横向能量管理

纵向抗力分配是保证实现目标波形的基础，在一个y−z平面内，合理的碰撞力分布则是保证平稳和连续纵抗力的条件。碰撞力在空间上合理分布可以使碰撞力与车体的质心保持对中，否则翻转力矩会使车体和乘员的运动状态恶化。控制吸能件压溃过程可以消除结构吸能的冗余，减除不必要的结构重量。

1）横向载荷分配

横向能量管理主要是对载荷路径进行立体规划。相对于正面刚性壁全宽工况而言，偏置碰撞、斜角碰撞、集中载荷（如桩柱碰撞）等非对称工况的横向载荷传递的能量更大，因此横向能量管理对非对称工况碰撞尤为重要。在按照3.4.1节完成三个区域的刚度设定以后，可继续对每一区域进行横向刚度分配。

图3.63　Ⅰ区横向能量管理

（1）Ⅰ区横向载荷分配（见图3.63）。

常规设计中，Ⅰ区域内主要的吸能部件只有保险杠骨架总成（保险杠横梁+吸能盒），因此保险杠骨架总成的刚度就是Ⅰ区的刚度。Ⅰ区的能量管理目标是使保险杠骨架总成完全吸收AZT碰撞工况的碰撞能量。

设定正面AZT碰撞能量为碰撞缓冲器可压溃距离为LCB（=0.7L），由Ⅰ区能量管理目标可得出碰撞盒的抗力目标：

（2）Ⅱ区横向载荷分配。

Ⅱ区的最佳设计方案是在车辆垂直方向上至少包含2条传递路径（前纵梁、前上边梁）。Ⅱ区承载以前纵梁为主，因此首先应确定前纵梁的吸收能量，然后将载荷拓展到上边梁的载荷路径上。在确定前纵梁承载力时首先要明确纵梁可压溃距离LBF（前纵梁前端至发动机刚性面，如图3.64所示）。LBF需满足以下条件：

图3.64　Ⅱ区吸能空间

在NCAP试验工况下（56km/h刚性障碍墙碰撞），假设按照图3.55的α分布规律，将Ⅱ区吸收的能量目标ESW1设定为总能量的60%（设α=0.65）。前纵梁前段LBF是Ⅱ区内的主要吸能部件。根据前述车型的CAE仿真计算，可将主梁的吸收能量设定在Ⅱ区总能量的75%，剩余25%的能量由上边梁吸收。

纵梁前端总能量EBF为：

单边梁压溃吸收能量为：

减去AZT的能量的原因是，这一部分能量已经被保险杠总成吸收掉了。前纵梁前端平均压溃力FBF−m：

计算截面压力的时候应当考虑纵梁必须承载此刻之前所有的能量总和，因此式（3.67）中又增加了EAZT分项。单边上边梁压溃吸收能量为：

上边梁平均压溃力FSG−m为：

式（3.70）中未包含EAZT是因为上边梁没有参与这部分能量吸收。LSG是上边梁在Ⅱ内的压缩距离。结构梁的耐撞抗力确定以后就可以根据薄壁梁的压溃力学模型进行断面尺寸、材料和厚度等结构参数的计算。Ⅱ区的载荷分配见图3.65。

（3）Ⅲ区横向载荷分配。

Ⅲ区的压缩空间为D2（见图3.61），总压溃吸收能量为（ESW−ESW1）。全车横截面的总压溃力FⅢ为：

图3.65　Ⅱ区载荷分配

这里采用总能量计算截面力，是因为纵梁的根部必须能够承受住撞击的最大的撞击载荷，在撞击结束之前不至于提前坍缩。如果在主梁和上边梁之间进行20%～80%的力的分配，则单侧纵梁的压溃力为：

单侧上边梁的压溃力为：

Ⅲ区能量分配如图3.66所示。

图3.66　Ⅲ区能量分配

横向能量管理也可以用多刚体模型完成分配方案验证［32］，［45］。由于参与吸能的部件更多，因此模拟精度也比纵向能量管理阶段要高一些。3D框架模型和整车有限元模型的分析对比如图3.67所示。

2）纵梁耐撞抗力与横向稳定性控制

由纵向能量管理和横向能量管理分析完成结构件的压溃力目标设置以后，需要将截面力转化为承载部件的截面几何、材料厚度、材料等级等设计参数，其主要的计算依据是薄壁梁压溃理论。

图3.67　3D框架模型和整车有限元模型的分析对比

（由一汽技术中心安全研究室提供）

纵梁有两种压溃吸能方式：弯折变形（见图3.10）与轴向压溃皱褶变形（见图3.11）。从吸能的效果来看，纯粹的轴向皱褶变形吸能效果最好，也就是能获得更高的波形效率。这种变形形式一般只有在正面碰撞工况中，发生于较短及比较稳定的专用吸能部件上（如保险杠后面的“碰撞盒”），在偏置碰撞、斜角碰撞等不对称碰撞载荷情况下，较长的结构件都会发生弯曲变形甚至是扭转变形。图3.10、图3.11所示为两种典型的变形形态。在三个区域的界面上，梁类结构件经常发生由轴向压缩、弯折与扭转变形组成的组合变形。因为这种组合变形使吸能性变得更加不可预测，碰撞过程更加不稳定，因此在结构设计时应当加以避免。虽然轴向皱褶变形最为理想，但是在实际中其也是最难实现的。在碰撞中，几乎所有的梁结构件都有失稳的倾向，进而发展到弯曲。

图3.68所示为典型的轴向压溃力—位移过程曲线。如果是矩形截面薄壁梁，则诱发压溃力峰值Pmax可按下式计算［11］：

式中，kp为弱化系数；E为杨氏模量；β为材料应力硬化系数；t为壁厚；b为方形截面边长；α为截面长宽比；σy为屈服强度；v为泊松比。

当截面为方形时：

最大应力按下式计算：

图3.68　轴向压溃力—位移

在概念设计阶段，可以假想结构梁的变形都是理想化的，这样有利于快速决定主结构的横断面方案和材料方案。因此，横向能量管理的任务可以简单描述为，将三个结构区的力值目标分解到各个纵向承载结构件里：

式中，n为承载结构件的个数。

把来自前方的碰撞载荷顺着规定的承载传送到后面，这个工作叫“载荷路径规划”。

文献［33］根据塑性理论用解析手段建立了薄壁梁压缩模型。根据变形部件的内力功和外部载荷的平衡关系，矩形截面薄壁梁计算平均抗力为：

式中，Fm为平均压溃力；Mo为完全塑性弯矩，Mo=σ0t2/4，σ0为平均屈服应力，σ0=(0.9−0.95)σu，σu为极限拉伸应力；C=(b+d)/2，b和d为矩形截面的边长；t为壁厚。

上述公式假设σ0与应变率无关，忽略惯性力。在现实中，有些材料的应力受应变率的影响较大，有些则不敏感，即在不同速度的载荷下会呈现出不同的特性曲线。例如，室温下的钢材属于应变率不敏感材料，其复合材料则属于应变率敏感材料。考虑应变率的影响以后，静态屈服应力可以修正为以下的动态屈服应力σd形式［34］：

式中，q、D为两个因材料而异的系数。

文献［35］将式（3.79）和式（3.80）结合为：

式（3.81）用于计算圆形截面薄壁梁，R为半径，v为载荷速度。对于边长为C的方形截面薄壁梁，有：

除上述的纯理论分析结果以外，文献［40］还对不同强度和不同截面的薄壁梁进行了试验，得出了圆形截面与平均抗力的经验公式：

式中，η为结构效应系数，Es为能量密度，Er为结构最大吸能量，W为重量，σus为单位极限拉伸应力；ρ为密度；φ为相对密度，Vm为材料体积，Ve为结构内体积；A0为按外缘计算的截面面积。

当截面为方形时：

式（3.83）和式（3.84）没有考虑材料的弹性。文献［41］和［42］对截面最大强度Smax进行了进一步修正：

式中，kp为削弱系数，是轴向约束度的函数；n为非加载端横向弯曲与翘曲度指数；E为杨氏弹性模量；σy为屈服强度；γ为材料硬化系数。

最大截面力为公式（3.85）与截面积相乘，得

对方形截面：

平均抗力为