CN106709151B - 汽车正面25%重叠率碰撞的车身前端结构设计方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种汽车正面25％重叠率碰撞的车身前端结构设计方法，为解决目前汽车正面25％重叠率碰撞的车身前端构件优化设计过程中存在的设计盲目性及在优化设计过程中采用CAE技术手段时的反复建模和计算耗时长的问题，汽车正面25％重叠率碰撞的车身前端结构设计方法的步骤：1.建立车辆等效简化模型：1)提取刚度特性和惯性特性；2)将提取的刚度特性和惯性特性参数化；3)明确车身前端结构各构件等效简化模型模拟方式；4)简化前纵梁、前指梁和副车架；5)处理车体其他部件；6)验证车辆等效简化模型。2.获取车身前端结构抗撞性设计目标；3.设计前纵梁、前指梁及副车架；4.仿真验证优化设计后车身前端结构的正面抗撞性。

Description

汽车正面25%重叠率碰撞的车身前端结构设计方法

技术领域

本发明涉及汽车碰撞安全领域，具体涉及一种针对汽车正面25％重叠率碰撞的车身前端结构设计方法。

背景技术

据国内外研究机构对交通事故类型的统计，最常见的碰撞类型为前部正面碰撞，其事故发生率约占所有碰撞事故的50％以上，并且正面碰撞造成的乘员伤亡率很高，由其导致的人员与经济损失不容忽视。因此，各国的安全性法规与新车评价规程将正面碰撞作为测试项目纳入评价体系，测试工况主要包括正面全宽碰撞与正面40％偏置碰撞。但这两种测试工况不能很好地覆盖各类正面碰撞事故形式。为了提高车辆的正面抗撞性，测试工况的多样性、高覆盖性及高事故还原度成为当今各车辆安全评价法规发展的趋势。

美国公路安全保险协会(Insurance Institute for Highway Safety，以下简称IIHS)的交通事故调查结果表明在所有正面碰撞死亡事故中，小偏置正面碰撞约占正面碰撞总量的四分之一。这里的小偏置正面碰撞是指碰撞接触面宽度小于30％车宽的正面碰撞。在小偏置正面碰撞中重要的吸能部件起到的作用很小，乘员舱受到较大的载荷冲击力，产生严重变形，破坏程度要远远高于常规的正面碰撞，对车内乘员造成极大的伤害。

但在各国安全性法规及新车评价规程中，仅IIHS在2012年对小偏置这种正面碰撞类型做出了评价。IIHS对正面25％重叠率碰撞试验工况(如图2所示) 规定如下：该工况中车身与壁障的碰撞接触面宽度为车宽的25％，碰撞速度为 63.4-65.4km/h，采用刚性壁障(如图3-a至3-d，其正面形状为一长方形，宽 b为1000mm、高h为1524mm；右端为一圆弧，其半径R为150mm、弧度α为115 °；碰撞面钢板的厚度t为38.1mm；碰撞接触面宽度a为431mm)，并且要求在驾驶员侧放置一个50th混Ⅲ男性假人。正面25％重叠率碰撞评价方法包括车体结构完整性、约束系统与假人运动及假人伤害三部分。每一部分评价分为“优秀”、“良好”、“及格”、“差”四个等级。车体结构完整性评价部分包括十个测量点(以下称为侵入量监测点)侵入量的评价：A柱上、下部，仪表板上、下部，歇脚板，左侧地板，制动踏板，驻车踏板，门槛，转向柱。假人伤害评价包括头颈部、胸部、大腿及髋部、小腿及脚部伤害评价。约束系统与假人运动的评价部分为扣分项目，根据相应考察项目的不合格情况扣除相应分值，扣除的分值越多，等级越低。

正面25％重叠率碰撞严苛的评价体系和严重的车体与乘员伤害引起了国内外企业与研究机构的重视。目前，各企业及研究机构对该工况的研究主要集中在车体结构修改上。绝大多数汽车开发厂商通常是根据某款车在该工况试验中出现的吸能不足、乘员舱侵入的情况，对结构进行修改，再通过试验或CAE方法对改进后的车体结构进行抗撞性的验证，以此来实现乘员的保护。这种结构修改方法，很难把握乘员舱侵入量减小的程度，导致了结构设计与修改的盲目性，只能通过乘员伤害预测反复修改结构来达到乘员保护的目的，增加了设计的难度和项目开发的风险。并且可能造成车体结构“过安全”，增加车重和成本。由此可见在目前汽车正面25％重叠率碰撞车身前端结构的设计工作中还缺少对优化设计方法的研究。

发明内容

本发明所要解决的技术问题是目前汽车正面25％重叠率碰撞的车身前端结构设计过程中存在的设计盲目性以及采用CAE技术手段时的反复建模和计算耗时长的问题，本发明提供了一种汽车正面25％重叠率碰撞的车身前端结构设计方法。

为解决上述技术问题，本发明是采用如下技术方案实现的：所述的汽车正面25％重叠率碰撞的车身前端结构设计方法的步骤如下：

1)建立车辆等效简化模型；

2)获取车身前端结构抗撞性设计目标；

3)设计前纵梁、前指梁及副车架；

4)仿真验证优化设计后车身前端结构的正面抗撞性。

技术方案中所述的建立车辆等效简化模型包括步骤如下：

1)仿真模拟IIHS正面25％重叠率碰撞工况；

2)提取前端结构主要吸能非板件的刚度特性和惯性特性；

3)将提取的刚度特性参数化；

4)明确车身前端结构各构件等效简化模型模拟方式；

5)简化前纵梁、前指梁和副车架；

6)处理车体其他部件；

7)验证车辆等效简化模型的有效性。

技术方案中所述的获取车身前端结构抗撞性设计目标包括步骤如下：

1)计算前纵梁、前指梁及副车架目标吸能量之和E

其中:E的单位为J；m为整车质量，单位为kg；v₀为碰撞初速度，单位为 m/s；v为碰撞结束速度，单位为m/s；η表示车体前端目标吸能比例，取80％-90％； E_k为前端结构中翼子板及轮罩、保险杠总成、发动机罩三部分目标吸能量之和，单位为J，其值由该三部分在法规临界侵入量下的吸能量-时间曲线得到；E_qt表示车体前端其他构件吸能量，在1-4kJ；在该式中给定碰撞结束速度v和目标吸能比例η，即求出前纵梁、前指梁与副车架目标吸能量之和E。

2)分别计算前纵梁、前指梁及副车架的目标吸能量

修改简化模型前纵梁、前指梁、副车架的特性参数，得到在该工况碰撞中翼子板及轮罩、保险杠总成、发动机罩三部分在法规临界侵入量下的吸能量-时间曲线，可得式(1)中的E_k值；在式(1)中再给定碰撞结束速度v和目标吸能比例η，即可求出前纵梁、前指梁及副车架的目标吸能量之和E；然后输出各前端薄壁梁构件的吸能量-时间曲线，据此分别得到前纵梁、前指梁和副车架的目标吸能比例η_q、η_s、η_f；再利用下列各式分别算出其目标吸能量E_q、E_s、E_f；

E_q＝η_q·E (2)

E_s＝η_s·E (3)

E_f＝η_f·E (4)

式中：E为前纵梁、前指梁及副车架的目标吸能量之和，单位为J；E_q、E_s、 E_f分别为前纵梁、前指梁、副车架的目标吸能量，单位为J；η_q、η_s、η_f分别为前纵梁、前指梁、副车架的目标吸能比例。

技术方案中所述的设计前纵梁是指：

(1)计算单侧前纵梁各段目标吸能量：

将左侧前纵梁的目标吸能量即总的吸能量减去右侧前纵梁的吸能量，作为单侧前纵梁的设计目标，为使设计的前端结构也适应正面全宽碰撞和40％重叠率偏置碰撞，左右两侧前纵梁的设计保持一致，通过分析等效简化模型前纵梁各段变形吸能量占整个前纵梁吸能量的比例，分别给定各段目标吸能比例，最终得到单侧前纵梁各段目标吸能量；

(2)设计前纵梁各段x向长度及目标平均轴向结构力

式中：E_q为前纵梁压溃变形目标吸能量，即前纵梁目标吸能量减去前纵梁弯曲变形目标吸能量，单位为J；E_qi为前纵梁第i段压溃变形目标吸能量，单位为J；F_qi为前纵梁第i段的目标平均轴向结构力，单位为N；S_qi为前纵梁第 i段的压溃长度，单位为m；k_qi为前纵梁第i段的压缩系数，是一个无量纲参数；D_qi为前纵梁第i段的原长度，单位为m；

根据车辆总布置要求确定前纵梁x向总长度，根据吸能要求与发动机、车轮等布置要求确定前纵梁各段x向长度。在式(5)中，取等效简化模型中前纵梁第i段被压缩的长度占原长度的比例作为第i段的压缩系数k_qi，综合考虑式(5) 和逐级压溃系数要求，得到压溃变形段的目标平均轴向结构力，吸能盒x向长度与车辆-假人有限元基础模型相同；

(3)选取材料并设计断面

①选取材料

吸能盒材料选为冷连轧低碳钢0.2T/DC01，前纵梁各段材料选为低碳钢；

②设计断面

低碳钢材质的矩形截面薄壁梁平均轴向结构力计算公式为

式中:F为平均轴向结构力，单位为N；σ₀为平均流动应力，单位为Mpa，低碳钢为486Mpa；b为矩形截面长宽平均值，单位为mm；t为薄壁梁厚度，单位为mm；v₀为动态载荷，单位为m/s；c为特征应变率，是一个无量纲参数，低碳钢取为40％；p为材料敏感度度量值，是一个无量纲参数，低碳钢p值为6。

技术方案中所述的设计前指梁包括步骤如下：

(1)计算单侧前指梁各段目标吸能量：

将左侧前指梁的目标吸能量即总的吸能量减去右侧前指梁的吸能量，作为单侧前指梁的设计目标，为使设计的前端结构也适应正面全宽碰撞和40％重叠率偏置碰撞，左右两侧前指梁的设计保持一致，通过分析等效简化模型前指梁各段变形吸能量占整个前指梁吸能量的比例，分别给定各段目标吸能比例，最终得到单侧前指梁各段目标吸能量；

(2)设计前指梁各段x向长度及目标平均轴向结构力

式中：E_s为前指梁压溃变形目标吸能量，即前指梁目标吸能量减去前指梁弯曲变形目标吸能量，单位为J；E_si为前指梁第i段压溃变形目标吸能量，单位为J；F_si为前指梁第i段的目标平均轴向结构力，单位为N；S_si为前指梁第i段的压溃长度，单位为m；k_si为前指梁第i段的压缩系数，是一个无量纲参数；D_si为前指梁第i段的原长度，单位为m；

根据车辆-假人有限元基础模型中总布置要求确定前指梁x向总长度，根据前指梁变形特点在考虑总布置要求后，由式(7)和逐级压溃系数得到前指梁各段x向设计长度以及相应目标平均轴向结构力；

(3)选取材料并设计断面

①选取材料

选取前指梁各段材料为低碳钢，材料平均流动应力为486MPa；

②设计断面

取前指梁各段厚度与车辆-假人有限元基础模型相同，由公式(6)分别得到前指梁压溃变形段的截面长宽均值，从前指梁中部到前指梁后部为渐变截面，最后满足前指梁与车门铰链连接强度要求。

技术方案中所述的设计副车架包括步骤如下：

(1)计算单侧副车架各段目标吸能量:

将副车架左侧纵梁的目标吸能量即副车架纵梁吸能量减去右侧纵梁的吸能量，作为副车架单侧纵梁的设计目标，为使设计的前端结构也适应正面全宽碰撞和40％重叠率偏置碰撞，左右两侧副车架纵梁的设计保持一致，通过分析等效简化模型副车架各段变形吸能量占整个前指梁吸能量的比例，分别给定各段目标吸能比例，最终得到单侧副车架各段目标吸能量；

(2)设计副车架各段x向长度及目标平均轴向结构力

式中：E_f为副车架纵梁压溃变形目标吸能量，即副车架目标吸能量减去副车架横梁目标吸能量及副车架纵梁弯曲变形目标吸能量，单位为J；E_fi为副车架纵梁第i段压溃变形目标吸能量，单位为J；F_fi为副车架纵梁第i段的目标平均轴向结构力，单位为N；S_fi为副车架纵梁第i段的压溃长度，单位为m；k_fi为副车架纵梁第i段的压缩系数，是一个无量纲参数；D_fi为副车架纵梁第i段的原长度，单位为m；

根据有限元基础模型车身总布置要求确定副车架纵梁长度范围，根据发动机、车轮等布置要求确定副车架纵梁各段长度，副车架横梁长度取决于车身总布置要求与副车架纵梁位置，在Pam-Crash后处理模块中得到副车架纵梁各段弯曲变形分别吸收的能量，据此确定副车架纵梁压溃变形目标吸能量，由变形后长度占原长度的比例确定压缩系数，最后根据式(8)和逐级压溃系数得到副车架纵梁各段目标平均轴向结构力；

(3)选取材料并设计断面

①选取材料

选取副车架各段材料为低碳钢，材料平均流动应力为486Mpa；

②设计断面

取副车架各段厚度与车辆-假人有限元基础模型相同，由式(6)分别得到副车架纵梁前、后段的截面长宽均值，将副车架横梁截面设计成由中间到两边逐渐变大的形式。

技术方案中所述的仿真验证优化设计后车身前端结构的正面抗撞性包括如下步骤：

将设计的前纵梁、前指梁和副车架替换原车辆-假人有限元基础模型中的相应构件得到新的有限元模型；

1)验证正面25％重叠率碰撞的吸能量与乘员舱侵入量

利用Pam-Crash软件将新的有限元模型在25％重叠率正面碰撞工况中验证前纵梁、前指梁、副车架的吸能量及这三个构件的吸能量之和是否达到目标设计要求即目标吸能量，同时还要验证乘员舱侵入量是否达到目标设计要求即法规临界侵入量：

(1)达到目标设计要求

达到目标设计要求,则可接着验证正面全宽碰撞的B柱加速度波形；

(2)未达到目标设计要求

未达到目标设计要求，则需重新调整目标吸能比例或构件截面长宽值，直至满足目标设计要求；

2)验证正面全宽碰撞的B柱加速度波形

在Pam-Crash软件中输出并对比新的有限元模型和原车辆-假人有限元基础模型在正面全宽碰撞工况中的B柱加速度波形，观察新的有限元模型的B柱加速度峰值是否有明显增大：

(1)B柱加速度峰值无明显增大

新的有限元模型的B柱加速度峰值无明显增大，则接着验证正面40％偏置碰撞的乘员舱侵入量；

(2)B柱加速度峰值有明显增大

新的有限元模型的B柱加速度峰值有明显增大，则需重新调整目标吸能比例或构件截面长宽值直至B柱加速度峰值无明显增大；

3)验证正面40％偏置碰撞的乘员舱侵入量

利用Pam-Crash软件验证新的有限元模型在40％重叠率偏置碰撞工况中的乘员舱侵入量是否超过法规临界侵入量：

(1)未超过法规临界侵入量

乘员舱临界侵入量未超过法规临界侵入量，车身前端结构的优化设计结果就作为最终的优化设计方案；

(2)超过法规临界侵入量

乘员舱侵入量超过法规临界侵入量，则需重新调整目标吸能比例或构件截面长宽值，直至乘员舱侵入量不超过法规临界侵入量。

与现有技术相比本发明的有益效果是：

1.本发明所述的针对汽车正面25％重叠率碰撞的车身前端结构设计方法中基于车辆-假人有限元基础模型(模型坐标系与车身坐标系相同，即汽车长度方向为x向，宽度方向为y向，高度方向为z向)建立的车身前端结构等效简化模型，省略了在优化过程中对模型几何数据的修改过程，缩短了建模过程和时间；在现有的汽车正面25％重叠率碰撞的车身前端结构的设计过程中，每次设计方案的修改都要从几何模型出发，然后再重新对几何模型处理并建立CAE分析模型，而本发明提供的设计方法采用简化梁结构代替了前端结构的详细有限元结构，而前端结构的几何信息则采用数学参数来表达，从而省略了在优化过程中对几何模型的修改过程。

2.本发明所述的针对汽车正面25％重叠率碰撞的车身前端结构设计方法中建立的等效简化模型数据量更少，使得在模型计算过程中耗时更少，更有利于大量计算。目前在汽车正面25％重叠率碰撞的车身前端结构设计过程中普遍采用的CAE模型一般都依据其几何数据建立，模型相对较复杂，数据量较大，导致计算过程耗时长，而本发明中采用梁单元建立的等效简化模型，减少了模型的数据规模，计算速度更快。

3.在目前的汽车正面25％重叠率碰撞车身前端结构的设计过程中，设计人员由于缺少设计经验和方法，优化的过程中只能通过不断的试错直到达到预期的优化效果，导致了设计过程的盲目性和不确定性，这一过程可能会耗费大量的时间。本发明在车身前端结构的设计过程中，根据前端结构吸能量分布规律来探究其设计目标，然后合理设计构件截面和结构尺寸，通过轴向压溃和弯曲变形方式合理分流载荷，达到设计目标，避免盲目性和不确定性。

附图说明

下面结合附图对本发明作进一步的说明：

图1为本发明所述的针对汽车正面25％重叠率碰撞的车身前端结构设计方法的流程框图；

图2为IIHS正面25％重叠率碰撞试验工况示意图；

图3-a为IIHS正面25％重叠率碰撞试验工况采用的刚性壁障的主视图；

图3-b为IIHS正面25％重叠率碰撞试验工况采用的刚性壁障的左视图；

图3-c为IIHS正面25％重叠率碰撞试验工况采用的刚性壁障的俯视图；

图3-d为IIHS正面25％重叠率碰撞试验工况采用的刚性壁障的轴侧投影视图；

图4-a为典型车身前端结构前中后吸能区分布图；

图4-b为车身前端结构板件的分解式轴侧投影视图；

图5-a为本发明所述的针对汽车正面25％重叠率碰撞的车身前端结构设计方法中所采用的压溃刚度特性曲线参数化方法图；

图5-b为本发明所述的针对汽车正面25％重叠率碰撞的车身前端结构设计方法中所采用的弯曲刚度特性曲线参数化方法图；

图6-a为本发明所述的针对汽车正面25％重叠率碰撞的车身前端结构设计方法中车辆-假人有限元基础模型中的前纵梁结构图；

图6-b为本发明所述的针对汽车正面25％重叠率碰撞的车身前端结构设计方法中的前纵梁等效简化模型图；

图7-a为本发明所述的针对汽车正面25％重叠率碰撞的车身前端结构设计方法中车辆-假人有限元基础模型中的前指梁结构图；

图7-b为本发明所述的针对汽车正面25％重叠率碰撞的车身前端结构设计方法中的前指梁等效简化模型图；

图8-a为本发明所述的针对汽车正面25％重叠率碰撞的车身前端结构设计方法中车辆-假人有限元基础模型中的副车架结构图；

图8-b为本发明所述的汽车正面25％重叠率碰撞的车身前端结构设计方法中的副车架等效简化模型图；

图9-a为本发明所述的针对汽车正面25％重叠率碰撞的车身前端结构设计方法中车辆-假人有限元基础模型；

图9-b为本发明所述的针对汽车正面25％重叠率碰撞的车身前端结构设计方法中的等效简化模型；

图10-a为本发明所述的针对汽车正面25％重叠率碰撞的车身前端结构设计方法中车辆-假人有限元基础模型简化前后吸能量-时间曲线对比图；

图10-b为本发明所述的针对汽车正面25％重叠率碰撞的车身前端结构设计方法中车辆-假人有限元基础模型简化前后接触力-时间曲线对比图；

图10-c为本发明所述的针对汽车正面25％重叠率碰撞的车身前端结构设计方法中车辆-假人有限元基础模型简化前后七个相关监测点侵入量对比图；

图11-a为本发明所述的针对汽车正面25％重叠率碰撞的车身前端结构设计方法中翼子板及轮罩、保险杠总成、发动机罩三部分在法规临界侵入量下的吸能量-时间曲线图；

图11-b为本发明所述的针对汽车正面25％重叠率碰撞的车身前端结构设计方法中前端薄壁梁构件吸能量-时间曲线图；

图12-a为本发明所述的针对汽车正面25％重叠率碰撞的车身前端结构设计方法中设计后的前纵梁x向投影图；

图12-b为本发明所述的针对汽车正面25％重叠率碰撞的车身前端结构设计方法中设计后的前纵梁轴测投影图；

图13-a为本发明所述的针对汽车正面25％重叠率碰撞的车身前端结构设计方法中设计后的前指梁x向投影图；

图13-b为本发明所述的汽车正面25％重叠率碰撞的车身前端结构设计方法中设计后的前指梁轴测投影图；

图14-a为本发明所述的针对汽车正面25％重叠率碰撞的车身前端结构设计方法中设计后的副车架z向投影图；

图14-b为本发明所述的针对汽车正面25％重叠率碰撞的车身前端结构设计方法中设计后的副车架轴测投影图；

图15为本发明所述的针对汽车正面25％重叠率碰撞的车身前端结构设计方法中设计后前端结构正面25％重叠率碰撞乘员舱侵入量与法规临界侵入量对比图；

图16为本发明所述的针对汽车正面25％重叠率碰撞的车身前端结构设计方法中前端结构设计前后正面全宽碰撞B柱加速度波形对比图；

图17为本发明所述的针对汽车正面25％重叠率碰撞的车身前端结构设计方法中设计后前端结构正面40％偏置碰撞乘员舱侵入量与法规临界侵入量对比图；

图中:1.前防撞梁，2.吸能盒，3.前纵梁，4.前指梁，5.副车架，6.发动机罩，7.前围上盖板，8.前围板，9.前轮罩，10.散热器框架，11.前翼子板。

具体实施方式

下面结合附图对本发明作详细的描述：

参阅图4-a与图4-b，本发明中所述的车身前端结构中的零部件是指A柱之前的构件，主要包括前防撞梁1、吸能盒2、前纵梁3、前指梁4、副车架5、发动机罩6、前围上盖板7、前围板8、前轮罩9、散热器框架10与前翼子板11，其中，前五个构件为非板件，后六个为板件。本发明所提供的针对汽车正面25％重叠率碰撞的车身前端结构设计方法主要是针对前纵梁3、前指梁4及副车架5 的设计，并把吸能盒2包含在前纵梁3中来设计。

本发明所述的针对汽车正面25％重叠率碰撞的车身前端结构设计方法的步骤如下：

1.建立车辆等效简化模型

1)仿真模拟IIHS正面25％重叠率碰撞工况

利用Pam-Crash软件建立所研究车型的车辆-假人有限元基础模型的IIHS 正面25％重叠率碰撞工况仿真模拟环境，依照法规规定使用刚性壁障，并将壁障 6个自由度全部约束，采用车辆主动碰撞固定壁障的方式进行模拟，碰撞速度为 64km/h。

2)提取前端结构主要吸能非板件的刚度特性和惯性特性

碰撞发生时，前端结构中主要吸能构件包括：前纵梁3(包含吸能盒2)、前指梁4、副车架5、发动机罩6、前翼子板11以及前轮罩9。此处只需提取非板件的刚度特性和惯性特性。整车碰撞中前端结构吸能较多的非板件多产生压溃和弯曲两种变形方式，构件刚度特性提取主要是指这两种变形方式的刚度特性提取。

(1)提取前端结构主要吸能非板件的压溃刚度特性

压溃刚度特性反映到力学特性上是力和变形的关系，即碰撞力-压溃量曲线。利用Pam-Crash软件仿真碰撞计算结束后，在得到的后处理文件中分别输出前纵梁3(包含吸能盒2)、前指梁4、副车架5的碰撞力-压溃量曲线，即为这三个构件的压溃刚度特性。

(2)提取前端结构主要吸能非板件的弯曲刚度特性

梁结构产生弯曲变形时会产生塑性铰，碰撞能量主要由塑性铰来吸收，弯曲刚度特性(即塑性铰的刚度特性)反映到力学特性上是力矩和角度的关系，即弯矩-转角曲线。利用Pam-Crash软件仿真碰撞计算结束后，在得到的后处理文件中分别输出前纵梁3(包含吸能盒2)、前指梁4、副车架5产生塑性铰位置的弯矩-转角曲线，即为这三个构件的弯曲刚度特性。

(3)提取前端结构主要吸能非板件的惯性特性

发生压溃变形的构件用梁单元来模拟，梁的惯性特性主要体现在它的截面上，即梁的截面特性决定了梁的惯性特性，梁的截面特性包括截面的面积和截面的惯性矩。通过hypermesh软件的hyperbeam功能提取前纵梁3(包含吸能盒 2)、前指梁4、副车架5的截面特性。

发生弯曲变形的构件用弹簧单元来模拟，在PAM-CRASH软件中提取构件产生塑性铰部位的质量及惯性矩，即为其惯性特性。

3)将提取的刚度特性参数化

基于能量守恒原则对上一步中提取的压溃刚度特性(碰撞力-压溃量曲线) 及弯曲刚度特性(弯矩-转角曲线)进行参数化。

(1)压溃刚度特性参数化

参阅图5-a，将提取的碰撞力-压溃量曲线用F_p、d_p、F_m、d_e四个参数来表示，F_p为构件的压溃力峰值，表示构件在压溃工况下所能承受的最大载荷，即最大承载能力；d_p为峰值力所对应的压溃量；F_m为构件的平均压溃力，表示构件的平均承载能力；d_e为有效压溃量，即压溃量超过此值后，几乎不再产生变形，碰撞力会急剧增加。

(2)弯曲刚度特性参数化

参阅图5-b，将提取的弯矩-转角曲线用M_p、θ_m、M_m、θ_e四个参数表示。M_p为构件弯曲力矩的峰值，表示构件某方向所能承受的最大弯曲力矩，即最大弯曲承载能力；θ_m为峰值力矩所对应的转角；M_m为构件的平均弯曲力矩，表示构件的平均弯曲承载能力；θ_e为有效弯曲角度。

4)明确车身前端结构各构件等效简化模型模拟方式

上述方法获取的非板件的刚度特性参数和惯性特性参数将用于其等效简化模型的材料参数输入。在Pam-Crash软件中车身前端结构各构件等效简化模型的具体模拟方式如下：主要吸能非板件采用梁单元模拟，材料类型选择BEAM214 号材料，将上一步中参数化后的刚度特性曲线和惯性特性参数赋给相应构件的材料模型。吸能较大的板件则保留实际结构，与梁单元之间的连接方式采用节点连接(NODAL CONSTRAIN)，发生弯曲变形产生塑性铰的部位采用弹簧单元(SPRING220)模拟。

5)简化前纵梁、前指梁和副车架

本发明综合考虑正面25％重叠率碰撞中与乘员小腿和足部伤害相关的力的传递路径和主要的吸能构件，将主要对前纵梁、前指梁、副车架进行简化。在车辆-假人有限元基础模型的正面25％重叠率碰撞工况中分别对前纵梁3、前指梁4和副车架5进行变形前后的对比。根据碰撞后的变形特点(包括构件各部分形状、变形形式和方向等)，对这三个构件进行分段简化，并依据上一步中提取的各段特性参数分别建立等效简化模型。

参阅图6-a、图6-b，以前纵梁3为例说明简化方法，通过对前纵梁3变形前后进行对比发现：前纵梁3第1段主要为压溃变形，第2段既有压溃变形又有绕y轴和z轴的弯曲变形，第3段纵梁既有绕y轴的弯曲又有绕z轴的弯曲，第4段既有绕y轴的弯曲又有绕z轴的弯曲。于是将前纵梁3大致分成四段进行简化，采用梁单元替代原来的壳单元，材料类型选择BEAM214号材料，并将获取的前纵梁各段刚度特性参数和惯性特性参数赋给材料。

6)处理车体其他部件

参阅图9-a及图9-b，保留保险杠总成、发动机、发动机罩、翼子板、前轮罩、前车门和前车轮等，删除B柱之后的零件并用质量点代替。分别调整简化模型车辆前端(A柱之前)、车辆后端(B柱之后)以及整车的质量和质心位置，使之与车辆-假人有限元基础模型接近，得到最终的车辆等效简化模型，见图9-b。其中，被前端覆盖件遮住的前纵梁、前指梁及副车架为梁单元形式。

7)验证车辆等效简化模型的有效性

对比等效简化模型与车辆-假人有限元基础模型的变形过程和碰撞响应特性(吸能量曲线、刚性墙接触反力曲线、七个监测点侵入量最大值)，若偏差较小则等效简化模型可替代车辆-假人有限元基础模型进行后续研究；若偏差较大则需修正等效简化模型降低偏差后再进行后续研究。

2.获取车身前端结构抗撞性设计目标

1)计算前纵梁、前指梁及副车架目标吸能量之和

其中:E的单位为J；m为整车质量，单位为kg；v₀为碰撞初速度，单位为m/s；v为碰撞结束速度，单位为m/s；η表示车体前端目标吸能比例，一般取80％-90％；E_k为前端结构中翼子板及轮罩、保险杠总成、发动机罩三部分目标吸能量之和，单位为J，其值由该三部分在法规临界侵入量下的吸能量-时间曲线得到；E_qt表示车体前端其他构件吸能量，通常为1-4kJ；在该式中给定碰撞结束速度v和目标吸能比例η，即可求出前纵梁、前指梁及副车架目标吸能量之和E。

2)分别计算前纵梁、前指梁及副车架的目标吸能量

参阅图11-a，修改简化模型前纵梁3、前指梁4、副车架5的特性参数，得到在该工况碰撞中翼子板及轮罩、保险杠总成、发动机罩三部分在法规临界侵入量下的吸能量-时间曲线，可得式(1)中的E_k值。在式(1)中再给定碰撞结束速度v和目标吸能比例η，即可求出前纵梁、前指梁及副车架的目标吸能量之和E。参阅图11-b，然后输出各前端薄壁梁构件的吸能量-时间曲线，据此分别得到前纵梁3、前指梁4和副车架5的目标吸能比例η_q、η_s、η_f；再利用下列各式分别算出其目标吸能量E_q、E_s、E_f。

E_q＝η_q·E (2)

E_s＝η_s·E (3)

E_f＝η_f·E (4)

式中：E为前纵梁、前指梁及副车架的目标吸能量之和，单位为J；E_q、E_s、 E_f分别为前纵梁3、前指梁4、副车架5的目标吸能量，单位为J；η_q、η_s、η_f分别为前纵梁3、前指梁4、副车架5的目标吸能比例。

3.设计前纵梁、前指梁及副车架

1)设计前纵梁

(1)计算单侧前纵梁各段目标吸能量

上面求出的前纵梁的目标吸能量为左右两侧前纵梁的吸能和，由于该工况中右侧纵梁并未充分变形只吸收很小的一部分能量，一般仅为左侧前纵梁的 30％，因此在进行前纵梁的设计时，将左侧前纵梁的目标吸能量(总的吸能量减去右侧前纵梁的吸能量)作为单侧前纵梁的设计目标。为使设计的前端结构也适应正面全宽碰撞和40％重叠率偏置碰撞，左右两侧相关构件的设计保持一致，通过分析等效简化模型前纵梁各段变形吸能量占整个前纵梁吸能量的比例，分别给定各段目标吸能比例，最终得到单侧前纵梁各段目标吸能量

(2)设计前纵梁各段x向长度及目标平均轴向结构力

式中：E_q为前纵梁压溃变形目标吸能量，即前纵梁目标吸能量减去前纵梁弯曲变形目标吸能量，单位为J；E_qi为前纵梁第i段压溃变形目标吸能量,单位为J；F_qi为前纵梁第i段的目标平均轴向结构力，单位为N；S_qi为前纵梁第i段的压溃长度，单位为m；k_qi为前纵梁第i段的压缩系数，是一个无量纲参数；D_qi为前纵梁第i段的原长度，单位为m。

根据车辆总布置要求确定前纵梁x向总长度，根据吸能要求与发动机、车轮等布置要求确定前纵梁各段x向长度。在式(5)中，取等效简化模型中前纵梁第i段被压缩的长度占原长度的比例作为第i段的压缩系数k_qi。综合考虑式(5) 和逐级压溃系数(后一段平均轴向结构力占前一段平均轴向结构力的比例，为保障逐级压溃取值范围为1.1～1.2)要求，得到压溃变形段的目标平均轴向结构力。吸能盒x向长度与车辆-假人有限元基础模型相同。

(3)选取材料并设计断面

①选取材料

吸能盒材料选为冷连轧低碳钢0.2T/DC01，前纵梁各段材料选为低碳钢。

②设计断面

低碳钢材质的矩形截面薄壁梁平均轴向结构力计算公式为

式中:F为平均轴向结构力，单位为N；σ₀为平均流动应力，单位为Mpa，低碳钢为486Mpa；b为矩形截面长宽平均值，单位为mm；t为薄壁梁厚度，单位为mm；v₀为动态载荷，单位为m/s；c为特征应变率，是一个无量纲参数，低碳钢取为40％；p为材料敏感度度量值，是一个无量纲参数，低碳钢p值为6。

取前纵梁压溃变形段的厚度与有限元基础模型相同，由公式(6)得到其断面长宽均值，据此确定截面长度和宽度。前纵梁末端与地板纵梁连接处截面大小相同。前纵梁后段属于渐变面截面，且主要变形方式为弯曲变形，在设计此处断面时考虑弯曲变形吸能量的要求确定其厚度。

2)设计前指梁

(1)计算单侧前指梁各段目标吸能量

上面步骤2中求出的前指梁的目标吸能量为左右两侧前指梁的吸能和，由于该工况中右侧前指梁并未充分变形只吸收很小的一部分能量，一般仅为左侧前指梁的60％，因此在进行前指梁的设计时，将左侧前指梁的目标吸能量(总的吸能量减去右侧前指梁的吸能量)作为单侧前指梁的设计目标。为使设计的前端结构也适应正面全宽碰撞和40％重叠率偏置碰撞，左右两侧前指梁的设计保持一致。通过分析等效简化模型前指梁各段变形吸能量占整个前指梁吸能量的比例，分别给定各段目标吸能比例，最终得到单侧前指梁各段目标吸能量。

(2)设计前指梁各段x向长度及目标平均轴向结构力

式中：E_s为前指梁压溃变形目标吸能量，即前指梁目标吸能量减去前指梁弯曲变形目标吸能量，单位为J；E_si为前指梁第i段压溃变形目标吸能量，单位为J；F_si为前指梁第i段的目标平均轴向结构力，单位为N；S_si为前指梁第i段的压溃长度，单位为m；k_si为前指梁第i段的压缩系数，是一个无量纲参数；D_si为前指梁第i段的原长度，单位为m。

根据车辆-假人有限元基础模型中总布置要求确定前指梁x向总长度，根据前指梁变形特点在考虑总布置要求后，由式(7)和逐级压溃系数得到前指梁各段x向设计长度以及相应目标平均轴向结构力。

(3)选取材料并设计断面

①选取材料

选取前指梁各段材料为低碳钢，材料平均流动应力为486MPa。

②设计断面

取前指梁各段厚度与车辆-假人有限元基础模型相同。由公式(6)分别得到前指梁压溃变形段的截面长宽均值。从前指梁中部到前指梁后部设计为渐变截面，最后满足前指梁与车门铰链连接强度要求。

3)设计副车架

(1)计算单侧副车架各段目标吸能量

副车架5横梁主要为绕z轴的弯曲变形，副车架5纵梁不仅要有绕y轴的弯曲变形还要有适当的压溃变形来吸收一些碰撞过程中产生的能量。上面步骤2 中求出的副车架的目标吸能量包括三部分：副车架横梁目标吸能量、副车架左侧纵梁目标吸能量、副车架右侧纵梁目标吸能量。由于该工况中副车架右侧纵梁并未充分变形只吸收很小的一部分能量，一般仅为副车架左侧纵梁的13％，因此在进行副车架的设计时，将副车架左侧纵梁的目标吸能量(副车架纵梁吸能量减去右侧纵梁的吸能量)作为副车架单侧纵梁的设计目标。为使设计的前端结构也适应正面全宽碰撞和40％重叠率偏置碰撞，左右两侧副车架纵梁的设计保持一致。通过分析等效简化模型副车架各段变形吸能量占整个前指梁吸能量的比例，分别给定各段目标吸能比例，最终得到单侧副车架各段目标吸能量。

(2)设计副车架各段x向长度及目标平均轴向结构力

式中：E_f为副车架纵梁压溃变形目标吸能量，即副车架目标吸能量减去副车架横梁目标吸能量及副车架纵梁弯曲变形目标吸能量，单位为J；E_fi为副车架纵梁第i段压溃变形目标吸能量，单位为J；F_fi为副车架纵梁第i段的目标平均轴向结构力，单位为N；S_fi为副车架纵梁第i段的压溃长度，单位为m；k_fi为副车架纵梁第i段的压缩系数，是一个无量纲参数；D_fi为副车架纵梁第i段的原长度，单位为m。

根据有限元基础模型车身总布置要求确定副车架纵梁长度范围。根据发动机、车轮等布置要求确定副车架纵梁各段长度。副车架横梁长度取决于车身总布置要求与副车架纵梁位置。在Pam-Crash后处理模块中得到副车架纵梁各段弯曲变形分别吸收的能量，据此确定副车架纵梁压溃变形目标吸能量，由变形后长度占原长度的比例确定压缩系数，最后根据式(8)和逐级压溃系数得到副车架纵梁各段目标平均轴向结构力。

(3)选取材料并设计断面

①选取材料

选取副车架各段材料为低碳钢，材料平均流动应力为486Mpa。

②设计断面

取副车架各段厚度与车辆-假人有限元基础模型相同。由式(6)分别得到副车架纵梁前、后段的截面长宽均值。将副车架横梁截面设计成由中间到两边逐渐变大的形式。

4.仿真验证优化设计后车身前端结构的正面抗撞性

将设计的前纵梁3、前指梁4和副车架5替换原车辆-假人有限元基础模型中的相应构件得到新的有限元模型。

1)验证正面25％重叠率碰撞的吸能量与乘员舱侵入量

利用Pam-Crash软件在25％重叠率正面碰撞工况中验证新的有限元模型的前纵梁3、前指梁4、副车架5的吸能量及这三个构件的吸能量之和是否达到目标设计要求(目标吸能量)，同时还要验证乘员舱侵入量是否达到目标设计要求(法规临界侵入量)。

(1)达到目标设计要求

若达到目标设计要求,则可接着验证正面全宽碰撞的B柱加速度波形。

(2)未达到目标设计要求

若未达到目标设计要求，则需重新调整目标吸能比例或构件截面长宽值，直至满足目标设计要求。

2)验证正面全宽碰撞的B柱加速度波形

在Pam-Crash软件中输出并对比新的有限元模型和原车辆-假人有限元基础模型在正面全宽碰撞工况中的B柱加速度波形，观察新的有限元模型的B柱加速度峰值是否有明显增大。

(1)B柱加速度峰值无明显增大

若新的有限元模型的B柱加速度峰值无明显增大，则可接着验证正面40％偏置碰撞的乘员舱侵入量。

(2)B柱加速度峰值有明显增大

若新的有限元模型的B柱加速度峰值有明显增大，则需重新调整目标吸能比例或构件截面长宽值直至B柱加速度峰值无明显增大。

3)验证正面40％偏置碰撞的乘员舱侵入量

利用Pam-Crash软件验证新的有限元模型在40％重叠率偏置碰撞工况中的乘员舱侵入量是否超过法规临界侵入量(该工况评价中达到满分的侵入量)。

(1)未超过法规临界侵入量

若乘员舱临界侵入量未超过法规临界侵入量，车身前端结构的设计结果就作为最终的设计方案。

(2)超过法规临界侵入量

若乘员舱侵入量超过法规临界侵入量，则需重新调整目标吸能比例或构件截面长宽值，直至乘员舱侵入量不超过法规临界侵入量。

实施例

本实施案例中以某款车型为设计对象，该款车型的车辆-假人有限元基础模型在正面25％重叠率碰撞仿真模拟中，A柱上部发生严重的弯折变形，左前车门变形严重可能导致车门不能顺利开启，前纵梁中段没有充分变形，吸能不足，车门铰处、驻车踏板、门槛及仪表板下部监测点侵入量较大。在已有的有限元模型基础上，利用本发明中的设计方法，对该款车型车身前端结构的正面25％重叠率抗撞性能进行优化设计。

1.建立车辆等效简化模型

参阅图6-a和6-b、图7-a和7-b、图8-a和8-b，根据碰撞后的变形特点分别对前纵梁、前指梁和副车架进行分段简化。其中，前纵梁被分为四段：第1 段主要为压溃变形，第2段既有压溃变形又有绕y轴和z轴的弯曲变形，第3 纵梁既有绕y轴的弯曲又有绕z轴的弯曲，第4段既有绕y轴的弯曲又有绕z 轴的弯曲；前指梁被分为四段：第1段前指梁既有压溃变形又有绕y轴的正向弯曲，第2段既有压溃变形又有绕y轴的负向弯曲，第3段和第4段主要为绕z 轴的弯曲；副车架被分为3段：第1段为副车架横梁，既有绕y轴的弯曲变形又有绕z轴的弯曲变形；第2段为副车架纵梁前半段，有压溃变形和绕y轴的弯曲变形，第3段为副车架纵梁后半段，有压溃变形和绕y轴的弯曲变形。然后在Pam-Crash软件中用梁单元代替原来的壳单元，用弹簧单元模拟塑性铰，并将提取的各段刚度特性参数和惯性特性参数分别输入对应的材料模型中，得到前纵梁、前指梁及副车架的等效简化模型。再按要求处理车体其他部件，最终得到车辆等效简化模型，如图9-a和图9-b。

参阅图10-a、图10-b和图10-c，本发明输出了等效简化模型吸能量曲线、刚性墙接触反力曲线、侵入量曲线，并与车辆-假人有限元基础模型进行了对比。对比结果显示该等效简化模型基本上可以还原该工况车辆-假人有限元基础模型的碰撞过程，后续可以用其替代车辆-假人有限元基础模型进行前端结构设计的目标要求探究。

2.获取车身前端结构抗撞性设计目标

参阅表2，在式(1)中将v取为20km/h，η取为0.9，E_k取为40kJ，E_qt取为4kJ，由此得到车体前端结构总的目标吸能量。参阅图11-a和图11-b，取η_q为0.55，η_s为0.16，η_f为0.29，分别得到前纵梁、前指梁、副车架的目标吸能量。

表2车体前端结构构件设计目标

3.设计车体前端结构主要受力构件

1)设计前纵梁

参阅表3，前纵梁前段和中段主要为薄壁直梁，通过压溃变形吸收能量；后段与地板纵梁连接，为曲梁，主要为弯曲变形。在考虑车身总布置后，将后段分成两段进行设计。取前纵梁第1段(含吸能盒)、第2段、后两段占全部前纵梁目标吸能量的比例分别为50％、35％、15％。将左侧前纵梁的目标吸能量作为单侧前纵梁的设计目标，由此得到单侧前纵梁各段的目标吸能量。

表3单侧前纵梁设计方案

参阅表4，根据车辆-假人有限元基础模型车辆总布置要求确定前纵梁四段 x向总长度为1188mm；根据吸能要求与发动机、车轮等布置要求确定前纵梁各段长度，根据公式(5)确定前纵梁前两段的目标平均轴向结构力。吸能盒x向长度与车辆-假人有限元基础模型相同为123mm。

表4前纵梁各段x向设计长度与目标平均轴向结构力

参阅图12-a及图12-b，取前纵梁1、2段厚度与车辆-假人有限元基础模型相同为1.91mm，由公式(6)分别得到1、2段断面的长宽均值：161mm、117mm，取第1段截面长为162mm、宽为160mm，第2段截面长为140mm、宽为94mm。前纵梁后段为渐变面截面，考虑弯曲变形吸能量要求，将其厚度取为2.8mm。前纵梁末端与地板纵梁连接处截面大小与地板纵梁截面大小相同。

2)设计前指梁

参阅表5，将前指梁第1、2段设计为压溃和绕y轴的弯曲变形，第3、4段设计成绕z轴的弯曲变形。将左侧前指梁的目标吸能量作为单侧前指梁的设计目标，得到单侧前指梁各段目标吸能量。

表5单侧前指梁设计方案

参阅表6，根据车辆-假人有限元基础模型中总布置要求，前指梁x向总长度为944mm，根据前指梁变形特点在考虑总布置要求后，由式(7)得到前指梁各段x向设计长度以及相应目标平均轴向结构力。

表6前指梁各段x向设计长度与目标平均轴向结构力

参阅图13-a及图13-b，取前指梁各段厚度与有限元基础模型相同为1.6mm，由公式(6)分别得到前纵梁第1、2段截面长宽均值为41mm。从第3段前端到第4段为渐变截面，最后满足前指梁与车门铰链连接强度要求。为使前指梁前部产生压溃变形，在前指梁第1段设计孔洞与诱导槽。

3)设计副车架

参阅表7，副车架横梁主要为绕z轴的弯曲变形，副车架纵梁不仅要有绕y 轴的弯曲变形还要有适当的压溃变形来吸收一些碰撞过程中产生的能量。将左侧副车架纵梁的目标吸能量作为单侧副车架的设计目标，得到副车架各段目标吸能量。

表7副车架设计方案

参阅表8，根据车辆-假人有限元基础模型车辆总布置要求，副车架纵梁长度范围在827-1021mm。根据发动机、车轮等布置要求确定副车架纵梁前、后段长度分别为516mm、416mm。副车架纵梁前、后段弯曲变形吸收的能量各约2-3kJ，变形后长度约为原长度的0.6倍，因此压缩系数可视为0.4，由式(8)得到副车架纵梁前、后段目标平均轴向结构力。

表8副车架各段设计长度与目标平均轴向结构力

参阅图14-a及图14-b，取副车架各段厚度与车辆-假人有限基础模型相同为2.25mm，由式(6)得到副车架纵梁前、后段截面长宽均值为60mm、84mm。并结合上述具体实施方式中对副车架横梁的分析得到副车架设计图，

4.仿真验证所设计前端结构的正面抗撞性

1)验证正面25％重叠率碰撞的吸能量与乘员舱侵入量

参阅表9，前指梁和副车架的仿真碰撞值与目标设计值一致；前纵梁仿真碰撞值略超过目标设计值，总吸能量仿真碰撞值超过目标设计值3％，吸能量符合目标设计要求。

表9前端结构优化设计后仿真吸能量与目标吸能量

参阅图15，七个监测点的侵入量均未超过临界侵入量，并且除了驻车踏板和下仪表板外，其他监测点处实际侵入量均较小，乘员舱侵入量达到目标设计要求。

2)验证正面全宽碰撞的B柱加速度波形

参阅图16，发现前端结构优化设计后，B柱加速度峰值较原有限元基础模型略有下降，符合正面全宽碰撞法规要求。

3)验证正面40％偏置碰撞的乘员舱侵入量

参阅图17，各监测点侵入量小于该工况下的法规临界侵入量(该工况评价中达到满分的侵入量)。

综上所述，本发明中优化设计的前端结构能满足三种正面碰撞工况抗撞性要求。

Claims (4)

1.一种汽车正面25％重叠率碰撞的车身前端结构设计方法，其特征在于，所述的汽车正面25％重叠率碰撞的车身前端结构设计方法的步骤如下：

1)建立车辆等效简化模型；

2)计算前纵梁、前指梁及副车架目标吸能量之和，并分别计算前纵梁、前指梁及副车架的目标吸能量，从而获取车身前端结构抗撞性设计目标；

3)设计前纵梁、前指梁及副车架：

(1)设计前纵梁包括步骤如下：

①计算单侧前纵梁各段目标吸能量：

将左侧前纵梁的目标吸能量即总的吸能量减去右侧前纵梁的吸能量，作为单侧前纵梁的设计目标，为使设计的前端结构也适应正面全宽碰撞和40％重叠率偏置碰撞，左右两侧前纵梁的设计保持一致，通过分析等效简化模型前纵梁各段变形吸能量占整个前纵梁吸能量的比例，分别给定各段目标吸能比例，最终得到单侧前纵梁各段目标吸能量；

②设计前纵梁各段x向长度及目标平均轴向结构力

式中：E_cq为前纵梁压溃变形目标吸能量，即前纵梁目标吸能量减去前纵梁弯曲变形目标吸能量，单位为J；E_cqi为前纵梁第i段压溃变形目标吸能量，单位为J；F_cqi为前纵梁第i段的目标平均轴向结构力，单位为N；S_cqi为前纵梁第i段的压溃长度，单位为m；k_cqi为前纵梁第i段的压缩系数，是一个无量纲参数；D_cqi为前纵梁第i段的原长度，单位为m；

根据车辆总布置要求确定前纵梁x向总长度，根据吸能要求与发动机、车轮布置要求确定前纵梁各段x向长度；在式(5)中，取等效简化模型中前纵梁第i段被压缩的长度占原长度的比例作为第i段的压缩系数k_cqi，综合考虑式(5)和逐级压溃系数要求，得到压溃变形段的目标平均轴向结构力，吸能盒x向长度与车辆-假人有限元基础模型相同；

③选取材料并设计断面

a.选取材料

吸能盒材料选为冷连轧低碳钢0.2T/DC01，前纵梁(3)各段材料选为低碳钢；

b.设计断面

低碳钢材质的矩形截面薄壁梁平均轴向结构力计算公式为

式中:F为平均轴向结构力，单位为N；σ₀为平均流动应力，单位为Mpa，低碳钢为486Mpa；b为矩形截面长宽平均值，单位为mm；t为薄壁梁厚度，单位为mm；v₀为动态载荷，单位为m/s；c为特征应变率，是一个无量纲参数，低碳钢取为40％；p为材料敏感度度量值，是一个无量纲参数，低碳钢p值为6；

(2)设计前指梁包括步骤如下：

①计算单侧前指梁各段目标吸能量：

将左侧前指梁的目标吸能量即总的吸能量减去右侧前指梁的吸能量，作为单侧前指梁的设计目标，为使设计的前端结构也适应正面全宽碰撞和40％重叠率偏置碰撞，左右两侧前指梁的设计保持一致，通过分析等效简化模型前指梁各段变形吸能量占整个前指梁吸能量的比例，分别给定各段目标吸能比例，最终得到单侧前指梁各段目标吸能量；

②设计前指梁各段x向长度及目标平均轴向结构力

式中：E_cs为前指梁压溃变形目标吸能量，即前指梁目标吸能量减去前指梁弯曲变形目标吸能量，单位为J；E_csi为前指梁第i段压溃变形目标吸能量，单位为J；F_csi为前指梁第i段的目标平均轴向结构力，单位为N；S_csi为前指梁第i段的压溃长度，单位为m；k_csi为前指梁第i段的压缩系数，是一个无量纲参数；D_csi为前指梁第i段的原长度，单位为m；

根据车辆-假人有限元基础模型中总布置要求确定前指梁x向总长度，根据前指梁变形特点在考虑总布置要求后，由式(7)和逐级压溃系数得到前指梁各段x向设计长度以及相应目标平均轴向结构力；

③选取材料并设计断面

a.选取材料

选取前指梁(4)各段材料为低碳钢，材料平均流动应力为486MPa；

b.设计断面

取前指梁(4)各段厚度与车辆-假人有限元基础模型相同，由公式(6)分别得到前指梁压溃变形段的截面长宽均值，从前指梁中部到前指梁后部为渐变截面，最后满足前指梁(4)与车门铰链连接强度要求；

(3)设计副车架包括步骤如下：

①计算单侧副车架各段目标吸能量:

将副车架左侧纵梁的目标吸能量即副车架纵梁吸能量减去右侧纵梁的吸能量，作为副车架单侧纵梁的设计目标，为使设计的前端结构也适应正面全宽碰撞和40％重叠率偏置碰撞，左右两侧副车架纵梁的设计保持一致，通过分析等效简化模型副车架各段变形吸能量占整个前指梁吸能量的比例，分别给定各段目标吸能比例，最终得到单侧副车架各段目标吸能量；

②设计副车架(5)各段x向长度及目标平均轴向结构力

式中：E_cf为副车架纵梁压溃变形目标吸能量，即副车架目标吸能量减去副车架横梁目标吸能量及副车架纵梁弯曲变形目标吸能量，单位为J；E_cfi为副车架纵梁第i段压溃变形目标吸能量，单位为J；F_cfi为副车架纵梁第i段的目标平均轴向结构力，单位为N；S_cfi为副车架纵梁第i段的压溃长度，单位为m；k_cfi为副车架纵梁第i段的压缩系数，是一个无量纲参数；D_cfi为副车架纵梁第i段的原长度，单位为m；

根据有限元基础模型车身总布置要求确定副车架纵梁长度范围，根据发动机、车轮布置要求确定副车架纵梁各段长度，副车架横梁长度取决于车身总布置要求与副车架纵梁位置，在Pam-Crash后处理模块中得到副车架纵梁各段弯曲变形分别吸收的能量，据此确定副车架纵梁压溃变形目标吸能量，由变形后长度占原长度的比例确定压缩系数，最后根据式(8)和逐级压溃系数得到副车架纵梁各段目标平均轴向结构力；

③选取材料并设计断面

a.选取材料

选取副车架(5)各段材料为低碳钢，材料平均流动应力为486Mpa；

b.设计断面

取副车架(5)各段厚度与车辆-假人有限元基础模型相同，由式(6)分别得到副车架纵梁前、后段的截面长宽均值，将副车架横梁截面设计成由中间到两边逐渐变大的形式；

4)仿真验证优化设计后车身前端结构的正面抗撞性。

2.按照权利要求1所述的汽车正面25％重叠率碰撞的车身前端结构设计方法，其特征在于，所述的建立车辆等效简化模型包括步骤如下：

1)仿真模拟IIHS正面25％重叠率碰撞工况；

2)提取前端结构主要吸能非板件的刚度特性和惯性特性；

3)将提取的刚度特性参数化；

4)明确车身前端结构各构件等效简化模型模拟方式；

5)简化前纵梁、前指梁和副车架；

6)处理车体其他部件；

7)验证车辆等效简化模型的有效性。

3.按照权利要求1所述的汽车正面25％重叠率碰撞的车身前端结构设计方法，其特征在于，所述的获取车身前端结构抗撞性设计目标包括步骤如下：

1)计算前纵梁、前指梁及副车架目标吸能量之和E

其中:E的单位为J；m为整车质量，单位为kg；v₀为碰撞初速度，单位为m/s；v为碰撞结束速度，单位为m/s；η表示车体前端目标吸能比例，取80％-90％；E_k为前端结构中翼子板及轮罩、保险杠总成、发动机罩三部分目标吸能量之和，单位为J，其值由该三部分在法规临界侵入量下的吸能量-时间曲线得到；E_qt表示车体前端其他构件吸能量，在1-4kJ；在该式中给定碰撞结束速度v和目标吸能比例η，即求出前纵梁(3)、前指梁(4)与副车架(5)目标吸能量之和E；

2)分别计算前纵梁、前指梁及副车架的目标吸能量

修改简化模型前纵梁(3)、前指梁(4)、副车架(5)的特性参数，得到在该工况碰撞中翼子板及轮罩、保险杠总成、发动机罩三部分在法规临界侵入量下的吸能量-时间曲线，可得式(1)中的E_k值；在式(1)中再给定碰撞结束速度v和目标吸能比例η，即可求出前纵梁、前指梁及副车架的目标吸能量之和E；然后输出各前端薄壁梁构件的吸能量-时间曲线，据此分别得到前纵梁(3)、前指梁(4)和副车架(5)的目标吸能比例η_q、η_s、η_f；再利用下列各式分别算出其目标吸能量E_q、E_s、E_f；

E_q＝η_q·E (2)

E_s＝η_s·E (3)

E_f＝η_f·E (4)

式中：E为前纵梁、前指梁及副车架的目标吸能量之和，单位为J；E_q、E_s、E_f分别为前纵梁(3)、前指梁(4)、副车架(5)的目标吸能量，单位为J；η_q、η_s、η_f分别为前纵梁(3)、前指梁(4)、副车架(5)的目标吸能比例。

4.按照权利要求1所述的汽车正面25％重叠率碰撞的车身前端结构设计方法，其特征在于，所述的仿真验证优化设计后车身前端结构的正面抗撞性包括如下步骤：

将设计的前纵梁(3)、前指梁(4)和副车架(5)替换原车辆-假人有限元基础模型中的相应构件得到新的有限元模型；

1)验证正面25％重叠率碰撞的吸能量与乘员舱侵入量

利用Pam-Crash软件将新的有限元模型在25％重叠率正面碰撞工况中验证前纵梁(3)、前指梁(4)、副车架(5)的吸能量及这三个构件的吸能量之和是否达到目标设计要求即目标吸能量，同时还要验证乘员舱侵入量是否达到目标设计要求即法规临界侵入量：

(1)达到目标设计要求

达到目标设计要求,则可接着验证正面全宽碰撞的B柱加速度波形；

(2)未达到目标设计要求

未达到目标设计要求，则需重新调整目标吸能比例或构件截面长宽值，直至满足目标设计要求；

2)验证正面全宽碰撞的B柱加速度波形

在Pam-Crash软件中输出并对比新的有限元模型和原车辆-假人有限元基础模型在正面全宽碰撞工况中的B柱加速度波形，观察新的有限元模型的B柱加速度峰值是否有明显增大：

(1)B柱加速度峰值无明显增大

新的有限元模型的B柱加速度峰值无明显增大，则接着验证正面40％偏置碰撞的乘员舱侵入量；

(2)B柱加速度峰值有明显增大

新的有限元模型的B柱加速度峰值有明显增大，则需重新调整目标吸能比例或构件截面长宽值直至B柱加速度峰值无明显增大；

3)验证正面40％偏置碰撞的乘员舱侵入量

利用Pam-Crash软件验证新的有限元模型在40％重叠率偏置碰撞工况中的乘员舱侵入量是否超过法规临界侵入量：

(1)未超过法规临界侵入量

乘员舱临界侵入量未超过法规临界侵入量，车身前端结构的优化设计结果就作为最终的优化设计方案；

(2)超过法规临界侵入量

乘员舱侵入量超过法规临界侵入量，则需重新调整目标吸能比例或构件截面长宽值，直至乘员舱侵入量不超过法规临界侵入量。

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