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车辆自适应前机构设计

摘要：

采用混合有限元建模的方法研究一种自适应乘用车的设计灵感。为了研究车辆模型的自适应前结构的开发，用一种离散弹簧元件取代了主要吸收能量的前车身部件，用400mm、500mm两个独立的压缩距离进行了评测，也进行了全面的前墙碰撞影响和汽车间的兼容性的评价测试。

对于那些使用500mm压缩距离的自适应汽车，最低的加速度峰值56km/h和40km/h的自适应车辆对于正面刚性墙壁的碰撞影响分别为392m/s2和245m/s2。对车辆前部的持续不断的挤压力分别为320kn与120kn，对于400mm压缩距离的自适应汽车，最低的加速度峰值为56km/h和40km/h的对于正面刚性枪毙的碰撞影响分别为491m/s2和265m/s2, 相应的挤压力量是500kn

和218kn。

对于那些使用500mm压缩长度的自适应汽车，在56km/h的速度（112km/h的接近速度）和持续的320kn撞击力的情况下，驾驶员以及乘客的自身安全都能够得到保障，在40km/h的速度（80km/h的接近速度）和218kn的撞击力下，乘员们的都能够得到良好的保护。

关键词：自适应结构、兼容性、自我保护

研究背景：

就美国自身而言，近些年来交通事故数据显示每年大约有4000起死亡事故是由于两辆车头部碰撞而引起［1］。更进一步的司机死亡风险向西调查显示死亡风险不仅仅取决于驾驶者的车辆，同时也取决于车辆碰撞媒介［2和3］。在suv和轿车的车头碰撞事故中，suv每死亡一个人对应轿车死亡5.6人。相似的，货车每死亡一位司机就在乘客中出现5.4起事故，对应没一起皮卡司机事故中，皮卡和轿车车头相撞能导致三名司机死亡。从兼容性的角度来说，在轿车，轻型货车和suv三种车型之间的事故发生率的区别原因归纳于外观几何原因以及质量原因。几何因素的原因正在调查之中，现在已经有一些汽车生产制造厂商已经实施了一些并非强制的要求，这些要求会帮助建立一个更好的垂直方向的能量吸收结构［4］。

汽车质量上的差异凸显了两个主要的问题，其中之一是汽车之间的动量转移，这种动量会使得相比于质量较大的汽车，质量较轻的汽车会经受更暴烈的挤压反应（越高的减速度会对应越高的单位时间内速度变化量），第二个问题主要在于撞击力的偏转特性（通常被称为刚度）从而导致了自我保护的测试结果。车辆的破碎带必须在经历障碍测试的时候吸收车辆自身的动能。然而车辆设计的限制导致了相似的变形长度但是重的车相比于较轻的汽车碾碎力更大，而且使较重的车倾向于压碎较轻的车。因此，欧盟提出了VC-Compat项目，该项目提出最小的撞击力等级（350-400kN)应该适用于小型汽车，以此来确保撞击能量能够合理的分散在汽车的不同质量块之间［5和6］。值得注意的是，汽车的自我保护测试并不能够保证汽车能够吸收在车与车碰撞之间的属于自身的那部分动能［7］。因此，几何和刚度的兼容性改进车辆－车辆之间碰撞保护的先决条件。

很多学者已经研究过了在假定良好的几何相互作用预先存在的情况下的刚度兼容性［6，8，9］。Waring;gstrouml;m［8］和Witteman［9］ 研究了那种能够适应撞击的自适应机构在能量耗散要求上扮演的角色是不同于自我保护实验的参考物的。所有的这些研究都展示了当有合适的力偏转特性时受伤风险带来的好处，但是物理结构上的能量吸收系统的实施被简化了而且当在其他的碰撞情况下不能够全面的被分析。

本文研究的目的是调查那些带有自适应碰撞结构的车辆在前部碰撞时的影响。尤其是当撞击力和质量不一致时去识别确认总体的碰撞里水平最为有趣，确定适合大多数碰撞元件的碰撞力。因为汽车现在在现实世界里很容易暴露在很多碰撞元件下，很多汽车几何和刚度值都能够被用来作为配备了自适应结构的防弹车的目标参数。将之前的建模技术进行了提高使得很多几何相互作用的参数的影响能够可视化，方便确定潜在的对于车辆未来兼容性的需求。由于目前所研究的模型的兼容性问题的复杂程度，现在只研究正面、直线碰撞的影响，最终的研究目标是预测用重量1635kg的400－500mm厚度的停止距离来改变车辆主要纵向前横梁的性能来改变碰撞脉冲的可行性。

实行方法：
最有趣的汽车模型是福特Taurus，它有882231个节点和880945个元素组成，原始模型的总质量为1649kg，我们选用了混合模型的研究方法来解决自适应车辆结构的元素的问题。主要的纵向梁和上梁梁木被离散的元素所取代。纵向构建的屈服力一般都是由力的变形函数来建模，模型中的离散元素仅仅只提供轴向变形阻力，而整体的屈服和弯曲状态都没有在模型中体现，出于行人的需求考虑，保险杠泡沫和保险杠横梁特性没有被修改。然而，失效准则一般由副车架定义，防火墙和防火墙背后的结构都被建的非常坚固，因此，防火墙的入侵以及自适应车辆的平套头没有包含在此项研究当中。这项要求被视为必要的因为纵向横梁被整合在了乘客车厢中而且它的设计非常复杂。它的行为状态与其负载的状态是有关的，因此对于它的描述和仿真都是非常复杂的。修改自适应结构纵向梁的将会以一种不会与当前隔离设计一致的方式来改变负载的分布。隔离或者纵向的的界面的重新设计超出了研究调查的范围，刚性的隔间依然被实施会有些轻微对于车辆碰撞响应的影响。

图1 原始和修改后的福特Taurus 模型

在正面的刚性墙破庄模拟中，调整了横梁的刚度以适应事先确定的分别在56km/h和40km/h对应的400mm和500mm的厚度的情况下的制动距离。恒定的碰撞力在反复的迭代过程当中被改变，直到当峰值加速度通过实现方形加速度脉冲来最小化峰值加速度时，所期待的制动距离被实现，迭代就停止。

为了评估自适应车辆的前结构的兼容性，可变力的车辆（以下简称为Bullet车辆）被挤压嵌入其他车辆（以下简称为目标车辆）。目标车辆是质量减轻了的福特Taurus（以下简称为轻型车辆）和一台SUV（福特探险者）（以下简称为SUV)（图2）。Bullet车辆和目标车辆以所需的速度正面的分布式正面碰撞。SUV和轻型车辆分别重2238kg和1050kg。不同的目标车辆为完整的自适应系统的兼容性评测提供了质量、力量、和几何的差异。为了消除内部约束系统的优化影响，被选择用来评估已有的的兼容性水平的提升是峰值加速度和目标车辆的入侵响应。入侵响应能够在与刹车踏板一个水平上的防火墙上测得。

图2.自适应的福特Taurus,1635kg,正面全方位撞击1050kg的轻型车辆和2238kg的SUV.

结果

针对墙壁的精确分析结果

最原始的（未经修改的）福特Taurus碰撞表现是通过正面全方位以56km/h和40km/h的撞击速度来评估的。结果表现在了图表1里。最相关的测试结果是前端压碎力和峰值加速度，因为这些数值会与自适应车辆的价值挂钩。车辆前部的持续的压碎力接近300kN。在56km/h的测试速度下峰值加速度是569m/m2，在40km/h的速度下峰值加速度是334m/s2

图表1.这是福特Taurus原始模型下分别在56km/h和40km/h的速度下全方位正面碰撞墙壁的测试结果。

对于自适应的重为1635kg以及撞击速度为56km/h的福特Taurus车辆，当撞击力程度达到320kN时是500mm的停止距离，当前撞击程度为500kN时，停止距离为400mm（如图2）,峰值加速度分别是392m/s2和491m/s2。在40km/h的速度下前段撞击力度为120kN情况下是500mm的停止距离，在218kN的撞击力度下是400mm的停止距离。重要的是自适应车辆相比于原始车辆有着更低的峰值加速度。尽管自适应车辆由着更大的撞击力和更短的停止距离，但却有耕地的加速度。原因是很明显的，方形碰撞脉冲是一种相比于现代车典型的碰撞脉冲更有效的车辆制动方式。

图表2.重量为1635kg的改进过的Taurus的墙壁撞击的停止距离，撞击力度，峰值加速度。

兼容性分析结果

在时速为56km/h的撞击下(相对接近速度为112km/h)轻型车辆的撞击下，自适应车辆的不同的撞击力量的背景下产生了预期的结果。两台汽车的变形情况呈现在了在图三的左边的绘制曲线上。更坚硬的自适应车辆结构在小型汽车上更强加了一个更大的变形量，最大的撞击力（500kN）导致了530mm的目标车辆的变形量然而只导致了220mm的自适应车辆的变形量。最柔软的自适应装置(40km/h时速的障碍物撞击测试有400mm的停止距离)导致了相比于目标车辆有着更大的变形量。正如图表3中所表现的那样，自适应车辆经受了因为不同的坚硬的装置背景而经历了更大的形变。

目标车辆SUV车辆的变形量也呈现在了图表3（右侧的绘图曲线）上，表现了和轻型车辆同样的趋势特性。当SUV碰撞产生的动能更高的时候（因为较大的系统重量），相比于更轻的目标车辆，当前目标和Bullet车辆就会产生更大的变形量。值得注意的一件有趣的事情是，及时是在第二高的硬度设定下，目标车辆和Bullet车辆都有着本质上等同的变形量。正是在一定力度下，自适应系统降到了最低点，同时这反映了反映了Bullet车辆变形的离散的微小的变形量。自适应的刚度被设置在300kN以下时，Bullet汽车的峰值加速度戏剧性的增加。因此出于自我保护的原因，一般的中型汽车应该有至少320kN或者更高的全方位正面撞击力等级来确保不会被更重的车辆撞碎，这项调查也被VC-Compat所支持。

图表3中的结果也表明了这些自适应和自我保护方面的问题是如何在受到撞击的车上进行研究的。当与轻型车辆相撞的时候，自适应车辆在最低的负载设置时只是接近了其自我保护的极限（500mm），然而与更重的SUV碰撞时即使是最大的力量下也包括了更大的变形量。除了车头变形量之外的问题应该被好好调查研究，但是为了在需要的力量上在一定范围内达到更好的兼容性，这样的趋势已经越来越明显。

图表3.在56km/h（相对接近速度112km /h)的速度下,自适应福特Taurus撞击轻型福特Taurus和福特Explorer的车辆变形量。

当目标车和Bullet车辆（自适应Taurus）以500kN的撞击力（图表4）碰撞的时候，都会形成在目标车辆（轻型Taurus和SUV）上最大的侵入量。对于SUV而言，最小的入侵量是当它与Bullet车辆以218kN的撞击力撞击时所获得的，然而对于轻型车辆的最小入侵量是在与Bullet车辆以120kN的力的时候碰撞时间获得的，之所以SUV在更轻的120kN的Bullet车辆冲击下相比于218kN的冲击下有更多的入侵量可以归结于降至最低限的自适应结构元 素。由于Bullet车辆的车厢是刚性的，所以更轻的Bullet车辆没有吸收足够的能量来减弱刚性车厢撞击SUV的剧烈程度。

图表4. 在56km/h（112km/h的相对接近速度）的速度下，轻型福特Taurus和SUV的全方位正面撞击入侵量。

在40km/h（相对接近速度为80km/h)的时速下自适应的福特Taurus和在任何程度的Bullet车辆撞击下都有特别大的形变的轻型目标车辆撞击时，产生的形变量为360-380mm之间(图表5)变形长度并不是随着车辆撞击力度而大范围改变。对于自适应车辆而言，变形量从200mm对于车辆500kN的恒定撞击力提升到420mm的对于车辆的120kN的恒定撞击力。

在40km /h（80km/h的相对接近速度）时，有着500kN的恒定撞击力的自适应福特Taurus和SUV之间（图表5），有着400mm的变形量。在恒定的218kN的撞击力的自适应福特Taurus与120kN的变形量的SUV撞击下在所有情况下都有250mm。明显的是，目标车辆的支撑结构有能力支撑大于218kN的撞击力，因此导致了Bullet车辆承受了撞击变形的大部分。

图表5.在40km/h（相对接近速度80km/h)的时速下，自适应福特Taurus撞击轻型福特Taurus和SUV撞击的车辆变形量。

在40km/h（相对接近速度为80km/h)的自适应车辆与轻型车辆和SUV的撞击下，有一个一般性的微小的入侵量(图表6),此种入侵量小于20mm。对于轻型车辆，入侵量是恒定的而不是撞击Bullet车辆的撞击力。对于SUV,对于有500kN的Bullet车辆撞击力是8mm，320kN情况下0mm，120kN的撞击力。最终的结果是Bullet车辆的坚硬的车厢是之前被描述过的人工制品。

图表6.轻型福特Taurus和福特Explorer在40km/h的全面正向碰撞的入侵量。

在56km/h（相对接近速度112km/h），500kN的自适应Bullet车辆和轻型目标的车辆的撞击，这轻型车辆的峰值加速度是883m/s2，而且自适应Bullet车辆的峰值加速度是510m/s2（图表7）。这最低的自适应Bullet车辆的峰值加速度是284m/s2，它是在撞击力量为218kN的情况下获得的。轻型目标车辆的最高的峰值加速度是608m/s2，是在自适应Bullet车辆的120kN的情况下获得的。

对于在56km/h（相对接近速度为112km/h）车辆加速度自适应Bullet车辆针对目标SUV的500kN的撞击力，车辆加速度为461m/s2，同时，SUV的加速度为520m/s2.（图表7）。最低的自适应Bullet车辆的峰值加速度和对于SUV目标车辆的最低加速度都是在320kN的恒定的撞击力的情况下获得的。自适应车辆和SUV的峰值的加速度分别是471m /s2 和422m/s2。对于力量为218kN的撞击，自适应Bullet车辆结构降至底线再上升然后其峰值变为了677m/s2。对于SUV而言，加速度是461m/s2。在撞击中，有着120kN的自适应Bullet车辆，这个结构降至底线导致了高的峰值加速度。这个自适应车辆的

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