行仿真分析，优化车身结构，设计出工程样车三维数模；

进行工程样车的试制试验，性能达标后获得最终的汽车CAD数模。

本发明设计方法的有益效果如下：

1、以等效加速度为基础，优化车身前部结构的设计。本发明通过整理达到较好碰撞性能的对标车的加速度曲线，获得良好的车身安全“基因”，因此，依本发明方法设计方法获得的车身前部结构更加合理，缺陷更少，有利于汽车后续设计的进行。

2、本发明直接将数模的合理设计提前到与底盘总布置同时进行，联合已选好型的发动机和底盘开展硬点总布置，各硬点位置充分根据本发明设计出的车身前部结构布置，此时两项工作相互协调可以在整车开发的初期即获得较好的车身结构及总布置方案。

3、车身数模经过本发明设计已经比较合理，具备较好的碰撞安全性基础，后续需要改动的可能性小，便于减少后续碰撞样车试制试验的次数，大大减少开发费用。

4、采用本发明设计方法，已经计算出纵梁在整车碰撞中的承载力(通过力)，因此可在此数模的基础上开展相当细化的结构仿真优化分析。因此采用本发明设计方法后，仿真是与底盘总布置同时进行的“主动仿真”。采用车体等效加速度的概念。

附图说明

下面将结合说明书附图进行具体说明。

图1为现有技术中轿车发动机舱的典型结构示意图；

图2为现有技术中汽车结构设计方法流程图；

图3为本发明具体实施方式中的汽车前部结构设计方法流程图；

图4为A级轿车全正面碰撞的结构变形吸能曲线与拟合的等效双梯形加速度曲线示意图；

图5为本发明具体实施方式中汽车车身前部结构的设计流程图；

图6为对标车的等效加速度双梯形下限曲线、等效加速度双梯形上限曲线以及目标车的等效加速曲线的示意图；

图7为目标车的溃缩距离‐时间曲线；

图8为目标车的碰撞力‐时间曲线；

图9为目标车的碰撞力‐溃缩距离曲线；

图10为对标车吸能盒占第二吸能段的能量吸收比例包络线；

图11为对标车纵梁前段占第三吸能段的能量吸收比例包络线；

图12为对标车纵梁中后段占第四吸能段的能量吸收比例包络线；

图13为目标车左侧B柱下方仿真的加速度曲线与实验加速度曲线对比示意图；

图14为目标车右侧B柱下方仿真的加速度曲线与实验加速度曲线对比示意图。

具体实施方式

下面将结合说明书附图及具体实施方式对本发明进行具体说明。

为使后续说明更加清楚明白，此处再对汽车车身前部结构做一下细致的说明，如图1所示，可将汽车车身前部结构划分为如下吸能段：第一吸能段D0、第二吸能段D1、第三吸能段D2、第四吸能段D3。

其中从保险杠1到前纵梁后段5(即前挡板6之前)的X方向总长为d＝d₀+d₁+d₂+d₃，总长d由轿车的造型面决定，各段的布置由发动机舱的特征硬点(发动机尺寸、发动机悬挂位置、前轴中心等)控制。其中，第一吸能段D0的主要吸能部件(或称吸能结构)为保险杠1；第二吸能段D1的主要吸能部件为吸能盒2，且沿车身前后方向第二吸能段D1的长度等于吸能盒的长度；第三吸能段D2的主要吸能部件为前纵梁前段3且沿车身前后方向第三吸能段D2的长度等于前纵梁前段3的长度，前纵梁前段是指沿车身的前后方向，从前纵梁的前端至发动机前端的纵梁部分，此段内还包括散热器总成和发动机罩盖端等次要吸能零部件；第四吸能段D3的主要吸能部件为前纵梁中后段且沿车身前后方向第四吸能段D3的长度等于前纵梁中后段的长度，前纵梁中后段5是指沿车身的前后方向，从发动机4前端至前挡板6之间的纵梁部分，该段内还包括发动机罩盖主体和翼子板主体等次要吸能零部件，上述D0‐D3各段的具体长度在设计之初未知。

如图3所示，此处将根据图示流程图说明本发明具体实施方式中的汽车设计流程。本发明相对传统的设计思路，主要的思想是根据对标车正面受力碰撞后的实时加速度，获得目标车的实时等效加速度；直接以该实时等效加速度为基础，结合能量分配，获取目标车的吸能部件的的吸收能量及其压溃长度，计算出吸能部件的理论平均通过力，再根据吸能部件实际平均通过力大于或等于理论平均通过力的原则，设计出吸能部件的设计参数。并且在进行上述数模设计时，同时进行动力总成选型、底盘定型等工作，联合已选好型的发动机和底盘开展硬点总布置，各硬点位置充分根据本发明设计出的吸能部件的布置，完成发动机舱布置。此时两项工作相互协调可以在整车开发的初期即获得较好的车身结构及总布置方案。这样，即可获得合理初版CAD数模，后续步骤跟传统思路相同，但由于采用本发明的设计方法，车身数模已经比较合理，具备较好的碰撞安全性基础，后续需要改动的可能性小，便于减少后续碰撞样车试制试验的次数，大大减小开发费用。

其中，各吸能部件的长度由造型面、底盘硬点决定，此为本领域技术人员所公知，此处不再赘述，本发明的主要目的是设计出各吸能部件的设计参数，所谓设计参数主要指吸能部件横截面的长度、宽度、壁厚及材料。

为使本领域技术人员易于理解本发明，此处将先结合图4讲解一下本发明设计方法的理论基础。图4是一段A级轿车全正面碰撞结构变形吸能曲线与拟合的等效双梯形加速度曲线。由于吸能盒2为第二吸能段D1内的主要结构，吸能盒2的变形开始与结束体现了第二吸能段D1的变形开始与结束，同理，第三吸能段D2、第四吸能段D3的变形开始与结束通过前纵梁前段以及前纵梁中后段的变形开始与结束体现。如图4所示，在T_s时刻，第二吸能段D1开始溃缩变形，直至变形基本结束的时刻T₁；在第二吸能段D1变形基本完成的时刻T₁，第三吸能段D2开始溃缩变形；在第三吸能段D2段变形基本完成的时刻T₂，第四吸能段D3开始溃缩变形，第四吸能段D3段变形基本完成的时刻为T₃。

明显可见，吸能盒曲线的变形结束时刻就是前纵梁前段吸能曲线的变形开始时刻，前纵梁前段的结束时刻及时前纵梁中后段吸能曲线的开始时刻，双梯形等效加速度曲线的各个折点时刻与相应吸能段的变形开始或结束的时刻对应。并且相应吸能段沿车身的前后方向依次发生变形。

对于具有较好的碰撞性能的轿车，其车身前部结构的这种时间区分明显的逐级溃缩变形特点是本发明设计方法的理论基础。

为方便描述，这里对下边要用到的部分词汇做出解释。对标车指设计人员所要参考的车辆。目标车指设计人员的设计方向，在借鉴对标车经验后的设计目标。

如图5所示，本发明具体实施方式中提供的汽车车身前部结构的设计方法，汽车车身前部结构包括吸能段，吸能段内设有吸能部件，包括如下步骤：

获取对标车正面受力碰撞的实时加速度；根据对标车的实时加速度获得目标车的实时等效加速度；

根据上述目标车的实时等效加速度及设计重量，得到目标车的实时等效碰撞力；将所述目标车的实时等效加速度对碰撞时间积分两次，获取所述车身前部结构的实时溃缩距离，然后获得吸能部件的压溃长度；

根据所述目标车的实时等效碰撞力及实时溃缩距离，获得吸能段的吸收能量；

根据吸能部件占所述目标车在对应吸能段内的吸收能量的吸能比例，获取吸能部件的吸收能量；

将吸能部件的吸收能量除以所述对应吸能部件的压溃长度，获取所述吸能部件的理论平均通过力；

根据吸能部件实际平均通过力大于或等于理论平均通过力的原则，设计出吸能部件的设计参数。

如图3所示，本发明具体实施方式中也提供了汽车的设计方法，包括步骤：采用前述的汽车车身前部结构的设计方法设计汽车车身前部结构(对应图3中的通过借鉴对标车及基于等效加速度的设计理念，获得各段设计尺寸)。将上述车身前部结构与动力总成、发动机舱布置和底盘定型进行结构细化设计和整车总布置，设计出合理初版的车身结构三维数模。对初版的车身结构三维数模进行仿真分析，优化车身结构，设计出工程样车三维数模；进行工程样车的试制试验，性能达标后获得最终的汽车CAD数模。

可以根据该最终的汽车CAD数模进行汽车量产。

实施例

下面将根据实施例具体描述本发明技术方案。

1、获取对标车正面受力碰撞的实时加速度，根据对标车的实时加速度获得目标车的实时等效加速度。

在设计目标车时，通常要参考对标车，这样可以降低新车的整车开发成本。因此，在本发明设计方法中，通过测量具有较好碰撞性能的对标车加速度曲线，从而得到目标车良好的车身“基因”，在此基础上反推出结构具有“先天”的良好碰撞安全性能的目标车。

获取对标车正面受力碰撞的实时加速度的来源可以是设计人员将对标车整车正面受力碰撞，获取对标车碰撞过程中的实时加速度，即亲自做碰撞试验，获取对标车的实时加速度。也可以是直接采用他人碰撞试验后的数据。其途径并不特别限制，只要能获得对标车的正面受力碰撞实时加速度即可。

优选地，对标车的实时加速度为车身B柱与门槛梁相交处的实时加速度。

优选地，目标车的实时等效加速度通过多辆对标车的实时加速度拟合获得。

比如，在本实施例中，测量5辆碰撞安全水平为5星级的同级别轿车B柱与门槛梁相交处的加速度，因为车身B柱与门槛梁相交处更加靠近驾驶者胸部，有利于将车体加速度简化成易于分析的模型。

为便于操作，可以将测量得到的对标车的实时加速度转化为加速度曲线，并对加速度曲线做双梯形拟合，获得各对标车的等效加速度的双梯形曲线，从而得到图6所示的对标车的加速度双梯形曲线下限和加速度双梯形曲线上限。在实时加速度的上限值和下限值之间选取等效加速度，作为目标车的双梯形实时等效加速度，形成图6中直线所示目标车的双梯形等效加速度曲线。优选地，对于目标车的等效加速度曲线，其第一台阶应尽量设计为对标车的实时加速度的曲线上限，而第二台阶应尽量设计为对标车的实时加速度的曲线下限。在设计时，通常需要设置一定量的设计余量，例如5％的设计余量。

2、根据上述目标车的实时等效加速度及设计重量，得到目标车的实时等效碰撞力；将所述目标车的实时等效加速度对碰撞时间积分两次，获取所述车身前部结构的实时溃缩距离，然后获得吸能部件的压溃长度。

将目标车的实时等效加速度对碰撞时间积分两次，即获得了车身前部结构的实时溃缩距离，将所述实时溃缩距离及时间曲线化，即获得如图7中显示的溃缩距离‐时间曲线。且前面我们已经获得了图6中所示的目标车的实时等效加速度曲线，比对上述两条曲线，即可获得吸能部件的压溃长度。

例如，根据前面T_s、T₁、T₂以及T₃的定义，如图6和图7所示，在本实施例中，第二吸能段D1的压溃长度△Y₁＝Y₁‐Y₀＝200mm‐90mm＝110mm，由于第二吸能段D1的长度等于吸能盒的长度，则吸能盒的压溃长度也为110mm；第三吸能段D2的压溃长度为△Y₂＝Y2‐Y1＝380mm‐200mm＝180mm，即前纵梁前段的压溃长度为180mm；第四吸能段D3的压溃长度为△Y3＝Y3‐Y2＝515mm‐380mm＝135mm，即前纵梁中后段D3的压溃长度为135mm。

由于前面我们已经获得了目标车的实时等效加速度，根据牛顿第二定律的公式F＝ma，其中F为碰撞力，m为设计重量，a为目标车实时等效加速度，所谓设计重量指欲设计的目标车的整车质量。例如，本例中目标车的设计重量为1500kg。显然，目标车的实时等效加速度乘以设计重量即可获得目标车的实时等效碰撞力。如图8所示，根据获得的实时等效碰撞力可生成碰撞力‐时间曲线。从该碰撞力‐时间曲线中也可获得各吸能段的起始、结束时刻T_s、T₁、T₂以及T₃。其获得的T_s、T₁、T₂以及T₃显然跟图6中获得的值相同，他们是一致的。

实际上比对图7中显示的溃缩距离‐时间曲线及图8中的碰撞力‐时间曲线，也可以获得获得吸能部件的压溃长度。

3、根据所述目标车的实时等效碰撞力及实时溃缩距离，获得吸能段的吸收能量。

优选地，将所述目标车的实时等效碰撞力相对实时溃缩距离积分，获得整车实时吸收能量。然后据此获得吸能段的吸收能量。下面对此进行具体解释。

由于本发明设计方法是基于碰撞能量分配的结构设计方法，由于前面我们已经获得了“实时等效碰撞力‐时间”与“溃缩距离‐时间”的曲线，而能量是碰撞力与溃缩距离相乘或积分的结果。因此本例中先将“实时等效碰撞力‐时间”与“溃缩距离‐时间”的关系转化为“实时等效碰撞力‐溃缩距离”的关系，以便获得碰撞力与溃缩距离之间的关系。

优选地，将图7所示溃缩距离‐时间曲线与图8所示碰撞力‐时间曲线相合(即消去共同自变量“时间”)，得到如图9所示的目标车的碰撞力‐溃缩距离曲线。图中碰撞力‐溃缩距离曲线下方所围的面积(目标车的实时等效碰撞力相对实时溃缩距离积分的结果)就是车体各吸能段所吸收的碰撞能量E_D0～E_D3。据此，即可获得各吸能段的吸收能量。

其中，由于第一吸能段D0的吸能部件(主要是保险杠)与第二吸能段D1的吸能部件(主要是吸能盒)变形吸能在时间上有重叠，故将其压溃长度及吸收能量合计。如下表1中具体地列出了各吸能段的压溃长度以及各段的吸收能量。

表1：目标车各吸能段压溃长度与吸收能量表

4、根据吸能部件占所述目标车在对应吸能段内的吸收能量的吸能比例，获取各吸能部件的吸收能量。

其中，吸能部件在其对应吸能段内的吸能比例可以根据设计人员的经验给出，或者可由设计人员根据设计需要给出，也可以根据参考对标车的数据给出。

优选地，取得各吸能段结束形变的时间，并根据该时间读取在该吸能段内吸能部件的吸能比例。

事实上，对于具有类似构形的对标车，相同结构的吸能比例是接近的。因此，在本实施例中，对对标车做逆向CAD建模，并建立有限元模型做仿真分析，求解得出对标车吸能段内主要吸能部件的吸能比例。

下面将对如何采用上述仿真分析的方法获得吸能盒、前纵梁前段以及前纵梁中后段的吸能比例做出具体说明。

A、吸能盒的吸能比例

本实施例通过仿真分析5个(碰撞安全水平为5星级)对标车吸能盒的吸收能量占第一吸能段、第二吸能段的总吸收能量的比例，得到图10所示的包络线。结合图6或图8可知，第二吸能段变形结束时刻约为14～18毫秒，结合图10所示包络线，第二吸能段内的吸能盒的吸能比例约为40～48％之间。在本实施例中，考虑强化设计目标，分配给吸能盒的吸能比例可设定为45％。

B、前纵梁前段的吸能比例

第三吸能段D2内的主要结构是前纵梁前段，通过仿真分析前述5个(碰撞安全水平为5星级)对标车前纵梁前段的吸收能量占第三吸能段D2段吸收能量的比例，得到图11所示的包络线。结合图6或图8可知，第三吸能段D2的碰撞结束时刻约为30～35毫秒，结合图11所示包络线，第三吸能段D₂内的前纵梁前段的吸能比例在36～50％左右，在本实施例中，分配给前纵梁前段的吸能比例可设定为45％。

C、前纵梁中后段的吸能比例

通过仿真分析前述5个(碰撞安全水平为5星级)对标车前纵梁中后段的吸收能量占第四吸能段D₃吸收能量的比例，得到图12所示的包络线。

图11表明，由于各款车的发动机舱附件、造型面存在较大差别，导致了这些部件参与吸能的程度有较大差别，因此前纵梁中后段吸收能量占D₃段总吸收能量的比例也有较大差别，这5款对标车的包络线在14％～22％之间。

如图5所示，D₃段的碰撞结束时刻约为54～60毫秒，结合图11所示包络线，D₃段内的纵梁中后段的吸能比例在14～22％左右。

需要说明的是，与纵梁前段不一样，前纵梁中后端结构应适当控制刚度，既不能太弱导致发动机过度侵入乘员舱，也应避免结构过刚导致纵梁中后端顶撞乘员舱，因此结合工程上的经验，此处按上述吸能比例的中位值分配给前纵梁中后段的吸能比例为19％。

根据上述得出的各吸能部件在对应吸能段中的吸能比例，以及结合表1中所列各吸能段的吸收能量值，可算得出各吸能部件如吸能盒、前纵梁前段以及前纵梁中后段的吸收能量。

5、将各吸能部件的吸收能量除以所述对应吸能部件的压溃长度，获取所述各吸能部件的理论平均通过力。

需要说明的是，本例中表1统计的能量是左右两侧吸能盒或前纵梁共同变形吸收的能量，因此在计算吸能部件的平均通过力时，需要除以2得到单侧的结果：

吸能盒： $F_1=\frac{\frac{1}{2}\×(E_{D0}+E_{D1})\×45\%}{{\mathrm{\ΔY}}_1}=\frac{\frac{1}{2}\×24.7\×0.45}{0.11}=50.5\left(\mathrm{KN}\right);$

前纵梁前段： $F_2=\frac{\frac{1}{2}\×E_{D2}\×45\%}{{\mathrm{\ΔY}}_2}=\frac{\frac{1}{2}\×55.3\×0.45}{0.18}=69.1\left(\mathrm{KN}\right);$

前纵梁中后段： $F_3=\frac{\frac{1}{2}\×E_{D3}\×19\%}{{\mathrm{\ΔY}}_3}=\frac{\frac{1}{2}\×63.3\×0.19}{0.14}=43.2\left(\mathrm{KN}\right).$

上述计算出来的理论平均通过力是车辆碰撞加速度达到目标加速度曲线的最小通过力，也就是说，当各吸能段内所有的结构均参与碰撞压溃时，吸能盒、前纵梁前段以及前纵梁中后段的理论平均通过力。前纵梁中后段的理论平均通过力小于前纵梁前段的理论平均通过力是因为前纵梁中后段只有部分被压溃，且有较多的附件参与分担了吸能、传递碰撞力。

6、根据吸能部件实际平均通过力大于或等于理论平均通过力的原则，设计出各吸能部件的设计参数。

现有技术中，存在各种各样的通过力公式，都可以用在本发明中计算吸能部件的实际平均通过力。

本例中，吸能部件为管梁型结构，所述设计参数包括吸能部件横截面的长度、宽度、壁厚及材料。

本例中优选采用下述公式计算吸能盒、前纵梁前段及前纵梁中后段的实际平均通过力。

其中，F_实为实际平均通过力，d为薄壁矩形管梁的横截面长度，b为薄壁矩形管梁的横截面宽度，t为薄壁矩形管梁的壁厚，σ_y为钣材屈服应力，σ(ε)为材料的单向拉伸应力‐应变曲线函数，ε_f为材料的延伸率，ε为材料的单向拉伸应变。采用上述平均通过力公式计算出的平均通过力数值与实验数值相比较，两者的数值非常接近，其准确率较高。

本例中的吸能部件如吸能盒、前纵梁前段、前纵梁中后段的厚度t经常选用1.8mm、2.0mm、2.2mm、2.5mm、3.0mm五种规格；截面形状经常选用50mm×100mm、55mm×105mm、60mm×110mm、65mm×115mm、70mm×120mm五种规格，材料经常选用普通钢SPHD、H220BD+ZF和高强度钢H340LAD+ZZF、HC420LA。已知四种材料的屈服应力σ_y、能量平均应力σ_a见表2。

表2：材料力学性能

材料	屈服应力σy/Mpa	能量平均应力σa/Mpa
			H220BD+ZF	218.09	386.54
SPHD	269.54	354.87
			H340LAD+ZZF	371	482.82
HC420LA	423.39	622.58

其中，能量平均应力σ_a的表达式为：

${\mathrm{\σ}}_a=\frac{{\∫}_0^{{\mathrm{\ϵ}}_f}\mathrm{\σ}\left(\mathrm{\ϵ}\right)\mathrm{d\ϵ}}{{\mathrm{\ϵ}}_f}$

σ(ε)为材料的单向拉伸应力‐应变曲线函数，ε_f为材料的延伸率，这两个材料参数可以通过单向拉伸试验获得。

根据上面提供的吸能部件的实际平均通过力的计算公式、能量平均应力σ_a的表达式和表2计算出上述各种规格吸能部件的实际平均通过力，具体见表3～表7。

表3：t＝1.8mm时实际平均通过力计算结果

表4：t＝2.0mm时实际平均通过力计算结果

表5：t＝2.2mm时实际平均通过力计算结果

表6：t＝2.5mm时实际平均通过力计算结果

表7：t＝3.0mm时实际平均通过力计算结果

根据上述提供的表格，可选择合适的设计参数来设计吸能部件。优选地，还可以结合对目标车各吸能段的材料经济性控制目标进一步优化设计参数。

优选地，前纵梁前段的实际平均通过力大于吸能盒的实际平均通过力，前纵梁中后段的实际平均通过力大于前纵梁前段的实际平均通过力。

本例中所谓的“材料经济性控制”为本领域技术人员所公知，即为车身开发常用的结构轻量化控制，由于本示例纵梁材料均采用钢材，材料已定，因此轻量化原则实际上是比较截面积的大小。

故前纵梁中后段的横截面积大于前纵梁前段的横截面积，前纵梁前段的横截面积大于吸能盒的横截面积。

下面依据轻量化原则，在表3～表7中选择吸能盒与前纵梁前段及前纵梁中后段的设计参数。

(1)、吸能盒的设计参数

前面已经得出吸能盒的理论平均通过力为50.5KN，比较表3～表7，可知表3第11行数据中，平均通过力53.99KN大于理论平均通过力为50.5KN，满足碰撞性能要求，钣材的截面积A最小。即吸能盒的设计可确定为：横截面100mm×50mm，厚度1.8mm，材料为H340LAD+ZZF。

(2)、前纵梁前段的设计参数

前面已经得出前纵梁前段的理论平均通过力为69.1KN，根据结构承载稳定性控制要求，即碰撞中，前纵梁结构遵循“从前至后依次逐级溃缩/变形”的原则。前纵梁前段的理论平均通过力69.1KN大于吸能盒的理论平均通过力50.5KN，因此满足结构承载稳定性控制要求。优选地，为了保证吸能盒变形时，前纵梁前段不会失稳，前纵梁前段的宽度不应小于吸能盒的宽度(即≥50mm)。当然，如果前纵梁与吸能盒在碰撞时不会发生弯折变形，则无需考虑前纵梁前段的宽度应大于吸能盒的宽度这一因素。

比较表3～表7，可知表4中第16行数据满足上述刚度控制目标和碰撞性能要求，即该前纵梁前段的设计可确定为：横截面100mm×50mm，厚度2.0mm，材料为HC420LA。

(3)、前纵梁中后段的设计参数

同样由于前纵梁前段已经选用了通过力为79.54KN的管梁，根据刚度控制要求，前纵梁中后段的实际平均通过力不应小于前纵梁前段的实际平均通过力，且为了保证前纵梁前段时，前纵梁中后段不会失稳，前纵梁中后段的横截面长和宽也不应小于前纵梁前段的横截面长和宽。

比较表3～表7，可知表4中第17行数据满足上述控制目标，即前纵梁中后段的设计可确定为：横截面110mm×60mm，厚度2.2mm，材料为HC420LA。该段的截面尺寸如图13所示。

以上，按照本发明设计方法对吸能盒、前纵梁进行了设计。按照同样的步骤，也可设计与吸能盒处于相同结构段内的其他附件。依次类推，也可用于设计前纵梁前段、中后段处于相同结构段内的其他附件。

但本发明并不是限定所有吸能部件都必须经过上述设计来获得设计参数。本领域技术人员在车身前部结构设计时，部分吸能部件可以采用本发明提到的方法来获得其设计参数，而部分吸能部件则可借鉴设计人员经验或者设计人员参考对标车的设计参数直接获得。只要有吸能部件采用本发明的设计方法就落在本发明的保护范围之类。比如，保险杠的设计参数采用现有技术的设计方法获得，而吸能盒、前纵梁前段、前纵梁中后段采用本发明的设计方法获得。

实验验证：首先对根据前述设计方法设计出的吸能盒、前纵梁前段以及前纵梁中后段(材料、厚度、截面尺寸)建立3D数模，进行仿真分析；其次将前述设计出的结构在物理试验车中进行轿车碰撞安全实验。

如下图13、图14所示，从图中可以看出，试验的加速度曲线、基于详细3D数模的仿真加速度曲线与拟合的等效加速度曲线的趋势基本吻合，并且加速度峰值也相差在10％以内。这说明本发明设计方法的有效性。

本发明并不限于上述具体实施方式，对于本领域技术人员来说显而易见的技术方案，在不脱离本发明的精神或范围的情况下，对本发明做各种改变和/或修改，仍属于本发明保护的范围。

Claims (10)

1.一种汽车车身前部结构的设计方法，所述汽车车身前部结构包括吸能段，所述吸能段内设有吸能部件，其特征在于，包括如下步骤：

获取对标车正面受力碰撞的实时加速度；根据对标车的实时加速度获得目标车的实时等效加速度；

根据上述目标车的实时等效加速度及设计重量，得到目标车的实时等效碰撞力；将所述目标车的实时等效加速度对碰撞时间积分两次，获取所述车身前部结构的实时溃缩距离，然后获得吸能部件的压溃长度；

根据所述目标车的实时等效碰撞力及实时溃缩距离，获得吸能段的吸收能量；

根据吸能部件占所述目标车在对应吸能段内的吸收能量的吸能比例，获取吸能部件的吸收能量；

将吸能部件的吸收能量除以所述对应吸能部件的压溃长度，获取所述吸能部件的理论平均通过力；

根据吸能部件实际平均通过力大于或等于理论平均通过力的原则，设计出吸能部件的设计参数。

2.根据权利要求1所述的汽车车身前部结构的设计方法，其特征在于，所述对标车的实时加速度为车身B柱与门槛梁相交处的实时加速度。

3.根据权利要求1所述的汽车车身前部结构的设计方法，其特征在于，所述吸能部件的压溃长度通过如下步骤获得：通过实时溃缩距离获得溃缩距离‐时间曲线，通过目标车的实时等效加速度获得实时等效加速度曲线，比对上述两条曲线，获得吸能部件的压溃长度。

4.根据权利要求1所述的汽车车身前部结构的设计方法，其特征在于，所述吸能部件为管梁型结构，所述设计参数包括吸能部件横截面的长度、宽度、壁厚及材料。

5.根据权利要求4所述的汽车车身前部结构的设计方法，其特征在于，所述汽车车身前部结构包括第一吸能段、第二吸能段、第三吸能段、第四吸能段；

第一吸能段内设有吸能部件：保险杠；

第二吸能段内设有吸能部件：吸能盒；

第三吸能段内设有吸能部件：前纵梁前段；

第四吸能段内设有吸能部件：前纵梁中后段。

6.根据权利要求5所述的汽车车身前部结构的设计方法，其特征在于，所述吸能盒、前纵梁前段及前纵梁中后段的实际平均通过力获取自公式：

其中，F_实为实际平均通过力，d为矩形薄壁管梁的横截面长度，b为矩形薄壁管梁的横截面宽度，t为矩形薄壁管梁的壁厚，σ_y为钣材屈服应力，σ(ε)为材料的单向拉伸应力‐应变曲线函数，ε_f为材料的延伸率，ε为材料的单向拉伸应变。

7.根据权利要求6所述的汽车车身前部结构的设计方法，其特征在于，所述吸能盒、前纵梁前段和前纵梁中后段占所述目标车在各自吸能段的总吸收能量的比例分别为40～48％、36～50％和14～22％。

8.根据权利要求7所述的汽车车身前部结构的设计方法，其特征在于，前纵梁前段的实际平均通过力大于吸能盒的实际平均通过力，且前纵梁后段的实际平均通过力大于前纵梁前段的实际平均通过力。

9.根据权利要求1所述的汽车车身前部结构的设计方法，其特征在于，吸能段的吸收能量通过如下步骤获得：将目标车的实时等效碰撞力相对实时溃缩距离积分，获得整车实时吸收能量，然后获得吸能段的吸收能量。

10.一种汽车的设计方法，其特征在于，包括步骤：

采用权利要求1‐9任一项所述的设计方法设计汽车车身前部结构；

将上述车身前部结构与动力总成、发动机舱布置和底盘定型进行结构细化设计和整车总布置，设计出合理初版的车身结构三维数模；

对合理初版的车身结构三维数模进行仿真分析，优化车身结构，设计出工程样车三维数模；

进行工程样车的试制试验，性能达标后获得最终的汽车CAD数模。