CN112948983A - 一种协同正面碰撞多工况的汽车前端结构能量管理方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种协同正面碰撞多工况的汽车前端结构能量管理方法，包括：步骤一、将车辆前端吸能总空间划分为多个吸能子空间，并将FRB工况碰撞原波形分解为与吸能子空间一一对应的子波形，建立车辆前端结构三维解析模型；每个子波形的幅值为FRB工况碰撞原波形的幅值与其对应的吸能子空间的吸收能量占比的乘积；步骤二、基于MPDB工况，对前端结构三维解析模型进行求解，得到车辆和壁障的运动响应，确定碰撞过程中壁障和车辆的变形、壁障和车辆的加速度及壁障和车辆的速度；并根据运动响应得到乘员负载指数、壁障表面击穿情况、壁障的均匀性指标和兼容性罚分；以及基于SOB工况，对前端结构三维解析模型进行求解，得到碰撞结束时车辆乘员舱的形变量。

Description

一种协同正面碰撞多工况的汽车前端结构能量管理方法

技术领域

本发明属于汽车碰撞解析模型的建模及求解技术领域，特别涉及一种协同正面碰撞多工况的汽车前端结构能量管理方法。

背景技术

汽车正面碰撞安全性指汽车在发生正面碰撞事故时，车体结构按照既定的方式变形，并与乘员约束系统(包括安全带、安全气囊、吸能式转向柱、座椅和内饰件等)协同作用，有效地吸收碰撞能量，最大限度地减轻车内、外人员碰撞损伤的能力。汽车正面碰撞安全性根据保护对象的不同可以进一步划分为，以保护自身车内乘员安全为目标的汽车耐撞性设计，和以保护对方车内乘员安全为目标的汽车兼容性设计。目前，关于车辆耐撞性的研究日趋成熟，利用汽车正面碰撞概念设计方法已经可以实现车辆结构和约束系统的部分正向设计，法律规范也较为成熟，但主要适用于单工况设计，且倾向于对自车乘员的保护，忽略了汽车碰撞兼容性问题。而关于车辆兼容性的研究，直到2020年E-NCAP以及2021年C-NCAP启用MPDB碰撞工况之前，仍未被法规明确提出并且引起广泛重视，在此前关于车辆兼容性的研究仅涉及到个别自主法规。新型壁障对车碰撞试验，从原来的车与固定壁障的碰撞升级为车与带壁障的移动小车之间的相互碰撞，更加真实地模拟车辆前部碰撞安全事故，即车对车碰撞，而不是车与固定物碰撞，车辆与壁障碰撞速度分别为50km/h，重叠量为50％，台车质量为1400kg采用新型MPDB蜂窝铝，与此前的ODB工况采用的蜂窝铝相比不易被击穿，更接近于真实工况，离地高度150mm，在主驾驶位置放置THRO 50th男性假人，在副驾驶放置Hybrid III50th男性假人，在后排放置Q10、Q6儿童假人考察车辆的乘员保护性能。与现有评价指标相对比，除了对乘员进行伤害值评价，还增加了兼容性评价，与伤害值评价不同的是，兼容性评价为罚分制，包含了三个评价参数：壁障的OLC值、壁障穿透和壁障均匀性系数h。新法规规定车辆需同时满足耐撞性和兼容性，然而如今现有研究中，关于车辆兼容性的研究主要是利用仿真技术，缺少相关的理论研究以及数据作指导，通常需要在结构设计完毕之后通过试验或CAE(Computer Aided Engineering)方法获得车辆与壁障前端变形数据以及吸收能量，再根据MPDB评价指标进行评价，如果评价结果达不到法规要求，则需要对车辆前端结构进行反复修改直至满足评价标准。

此外，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。且根据已有研究表明，在正面全宽、正面40％偏置以及正面25％重叠率碰撞工况中车辆在IIHS正面25％重叠率碰撞工况的满分率是最低的。并且该工况下乘员舱侵入量较大、乘员伤害较严重。但是直到2012年，各国安全性法规及评价规程中，仅IIHS在2012年对小偏置这种正面碰撞类型做出了评价，随着国内消费者对汽车安全性重视程度和国内主机厂被动安全设计能力的提升，2017年中国保险汽车安全指数发布，引入25％偏置碰撞测试，受到媒体和社会的广泛关注，并逐渐受到各主机厂的重视，成为业内研究的新热点。但是，目前各企业及研究机构对该工况的研究主要集中在车辆结构修改上，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方法对改进后的车辆结构进行耐撞性的验证。这种结构修改方法，很难把握乘员舱侵入量减小的程度，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。

发明内容

本发明的目的是针对MPDB及SOB偏置碰撞工况的动力学响应，主要是利用仿真技术获得的研究现状，提供了一种协同正面碰撞多工况的汽车前端结构能量管理方法，实现不同工况条件下车辆响应的快速求解，避免了大量重复的试算过程，缩短产品开发周期。

本发明提供的技术方案为：

一种协同正面碰撞多工况的汽车前端结构能量管理方法，包括如下步骤：

步骤一、根据总布置阶段的车辆硬点尺寸确定车辆前端吸能总空间；将所述车辆前端吸能总空间划分为多个吸能子空间，并将FRB工况碰撞原波形分解为与所述吸能子空间一一对应的子波形，建立车辆前端结构三维解析模型；

其中，每个所述子波形的幅值为FRB工况碰撞原波形的幅值与其对应的吸能子空间的吸收能量占比的乘积；

步骤二、基于MPDB工况，对所述前端结构三维解析模型进行求解，得到车辆和壁障的运动响应，确定碰撞过程中壁障和车辆的变形、壁障和车辆的加速度及壁障和车辆的速度；并根据所述运动响应得到乘员负载指数、壁障表面击穿情况、壁障的均匀性指标和兼容性罚分；以及

基于SOB工况，对所述前端结构三维解析模型进行求解，得到碰撞结束时车辆乘员舱的形变量。

优选的是，在所述步骤一中，所述车辆前端解析模型的建立方法为：

将车辆前端每个吸能子空间都简化为刚度为k_ij的弹簧，将车辆简化为质量块；

其中，

式中，q_ij为吸能子空间的吸收能量占比；a_v为碰撞波形，d_v为车辆位移，M为整车质量，i为车辆前端吸能总空间沿车辆的横向分解的个数，j为车辆前端吸能总空间沿车辆的垂向分解的个数。

优选的是，在所述步骤二中，对所述前端结构三维解析模型进行求解之前，还包括：

基于MPDB工况，将壁障在横向和垂向划分为与车辆前端的吸能子空间相对应的多个区域，将所述多个区域分别简化为弹簧；并根据机械原理将壁障和车辆的碰撞模型简化为等效单自由度模型。

优选的是，在所述步骤二中，乘员负载指数通过如下公式进行计算：

式中，OLC表示乘员负载指数，t₁为乘员运动阶段向前移动65mm的时间，t₂为乘员约束阶段向前移动235mm时的时间，v_B(t)为壁障的速度，v₀为壁障初速度。

优选的是，在所述步骤二中，兼容性罚分的计算公式为：

当OLC<25g时，M_compat＝-2·h-M_BO；

当25g≤OLC≤40g时，

M_compat＝-2·OLC/15+10/3-h·((4·OLC/10-8)-(2·OLC/15-10/3))-M_BO；

当OLC>40g时，M_compat＝-2-6·h-M_BO；

式中，h为均匀系数，M_BO为触底罚分。

优选的是，所述均匀系数，根据壁障的均匀性指标确定；其中：

当SD<50时，h＝0；

当50≤SD≤150时，h＝(SD-50)/100；

当SD≥150时，h＝100％；

式中，SD为壁障的均匀性指标。

优选的是，所述壁障均匀性指标的计算公式为：

式中，SD为壁障的均匀性指标，d_Bij为为壁障每个子空间的位移，

为壁障位移均值，m为吸能子空间的个数。

优选的是，在所述步骤二中，车辆乘员舱的形变量通过如下公式进行计算：

D_25％max＝max(x_v)-L₁；

式中，D_25％max为车辆乘员舱的形变量，max(x_v)为碰撞过程结束时车辆的纵向最大形变量，L₁为防撞梁前端到防火墙的距离。

优选的是，将通过所述三维解析模型计算得到的车辆的最大纵向位移作为车辆的纵向最大形变量。

优选的是，在所述步骤二中，基于SOB工况判断碰撞过程是否结束的方法为：

当v_v≤0或者y≥25％B时，判定碰撞过程结束；

其中，v_v为车辆速度，y为车辆的横向位移，B为车辆宽度；

y＝rsinθ-25％×B；

式中，θ为车辆的旋转角度，r为车辆的旋转半径。

本发明的有益效果是：

(1)本发明基于三维分解方法划分吸能空间和FRB工况碰撞波形，在概念设计阶段，缺少三维数模的情况下，能够根据不同工况条件改变模型参数，适用于多工况条件下车辆响应的快速求解。

(2)本发明提供的三维解析模型，揭示了MPDB碰撞工况下壁障、车辆的动力学关系，还有二者在碰撞过程的相互作用机理；以及SOB碰撞工况的车辆响应和碰撞结束条件；

(3)本发明建立了车辆兼容性和乘员舱安全性的评价指标，以车辆基本信息、碰撞工况和碰撞波形的分解方案为输入，利用振动方程实现不同工况条件下车辆响应的求解，从而评价车辆是否满足耐撞性，兼容性和乘员舱的安全性要求。

(4)本发明提供的三维解析模型适用于汽车碰撞安全性的概念设计和碰撞能量管理阶段，可以通过求解车辆在MPDB以及SOB碰撞工况下的评价指标对车辆前端结构的能量管理进行优化，使车辆结构的设计更具有针对性，避免了大量重复的有限元试算过程，节约人力、财力，缩短产品开发周期。

附图说明

图1为本发明所述的协同正面碰撞多工况的汽车前端结构能量管理方法的原理图。

图2a-2b为本发明所述的正面碰撞能量的初步分解方案。

图3为本发明所述的车辆前端结构三维解析模型图。

图4为本发明所述的MPDB碰撞工况的三维模型(模型在车身坐标系XZ面投影)示意图。

图5为本发明所述的根据机械原理简化的壁障与车辆的等效单自由度模型。

图6为本发明所述的OLC的计算图像。

图7为本发明所述的SOB碰撞工况的三维模型(模型在车身坐标系XY面投影)示意图。

图8为本发明所述的车辆在SOB碰撞工况旋转过程中的受力分析图。

图9为本发明所述的在MPDB工况模型验证环节所选的三个车型在FRB工况下的碰撞波形图。

图10为本发明所述的在SOB工况模型验证环节所选的某车型在FRB工况下的碰撞波形图。

具体实施方式

下面结合附图对本发明做进一步的详细说明，以令本领域技术人员参照说明书文字能够据以实施。

如图1所示，本发明提供了一种协同正面碰撞多工况的汽车前端结构能量管理方法，基于三维分解方法划分吸能空间和碰撞波形，以吸能空间和碰撞波形的分解方案为输入，利用振动方程实现不同工况条件下车辆响应的求解；在概念设计阶段，没有三维数模的情况下，根据总布置参数确定汽车正面碰撞的能量管理方案，使车辆在满足耐撞性的同时，还能兼顾车辆的兼容性和乘员舱的安全性要求。本发明是基于自然基金项目(项目批准号：51775228，名称：汽车车身多材料复杂断面薄壁梁结构抗撞性理论模型研究)实施的。

具体求解过程如下：

1、输入参数

1)根据经验以及车身前端结构特点对FRB工况碰撞波形进行分解

本次所选取的车辆前端结构的三维分解为横向50％+25％区(即在在横向划分四个区，每个区的宽度为25％车宽)，垂向三层，纵向二段的分解方案，其中，纵向第一段即为车辆前端吸能总空间，纵向第二段布置发动机等刚性部件，不参与变形吸能。

由于横向两个50％区域的吸能结构完全相同，吸能量各占比均为50％。考虑SOB工况的吸能效果，25％区的吸能量最好不要少于总能量的10％，同时考虑车轮的占用空间和轴距的设置要求，该区能用于布置吸能结构的空间有限，吸能量很难达到总能量的30％。垂向第二层作为正面碰撞的主要吸能区，其能量占比不少于40％。同时考虑MPDB工况中前舱吸能结构布置的均匀性要求，第一层和第三层的吸能量占比分别大于10％。即25％区吸能量占比为[10％，30％]，第一层和第三层的吸能量占比分别为[10％，30％]，第二层的吸能量占比为[40％，80％]。假设初步设定正面碰撞能量的分解方案如图2a所示，记为Q(见公式(1))。则每个吸能子空间的吸能量占比q_ij需要满足公式(2)的条件，其中，i为前舱吸能总空间横向分解的个数，j为吸能总空间垂向分解的个数。其中，Q_Y2为25％区占比，Q_Z1为第一层占比，Q_Z2为第二层占比，Q_Z3为第三层占比。

碰撞波形的纵向分解初步是根据发动机前后的吸能空间划分为两段，在确定波形的横向和垂向分解比例后，需要根据吸能构件的设置和变形模式进一步做详细分解。

2)吸能空间、工况偏置条件、碰撞速度

吸能空间需要根据所研究的车辆的结构特点进行带入研究计算；工况偏置条件以及碰撞速度与选取的碰撞工况实验条件有关，如MPDB工况为50％重叠率偏置，车与带壁障的移动小车之间以64km/h的速度相互碰撞。

2、车辆前端结构三维解析模型的建立

车辆正面碰撞吸能总空间经过三维分解之后，每一个吸能子空间都对应一段分解后的碰撞波形，为了便于区分，记为“子波形”。在形状上与原波形相同，但是波形幅值不同，为原波形幅值与各子空间吸能量占比的乘积。位移域的碰撞波形可以看作是车辆前端结构的等效比刚度，同理，分解到各吸能子空间的子波形则可以看作是该空间的等效比刚度。

在此基础上搭建车辆前端结构三维解析模型，如图3所示，以公式(1)中给出的分解方案为例，将车辆前端每一个吸能子空间都简化为刚度为k_ij的弹簧，分别与图2a中的子空间吸能量占比q_ij相对应，计算公式为(3)，将车辆简化为质量块。

公式(3)中，a_v为碰撞波形，d_v为车辆位移，M为整车质量，i为前舱吸能总空间横向分解的个数，j为吸能总空间垂向分解的个数。

相比于将车身前部结构刚度直接简化为一根弹簧的简化方式，本发明所提出的三维解析模型更加接近真实情况。并且，本发明所提出的三维解析模型除了可以根据振动方程求解出MPDB工况的OLC和MD两个评价指标外，还可以求解壁障均匀性指标SD以及SOB工况车辆响应。

3、基于MPDB工况的模型求解

MPDB碰撞工况中的壁障在纵向上呈现线性刚度特性，而在横向和垂向上壁障的材料是均匀分布的。因此壁障的吸能空间划分可以在横向和垂向与车辆相对应，纵向不再分段且每个空间的刚度相同。搭建MPDB碰撞工况的三维模型如图4所示(计算时忽略车辆与壁障在碰撞过程中的旋转作用)。

图4中，将车辆和壁障简化为两个质量块并做相对运动，M和M_B分别为车辆和壁障的质量，车辆前端的吸能子空间分别简化为刚度为k_ij的数根弹簧，以同样的划分形式对壁障前端结构进行划分，简化为同等数量(与车辆前端的吸能子空间的数量相同)刚度为k_Bij的弹簧，d_BV为二者的相对位移，d_ij为车辆局部变形，d_Bij为壁障局部变形。其中，k_Bij的值等于壁障的总刚度除以弹簧(吸能子空间)的数量。图4根据机械原理可以简化为图5所示的等效单自由度模型，其中，v_eq为等效速度，M_eq为等效质量，K_eq为等效刚度。在碰撞过程中，车辆和壁障的局部刚度k_ij和k_Bij先串联获得每个吸能子空间的等效刚度k_eqij，之后每个吸能子空间的等效刚度并联，获得车辆和壁障整体的等效刚度K_eq，具体计算方式如公式(4)所示。

模型的等效质量为M_eq，等效速度为v_eq，如公式(5)所示。

等效单自由度模型的振动方程为：

式中，t为时间，f(t)为等效质量M_eq的振动响应，ω_eq为系统固有频率。

系统的固有频率ω_eq为：

求解振动方程(7)的振动响应如下所示：

式中，C为幅值，

为相位角。

振动方程的初始条件为，在t＝0时，等效质量M_eq的位移为0，速度为v_eq，即f(0)＝0。即f(0)＝0，

将初始条件带入公式(9)有：

壁障和车辆在碰撞过程中做协同振动，振动频率与公式(10)相同，但是振动幅值不同。壁障和车辆的振动响应如下：

式中，d_B和d_v分别为壁障和车辆碰撞过程中的变形，a_B和a_v分别为壁障和车辆的加速度，v_B和v_v分别为壁障和车辆的速度。

根据车辆和壁障的运动响应，进一步推导MPDB碰撞工况的三个兼容性评价指标：

壁障的OLC值计算如图6所示。图中实线为壁障的速度曲线，是已知的曲线；虚线为等效的乘员速度曲线，是待求解的曲线。OLC定义为从乘员相对于车辆移动0.065m的时间到乘员相对于车辆移动总计0.3m的时间为止的乘员速度的斜率。

在图6中，虚线与实线之间的面积即为乘员与壁障的相对位移，碰撞开始时，乘员不受约束以匀速运动到t₁时刻，乘员与壁障的相对位移S₁达到0.065m。此后乘员受到约束作用，开始以恒定的加速度做减速运动，直至t₂时刻乘员与壁障速度相同，二者以相同速度继续运动，此时乘员与壁障的相对位移为S₁+S₂等于0.3m，即S₂＝0.235m。则乘员减速过程的斜率为OLC值，相当于乘员的加速度。其中，乘员载荷标准OLC的高性能指标为25g，低性能指标为40g，g为一个重力加速度。

OLC通过以下方程计算求得：

v₀-OLC×(t₂-t₁)＝v_B(t₂) (17)

式中：v₀为壁障的初速度，t₁为乘员运动阶段向前移动65mm的时间，t₂为乘员约束阶段向前移动235mm时的时间(在运动阶段之后)，即300mm为乘员的运动距离，v₀为壁障初速度，也是乘员的初速度；v_B(t)为壁障的速度，它可以通过壁障加速度a_B(t)积分获得(这里描述的乘员运动是假设壁障驾驶位有乘员存在，便于计算乘员负载指数，用以评价兼容性)。

计算OLC、t₁、t₂等数值：

(1)依据公式(15)求出时刻t₁

公式(15)的含义就是图6中阴影部分的面积为0.065时，求这时的t₁值。

(2)求解时刻t₂

将公式(15)+(16)结果如下：

公式(18)可变为

根据公式(19)及t₁的值求出t₂。

车辆和壁障的相对运动位移d_Bv为：

d_Bv＝d_B+d_v (20)

壁障的均匀性指标SD的计算公式为：

式中m为前舱吸能子空间的个数。

壁障的最大变形MD为：

d_Bmax＝max(d_Bij) (23)

获得以上相关评估数值后，相容性修正分数Mcompat计算式如下：

M_compat＝-2·h-M_BO(OLC<25g) (24)

M_compat＝-2·OLC/15+10/3-h·((4·OLC/10-8)-(2·OLC/15-10/3))-M_BO(25g≤OLC≤40g，M_compat的分数极限为-8分) (25)

M_compat＝-2-6·h-M_BO(当OLC>40g时，M_compat的分数极限为-8分) (26)

其中，h为均匀系数，当SD<50时，h＝0；当50≤SD≤150时，h＝(SD-50)/100；当SD≥150时，h＝100％。M_BO为触底罚分，最终计算得到的M_compat直接从MPDB正面碰撞工况的总分中扣除。

4、基于SOB工况的模型求解

在SOB工况中，车辆与壁障的解析模型如图7所示。车辆在与刚性壁障接触后沿纵向做减速运动，同时绕其与壁障的接触点做旋转运动。在研究中定义发生以下两种情况之一，则碰撞过程结束：1)车辆的速度减为0的时刻，车辆不再发生结构变形；2)车辆在Y向位移≥25％车宽，车辆将擦过壁障，同样不发生结构变形。因此车辆在SOB工况碰撞过程中的运动响应可以从两方面考虑，即车辆的减速运动和旋转运动。

在图7中，O为车辆与壁障的接触点，也是车辆的旋转中心，v₀为碰撞速度，M为整车质量，k_ij为车辆刚度。由于该工况车辆与壁障是25％重叠，所以主要是25％区的结构发生变形在碰撞过程中吸能，该区域等效刚度为k_25％，计算方法如公式(27)所示。

k_25％＝∑k_i1＝∑k_i4 (27)

车辆在X轴方向做单自由度自由振动，振动方程如下所示：

式中，x(t)为车辆的位移，

为车辆的加速度响应。则系统的固有频率ω为：

将公式(29)带入公式(28)中，有：

SOB工况的初始条件为：

t＝0,

t＝0,x＝0

解得车辆的运动响应为：

车辆在SOB碰撞工况中的受力分析如图8所示。车辆会在碰撞反力F的作用下绕O点做旋转运动，车辆质心到旋转中心的距离为旋转半径r。在车辆做减速运动时，可以求得其纵向位移为x_v，则质心到旋转中心的纵向向距离为1/2L-x_v，车辆在做旋转运动时，增大质心的横向位移y，则质心到旋转中心的横向距离为25％B+y。由此车辆的旋转半径r的计算公式为(33)。

车辆的旋转角度θ计算公式为(34)。

碰撞反力F垂直于旋转半径的分力为F'，车辆受到的转矩为M_e，计算公式如(35)所示。

Me＝F'·r＝F·sin(θ)·r＝F·(y+25％B) (35)

已知车辆的转动惯量为J，进一步求得车辆旋转的角加速度β为：

Me＝F'·r＝J·β (36)

根据车辆的旋转角加速度积分可以获得旋转角度θ，进一步可以求得车辆的横向位移y为：

y＝rsinθ-25％×B (37)

到此，车辆在SOB工况中的纵向、横向位移和车辆的加速度、速度响应都已获得。根据碰撞过程结束的判别条件，如果v_v≤0或者y≥25％B，则碰撞过程结束。该过程中车辆纵向位移的最大值即为车辆在碰撞过程中的结构变形量，已知防撞梁前端到防火墙的距离为L₁，则乘员舱的侵入量D_25％max为：

D_25％max＝max(x_v)-L₁ (38)

至此，所要求得的车辆MPDB工况下的兼容性评价指标：乘员载荷标准OLC、壁障表面击穿情况、壁障的均匀性指标和兼容性罚分；SOB工况下的乘员舱侵入量全部求解完成。若MPDB工况兼容性指标与SOB工况乘员舱侵入量指标均满足目标需求，则输出对应的能量分解方案作为最终分解方案，若不满足或不完全满足，则需要重新进行能量分解并计算，直至所有指标均满足要求，输出最终分解方案。

实施例

本实施例利用上述方法对所选取的车型进行计算，步骤如下：

1、输入参数

1)根据经验以及车身前端结构特点对FRB工况碰撞波形进行分解

本实施例所选取的车辆前端结构的三维分解方案如图2a-2b所示，为横向50％+25％区，垂向三层，纵向二段。

初步设定正面碰撞能量的分解方案如图2a所示，记为Q(见公式(1))。则每个吸能子空间的吸能量占比q_ij需要满足公式(2)的条件，其中i为前舱吸能总空间横向分解的个数，j为吸能总空间垂向分解的个数。其中，Q_Y2为25％区占比，Q_Z1为第一层占比，Q_Z2为第二层占比，Q_Z3为第三层占比。

碰撞波形的纵向分解初步是根据发动机前后的吸能空间划分为两段(如图2b所示)，在确定波形的横向和垂向分解比例后，需要根据吸能构件的设置和变形模式进一步做详细分解。

MPDB工况：本次选取的车型为中型车，质量M为1400kg；车辆前舱变形空间为0.644m；车辆前端结构的等效刚度K是根据FRB工况的碰撞波形计算的，波形图如图9所示；该工况下的碰撞速度v₀为50km/h其前端结构的刚度分解方案为横向50％+25％区，垂向三层，记为“4×3”分解，如图2a所示。该车型的分解方案Q如公式(39)所示。

SOB：本次选取的某车型的质量为1365kg，前舱吸能空间为0.68m。车辆在FRB工况的碰撞波形如图10所示。车辆前端结构的刚度分解方案如公式(40)所示。

2)吸能空间、工况偏置条件、碰撞速度

MPDB工况为车辆与壁障以50km/h的碰撞速度相撞，壁障与车的重叠量为50％，台车质量为1400kg。

SOB工况为车辆以64km/h的速度撞击刚性壁障，壁障与车的重叠率为25％，壁障的圆角半径R＝150mm。

2、车辆前端结构三维解析模型的建立

车辆正面碰撞吸能总空间经过三维分解之后，每一个吸能子空间都对应一段分解后的碰撞波形，为了便于区分，记为“子波形”。在形状上与原波形相同，但是波形幅值不同，为原波形与各子空间吸能量占比的乘积。位移域的碰撞波形可以看作是车辆前端结构的等效比刚度，同理，分解到各吸能子空间的子波形则可以看作是该空间的等效比刚度。

在此基础上搭建车辆前端结构三维解析模型。模型中各吸能子空间的等效比刚度用弹簧刚度表示，车辆用质量块表示。以公式(1)中给出的分解方案为例，搭建的车辆前端结构三维解析模型如图3所示。

图3中，弹簧刚度记为k_ij，与图2a中的子空间吸能量占比q_ij相对应，计算公式为(3)。

相比于将车身前部结构刚度直接简化为一根弹簧的简化方式，本发明所提出的三维解析模型更加接近真实情况。并且，本发明所提出的三维解析模型除了可以根据振动方程求解出MPDB工况的OLC和MD两个评价指标外，还可以求解壁障均匀性指标SD以及SOB工况车辆响应。

3、基于MPDB工况的模型求解

MPDB碰撞工况中的壁障在纵向上呈现线性刚度特性，而在横向和垂向上壁障的材料是均匀分布的。因此壁障的吸能空间划分可以在横向和垂向与车辆相对应，纵向不再分段且每个空间的刚度相同。搭建MPDB碰撞工况的三维模型如图4所示(计算时忽略车辆与壁障在碰撞过程中的旋转作用)。

图4中，车辆和壁障做相对运动，M和M_B分别为车辆和壁障的质量，d_BV为二者的相对位移，d_ij为车辆局部变形，d_Bij为壁障局部变形，k_ij为车辆的局部刚度，k_Bij为壁障局部刚度。图4根据机械原理可以简化为图5所示的等效单自由度模型。其中，v_eq为等效速度，M_eq为等效质量，K_eq为等效刚度。在碰撞过程中，车辆和壁障的局部刚度k_ij和k_Bij先串联获得每个吸能子空间的等效刚度k_eqij，之后每个吸能子空间的等效刚度并联，获得车辆和壁障整体的等效刚度K_eq，具体计算方式如公式(4)所示。

模型的等效质量为M_eq，等效速度为v_eq，由公式(5)计算得。

将K_eq和M_eq带入公式(8)得到系统的固有频率ω_eq为：

由公式(7)求得简化模型的振动响应：

由公式(11)、(12)、(13)和(14)得到壁障和车辆的振幅系数u₁、u₂，壁障和车辆的位移d_B和d_v，壁障和车辆的加速度a_B和a_v，壁障和车辆的速度v_B和v_v：

式中，d_B和d_v分别为壁障和车辆碰撞过程中的变形，a_B和a_v分别为壁障和车辆的加速度，v_B和v_v分别为壁障和车辆的速度.

根据车辆和壁障的运动响应，进一步推导MPDB碰撞工况的三个兼容性评价指标：

壁障的OLC值计算如图6所示。图中实线为壁障的速度曲线，是已知的曲线；虚线为等效的乘员速度曲线，是待求解的曲线。OLC定义为从乘员相对于车辆移动0.065m的时间到乘员相对于车辆移动总计0.3m的时间为止的乘员速度的斜率。

在图6中，虚线与实线之间的面积即为乘员与壁障的相对位移，碰撞开始时，乘员不受约束以匀速运动到t₁时刻，乘员与壁障的相对位移S₁达到0.065m。此后乘员受到约束作用，开始以恒定的加速度做减速运动，直至t₂时刻乘员与壁障速度相同，二者以相同速度继续运动，此时乘员与壁障的相对位移为S₁+S₂等于0.3m，即S₂＝0.235m。则乘员减速过程的斜率为OLC值，相当于乘员的加速度。其中，乘员载荷标准OLC的高性能指标为25g，低性能指标为40g，g为一个重力加速度。

OLC通过以下方程计算求得：

v₀-OLC×(t₂-t₁)＝v_B(t₂)

式中，v₀为壁障的初速度，t₁为乘员运动阶段向前移动65mm的时间，t₂为乘员约束阶段向前移动235mm时的时间(在运动阶段之后)，即300mm为乘员的运动距离，v₀为壁障初速度，也是乘员的初速度；v_B(t)为壁障的速度，它可以通过壁障加速度a_B(t)积分获得(这里描述的乘员运动是假设壁障驾驶位有乘员存在，便于计算乘员负载指数，用以评价兼容性)。

根据求得的壁障响应以及公式(15)～(19)联立求解可得到OLC的值，本例中OLC的值为27.33g。

由公式(20)、(21)、(23)求解得到壁障的最大变形MD为：

d_Bmax＝max(d_Bij)＝0.62m，小于车辆前舱变形空间为0.644m；所以，壁障未触底。

由公式(22)求解得到壁障的均匀性指标SD为：

获得以上相关评估数值后，再计算相容性修正分数M_compat，因为SD＝98.3mm，则均匀系数h取0.483，由公式(25)计算可得：

M_compat＝-2·OLC/15+10/3-h·((4·OLC/10-8)-(2·OLC/15-10/3))-M_BO

＝-2·27.33/15+10/3-0.483·((4·27.33/10-8)-(2·27.33/15-10/3))

＝-1.577

所以该车的计算罚分为1.577分。

到此，所要求得的MPDB工况兼容性评价指标：试验后壁障变形情况、乘员载荷标准OLC和壁障表面击穿情况以及罚分情况全部求解完成。

由于整车质量对碰撞系统的动力学响应影响较大，所以本次模型验证选取了不同质量的三种车型作为基础数据，三种车型的质量分别为大型车质量1800kg、中型车质量1400kg、小型车质量1100kg，加速度曲线分别如图9中曲线所示，分别计算三种车型的均匀性指标、壁障的OLC值和最大变形量MD以及罚分情况，以验证本发明提供的汽车碰撞解析方法的准确性。本实施例已公开了质量M＝1400kg的中型车的计算过程，其他两个车型的计算同上，分解方案如公式(41)所示

并将计算结果与本次验证选取的三个不同质量的车型的仿真实验数据(实际数据)进行对比，其结果与实际数据对比如表1所示：

表1 MPDB工况三个评价指标的验证

将公式(41)中的分解方案输入到解析模型中计算MPDB工况的兼容性指标并计算兼容性罚分。如表1所示，模型计算结果与原数据的误差均在10％左右。

4、基于SOB工况的模型求解

在SOB工况中，车辆与壁障的解析模型如图7所示。车辆在与刚性壁障接触后沿纵向做减速运动，同时绕其与壁障的接触点做旋转运动。在研究中定义发生以下两种情况之一，则碰撞过程结束：1)车辆的速度减为0的时刻，车辆不再发生结构变形；2)车辆在Y向位移≥25％车宽，车辆将擦过壁障，同样不发生结构变形。因此车辆在SOB工况碰撞过程中的运动响应可以从两方面考虑，即车辆的减速运动和旋转运动。

本实施例以质量为1365kg的某车型在SOB工况的有限元计算结果为基础数据，验证该解析模型计算25％碰撞工况中乘员舱上部最大侵入量的准确性，对其进行FRB与SOB碰撞工况的仿真，并取乘员舱上部4个侵入量测量点的最大侵入量值为34.2cm。

在图7中，O为车辆与壁障的接触点，也是车辆的旋转中心，v₀为碰撞速度，M为整车质量，k_ij为车辆刚度。由于该工况车辆与壁障是25％重叠，所以主要是25％区的结构发生变形在碰撞过程中吸能，该区域等效刚度为k_25％。

系统的固有频率ω为：

由公式(32)可求得简化模型的振动响应：

将图10中的碰撞波形转化为位移域的10台阶波，并与公式(40)中的分解方案一起带入解析模型中计算，获得车辆纵向的最大位移为1.0019m。

根据求得的简化模型的振动响应，利用公式(32)～(37)判断碰撞结束时间，并计算碰撞过程中的乘员舱的侵入量，由公式(38)计算可得：

D_25％max＝max(x_v)-L₁＝1.0019-0.68＝0.3219m

即解析模型计算得到的乘员舱最大侵入量值为32.19cm，与该车型的乘员舱上部侵入量仿真结果的最大值对比的误差在5.8％左右。

由此可见，该模型计算MPDB工况的兼容性指标以及SOB工况的乘员舱侵入量指标准确性均较好。

尽管本发明的实施方案已公开如上，但其并不仅仅限于说明书和实施方式中所列运用，它完全可以被适用于各种适合本发明的领域，对于熟悉本领域的人员而言，可容易地实现另外的修改，因此在不背离权利要求及等同范围所限定的一般概念下，本发明并不限于特定的细节和这里示出与描述的图例。

Claims (10)

1.一种协同正面碰撞多工况的汽车前端结构能量管理方法，其特征在于，包括如下步骤：

步骤一、根据总布置阶段的车辆硬点尺寸确定车辆前端吸能总空间；将所述车辆前端吸能总空间划分为多个吸能子空间，并将FRB工况碰撞原波形分解为与所述吸能子空间一一对应的子波形，建立车辆前端结构三维解析模型；

其中，每个所述子波形的幅值为FRB工况碰撞原波形的幅值与其对应的吸能子空间的吸收能量占比的乘积；

步骤二、基于MPDB工况，对所述前端结构三维解析模型进行求解，得到车辆和壁障的运动响应，确定碰撞过程中壁障和车辆的变形、壁障和车辆的加速度及壁障和车辆的速度；并根据所述运动响应得到乘员负载指数、壁障表面击穿情况、壁障的均匀性指标和兼容性罚分；以及

基于SOB工况，对所述前端结构三维解析模型进行求解，得到碰撞结束时车辆乘员舱的形变量。

2.根据权利要求1所述的协同正面碰撞多工况的汽车前端结构能量管理方法，其特征在于，在所述步骤一中，所述车辆前端解析模型的建立方法为：

将车辆前端每个吸能子空间都简化为刚度为k_ij的弹簧，将车辆简化为质量块；

其中，

式中，q_ij为吸能子空间的吸收能量占比；a_v为碰撞波形，d_v为车辆位移，M为整车质量，i为车辆前端吸能总空间沿车辆的横向分解的个数，j为车辆前端吸能总空间沿车辆的垂向分解的个数。

3.根据权利要求2所述的协同正面碰撞多工况的汽车前端结构能量管理方法，其特征在于，在所述步骤二中，对所述前端结构三维解析模型进行求解之前，还包括：

基于MPDB工况，将壁障在横向和垂向划分为与车辆前端的吸能子空间相对应的多个区域，将所述多个区域分别简化为弹簧；并根据机械原理将壁障和车辆的碰撞模型简化为等效单自由度模型。

4.根据权利要求3所述的协同正面碰撞多工况的汽车前端结构能量管理方法，其特征在于，在所述步骤二中，乘员负载指数通过如下公式进行计算：

式中，OLC表示乘员负载指数，t₁为乘员运动阶段向前移动65mm的时间，t₂为乘员约束阶段向前移动235mm时的时间，v_B(t)为壁障的速度，v₀为壁障初速度。

5.根据权利要求4所述的协同正面碰撞多工况的汽车前端结构能量管理方法，其特征在于，在所述步骤二中，兼容性罚分的计算公式为：

当OLC<25g时，M_compat＝-2·h-M_BO；

当25g≤OLC≤40g时，

M_compat＝-2·OLC/15+10/3-h·((4·OLC/10-8)-(2·OLC/15-10/3))-M_BO；

当OLC>40g时，M_compat＝-2-6·h-M_BO；

式中，h为均匀系数，M_BO为触底罚分。

6.根据权利要求5所述的协同正面碰撞多工况的汽车前端结构能量管理方法，其特征在于，所述均匀系数，根据壁障的均匀性指标确定；其中：

当SD<50时，h＝0；

当50≤SD≤150时，h＝(SD-50)/100；

当SD≥150时，h＝100％；

式中，SD为壁障的均匀性指标。

7.根据权利要求6所述的协同正面碰撞多工况的汽车前端结构能量管理方法，其特征在于，所述壁障均匀性指标的计算公式为：

式中，SD为壁障的均匀性指标，d_Bij为为壁障每个子空间的位移，

为壁障位移均值，m为吸能子空间的个数。

8.根据权利要求6或7所述的协同正面碰撞多工况的汽车前端结构能量管理方法，其特征在于，在所述步骤二中，车辆乘员舱的形变量通过如下公式进行计算：

D_25％max＝max(x_v)-L₁；

式中，D_25％max为车辆乘员舱的形变量，max(x_v)为碰撞过程结束时车辆的纵向最大形变量，L₁为防撞梁前端到防火墙的距离。

9.根据权利要求8所述的协同正面碰撞多工况的汽车前端结构能量管理方法，其特征在于，将通过所述三维解析模型计算得到的车辆的最大纵向位移作为车辆的纵向最大形变量。

10.根据权利要求9所述的协同正面碰撞多工况的汽车前端结构能量管理方法，其特征在于，在所述步骤二中，基于SOB工况判断碰撞过程是否结束的方法为：

当v_v≤0或者y≥25％B时，判定碰撞过程结束；

其中，v_v为车辆速度，y为车辆的横向位移，B为车辆宽度；

y＝rsinθ-25％×B；

式中，θ为车辆的旋转角度，r为车辆的旋转半径。

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