基于OLC拐点的车体结构较优设计

时间：2024-06-19

卢静，郑颢，欧阳俊，王玉超

（广州汽车集团股份有限公司汽车工程研究院，广州 511434）

传统正面碰撞中乘员保护设计可分为车体结构设计和乘员约束系统设计，一般思路为先根据经验制定车体结构设计开发目标，然后基于优化好的车体结构开展乘员约束系统匹配。给予约束系统匹配更大的容度，这种设计思路存在车体结构设计过剩的现象。为实现精细化设计，有必要建立乘员保护与车体结构设计之间的桥梁，根据乘员保护的需求制定合理的车体结构设计目标。目前国内外已有较多文献[1-5]研究了加速度波形与乘员损伤的关联性趋势，但没有给出量化的方法并直接指导设计。常见的车体结构设计评价指标包括加速度峰值、速度归零时刻等，这些指标与乘员损伤有一定关联性，但不是必然。本文首先基于a-s（加速度-位移）曲线研究了加速度的二阶波形简化，并据此得到车体结构设计指标；然后研究了乘员载荷准则OLC，最后研究了车体结构设计指标、乘员损伤评价指标与乘员载荷准则OLC 之间的量化关系，并得到量化关系表达式，可直接指导车体结构设计。

1 a-s 曲线等效二阶波

从波形变化趋势来看，碰撞波形常见的简化形式有方形波（ESW）、尖顶方波（TESW）、等效二阶波（EDTW），如图1 所示。对于正面100%刚性壁障碰撞，整车变形吸能区可以分为3 个部分：（1）发动机前端与刚性壁障之间的结构变形D1；（2）发动机后端与防火墙之间的结构变形D2a；（3）防火墙的侵入变形D2b，如图2 所示。正面碰撞加速度-时间历程可以分为3 个主要阶段：a1（0-t2）、a2（t2-t4）、a3（t4-t6），分界点分别是时刻t2和时刻t4，时刻t2为发动机与壁障接触时刻，时刻t4为车辆开始反弹时刻。本研究中，发动机悬置断裂技术的应用使发动机与壁障接触后不会造成过大的加速度增加，二阶加速度的增加主要由发动机与前围接触后造成，所以时刻t2设定为发动机与前围接触时刻。根据变形区域能量守恒的原理，可以将实车碰撞波形简化成物理特征明显的两阶等效波形，包括发动机接触前围之前和之后两个阶段，如图3 所示。其中，a1为吸能空间变形波段（D1和D2a）的第一阶等效加速度，a2为D2b变形波段的第二阶等效加速度。

图1 车体加速度拟合形式

图2 正面碰撞变形区

图3 等效二阶波形

2 乘员载荷准则OLC

OLC 是一项评价车辆减速度的指标，它也是在给定某车辆减速度波形的条件下，通过假定乘员做单纯的前向运动而求得的乘员平均减速度，用于评价车辆减速度对乘员作用载荷的大小。2020 版E-NCAP 及2021 版C-NCAP 计划采用OLC 评价。

OLC 的基本分析方法如下：为避免假人胸部与方向盘发生碰撞，设胸部前向位移量为300 mm。由于安全带松弛量的存在，假人在不受力的状态下做匀减速运动，并移动了65 mm 距离。碰撞开始时，乘员先以v0做匀速运动。在速度-时间图上，设乘员与车辆速度-时间曲线所包围的面积A1达到65mm2时的时刻为ta，乘员从A段开始以一定减速度做匀减速运动。设乘员与车体速度曲线围成的A2的面积到达235mm2时，车辆速度-时间曲线上点为B 点。此时定义直线AB 的斜率为OLC。

图4 OLC 定义

3 结构指标对乘员载荷准则OLC 的影响分析

将实车碰撞波形简化成等效二阶波形后，可以方便地研究波形典型特征对乘员损伤的影响，从而制定合理的结构指标。根据第2 节的描述，将车体结构指标分为车体加速度（包括一阶加速度a1、二阶加速度a2）和动态位移（表征整车变形量，包括吸能空间和侵入量）。根据能量守恒原则，侵入量不变的情况下，改变一阶加速度a1，二阶加速度a2也会相应变化；一阶加速度a1不变的情况下，改变侵入量，二阶加速度a2也会相应变化。所以本文结构研究指标简化两种情况：情况一，侵入量不变，改变一阶加速度a1；情况二，一阶加速度a1不变，改变侵入量。首先基于56 km/h FRB 工况开展了研究。

3.1 一阶加速度a1 与乘员载荷准则OLC 的关系

根据第2 节中中等效二阶波形的转换方法，在侵入量不变的情况下，通过改变一阶加速度a1，得到16 组加速度波形，分别为等效波形1、等效波形2、……、等效波形16，如表1 和图5 所示。等效波形转换后，最大动态位移没有发生改变，随着a1的增加，a2呈不同幅度降低。

图5 不同a1 等效波形转换

基于第3 节中的乘员载荷准则OLC 的定义，对16 组等效波形进行计算，得到不同等效波形对应的OLC，如表1 和图6 所示。可以发现，当一阶加速度a1≤215.82 m/s2时，OLC 随着a1的增加呈现降低趋势，且随着一阶加速度a1每增加9.81 m/s2，OLC变化量逐渐减低；当一阶加速度a1＞215.82 m/s2时，OLC 随着a1的增加呈现增加趋势，且随着一阶加速度a1每增加9.81 m/s2，OLC 变化量较小。采用OLC 作为车体结构评价指标，可以将OLC 设定为≤284.49 m/s2，对应的一阶加速度a1为215.82 m/s2，二阶加速度a2为294.3 m/s2。

表1 不同a1 与OLC

图6 OLC 与a1 的关系

3.2 动态位移D 与乘员载荷准则OLC 的关系

根据第2 节中等效二阶波形的转换方法，在侵入量不变的情况下，通过改变侵入量D2，得到5 组加速度波形，分别为等效波形1、等效波形2、……、等效波形5，如表2 和图7 所示。等效波形转换后，一阶加速度a1没有发生改变，随着侵入量D1的增加，a2呈不同幅度降低。

图7 不同侵入量D2 等效波形转换

基于第3 节中的乘员载荷准则OLC 的定义，对5 组等效波形进行计算，得到不同等效波形对应的OLC，如表2 和图8 所示。可以发现，当动态位移D每增加10 mm 时，OLC 随着D的增加呈现降低趋势。

图8 OLC 与D 的关系

表2 不同侵入量D2 与OLC

4 乘员损伤与乘员载荷准则OLC 的关联性分析

基于第3.1 节中的分析，选择完成对标的有限元约束系统模型，如图9～13 所示，计算了不同车体结构设计指标a1下的乘员损伤情况，选择胸部压缩量作为考察指标，计算结果如表1 和图14 所示。

图9 有限元约束系统仿真模型

图10 头部加速度

图11 髋部加速度

图12 左上肋骨胸压量

图13 右上肋骨胸压量

图14 不同车体结构设计下OLC 与胸部压缩量

由图14 可知，乘员损伤与乘员载荷准则OLC有较强的关联性，当一阶加速度a1＜215.82 m/s2时，随着a1的增加，OLC 和乘员损伤同时降低，且斜率较为接近；当一阶加速度a1＞215.82 m/s2时，随着a1的增加，OLC 和乘员损伤同时增加，且斜率较为接近；乘员损伤与乘员载荷准则OLC同时出现拐点，且变化斜率较为接近，采用线性拟合，得到OLC 与胸部压缩量关系表达式y=0.377 7x+12.579，OLC 拟合度R2为0.95，如图15 所示。

由图16 可知，乘员损伤与乘员载荷准则OLC有较强的关联性，随着D的增加，OLC 和乘员损伤同时增加，且斜率较为接近；采用线性拟合，得到OLC 与胸部压缩量的关系表达式y=1.2677x+32.175，OLC 拟合度R2为0.97，如图17 所示。

图15 不同车体结构设计下OLC 与胸部压缩量的关系式

图16 不同车体结构设计下OLC 与胸部压缩量

图17 不同车体结构设计下OLC 与胸部压缩量的关系式

5 关联性验证及结构优化设计应用

5.1 拐点现象适用范围验证

在第3 节和第4 节的分析结论中，动态位移D不变的情况下，乘员损伤与车体一阶加速度a1的关联性存在明显的“拐点”现象，这说明在进行车体结构设计时，不能过度提高吸能盒的吸能效率，应合理地控制一阶加速度a1的大小。为了验证上述思路的正确性，基于某实车50 km/h FRB 波形，按文中所述思路进行了分析，得到一阶加速度a1与乘员胸部压缩量的关系，如图18 所示。结果表明，50 km/h 正面碰撞，在动态位移D不变的情况下，a1加速度由低到高存在一个最适加速度水平，仿真中该水平维持在147.15m/s2左右。在该水平胸部位移达到最小值，继续增加或减小a1，胸部位移都有明显增加的趋势。以不同的碰撞速度进行分析，如表3 所示，都验证了在车体结构设计时，在动态位移D不变的情况下，不能过度提高一阶加速度a1，应寻找最优a1设计方案，结论具有较好的适用范围。

表3 不同碰撞工况下车体结构设计OLC 拐点

图18 50 km/h 不同车体结构设计下OLC 与胸部压缩量

在上述结论中，前提条件是动态位移D不能改变，动态位移D主要由前机舱吸能空间（前吸能空间+后吸能空间）和前围变形组成，在进行车体结构优化设计时，吸能空间一般是固定不变的，而前围变形也是被约束的，过大会造成乘员生存空间变小，带来其他的乘员伤害风险。吸能空间和前围变形，不同的主机厂都有相应的设计要求，至于如何在造型、车长、轴距等条件约束下，基于正向设计思路得到合理设计目标，是另外需要研究的问题。

5.2 拐点现象车体结构优化设计应用

在某车型进行2021 版C-NCAP 50 km/h FRB 工况设计时，基于已确定的吸能空间及FRB 工况下前围侵入量的标准，开展一阶加速度a1的“最优设计”，如图18 所示，并确定一阶加速度a1应设计在147.15～156.96 m/s2的水平，最终通过约束系统仿真模型的预测，在平台化约束系统配置下，乘员的胸部压缩量水平为26.3 mm，见表4。

表4 平台化约束参数下车体结构设计目标

为了控制一阶加速度的水平，车体结构设计方案从吸能盒长度、刚度、截面等方面进行了优化设计。此外，也通过纵梁优化，匹配了前后刚度，控制了中后段的变形模式及时间，确保吸能盒吸能的稳定性。