车身设计&轻量化&安全专题2023年
对于汽车制动后发生的碰撞工况，乘员前倾将会增加人体损伤风险。本文进行了汽车预碰撞制动下乘员离位影响及参数优化分析研究。通过实车制动试验得到车辆在不同制动工况下的乘员颈部前向位移量分布区间；建立了 MADYMO 主动人体仿真模型，采用变量分析法研究不同制动波形下乘员离位特征；运用正交设计方法进行滑台碰撞试验，得到乘员离位因子对乘员碰撞损伤影响；建立乘员响应面模型，采用中心复合试验设计（Central composite design）方法，研究了主动式安全带参数与乘员离位位移之间的相关性，通过优化设计，得到了最优参数组合。
由于点阵结构优异的比吸能特性，其在新能源汽车被动安全方面具有广阔的应用前景。本文中以点阵结构填充吸能盒为研究对象，分别建立了具有不同点阵结构内芯的汽车吸能盒有限元模型，对比分析了不同填充吸能盒与传统吸能盒在多角度斜向碰撞工况下的耐撞性能，阐明点阵结构与吸能盒本体之间的相互作用机理及内芯选择依据。在此基础上，进一步考虑本体诱导槽对多工况变形模式的影响，开展了基于改进本体结构的点阵结构填充式汽车吸能盒抗撞性多目标优化设计。结果表明：具有正六边形点阵结构填充的汽车吸能盒具有稳定且优异的吸能性，基于改进诱导槽的点阵结构填充式吸能盒优化方案相对于原始吸能盒结构减质量32.05%，在保证最大冲击力小于阈值的前提下，其各项综合性能指标均得到显著提升。
为解决多变量非线性动态结构优化效率低、难以收敛等问题，提出求解车身骨架厚度优化的子区域混合元胞自动机（SHCA-T）算法以及多工况SHCA-T算法，实现车身骨架多工况耐撞性高效优化设计。该方法包括内外两层循环：外层循环主要开展碰撞仿真分析、计算输出响应，更新目标质量，实现结构质量的最小化；内层循环主要根据当前元胞及其邻胞的内能密度，按照PID控制策略调整元胞厚度，使内层循环的当前质量收敛于目标质量；最终使元胞内能密度分布尽可能逼近阶跃式目标内能密度函数。为了验证SHCA-T和多工况SHCA-T算法的精度和效率，将其用于求解侧面碰撞和侧面柱碰工况下车身骨架的厚度优化问题，并与基于伪CEI准则的并行约束EGO（EGO-PCEI）算法的优化结果进行对比。结果表明：在收敛精度相当的条件下，SHCA-T和多工况SHCA-T算法具有更高的全局搜索效率。
为了解首次松开制动时刻（t1）扰动下基于制动控制的人地碰撞损伤防护方法的使用风险，基于一个包括3种速度、4种行人尺寸和2个行人步态的虚拟仿真系统，设计并用MADYMO开展1 920次仿真。对比分析后发现：车辆制动控制方法在无参数扰动时能有效降低人地碰撞损伤且不增大车辆所致损伤；t1扰动下，WIC降低、车辆所致HIC15不变、地面所致HIC15降低、落地姿态不变的案例占比分别为86.1%、98.61%、90.16%和90.97%，表明车辆制动控制方法具有很强的抗扰能力；t1越早越可能增大车辆所致损伤，而t1越晚越可能降低头地碰撞损伤防护效果。进一步分析发现，t1扰动下人地碰撞损伤增加的主要原因有人车长时间不分离、人体从车体边缘掉落、落地姿态改变、完全制动组中伤害已经极低等；而保险杠长度、发动机罩盖倾斜角等参数显著影响制动控制方法的抗扰能力，其中保险杠长度越小、发动机罩盖倾斜角越大，制动控制方法的抗扰动能力越强。
针对某重型货车驾驶室台架疲劳试验出现破坏问题，提出了以疲劳寿命最大化为目标的双向渐进结构优化方法（FA-BESO）。首先，进行驾驶室的台架试验，找到驾驶室疲劳薄弱位置。进一步推导单元低周疲劳分析的灵敏度，以此值作为单元删减依据，通过对有限元软件进行二次开发来实现连续体结构的FA-BESO。接着，通过标准算例验证了此方法的有效性。最后，为提高优化效率，建立驾驶室的梁骨架简化模型，并验证了简化模型对于疲劳破坏位置具有良好预测性，将该算法运用到A柱加强板的考虑疲劳性能的拓扑优化中，优化结果表明，驾驶室的疲劳寿命可比优化前提高2倍，验证了FA-BESO提高驾驶室疲劳寿命的可行性。
重型货车桥壳尺寸大、承载重，桥包部分受力复杂，在开发试验及工程应用中存在开裂现象。本文中提出了无缝钢管胀压成形的重型货车桥壳设计方法，给出了胀压成形工艺流程；设计并试制出1∶1的轴荷11.5 t重型货车桥壳样件，通过胀压成形过程的有限元模拟，揭示了桥壳的壁厚变化以及后盖过渡圆弧面的应力分布规律，揭示出桥包的变形强化系数达到1.37~1.61。通过在桥壳样件上推力座施加65 kN纵向力的扭转工况静强度模拟及试验，揭示出桥包部分的切向应变和法向应变最大为317με、每米轮距的最大纵向变形小于0.91 mm，并给出了桥包前平面高出两侧宽度、无缝钢管壁厚的设计依据。基于实车采集载荷谱下进行扭转工况的疲劳试验，胀压成形桥壳样件经过5个阶段共计141.9万次的循环，仍保持完好未失效。研究结果表明，无缝钢管胀压成形的重型货车桥壳质量轻、强度刚度高，为彻底解决桥包的失效问题提供了重要参考。
在汽车与电动两轮车碰撞事故中，自动紧急制动 （autonomous emergency breaking，AEB）系统的横向触发固定宽度是避撞失效的重要因素之一。为了提高汽车AEB系统的避撞可靠性，本文在分析了汽车与电动两轮车碰撞临界工况的纵横向TTC（time to collision）差值范围的基础上，建立了AEB纵横向触发TTC差值模型。基于PreScan、Matlab/Simulink和CarSim仿真平台建立2种典型的汽车碰撞电动两轮车事故场景，并与横向触发宽度固定为1.75和3.75 m的AEB策略对比。结果表明：提出的AEB纵横向触发TTC差值模型在避撞率中表现更优，在汽车速度低于54 km/h时均能实现避撞。在典型场景1中避撞率为88.9%（45例），未避撞事故碰撞平均速度从70.6下降到29.7 km/h；在典型场景2中避撞率为80%（30例），未避撞事故汽车平均碰撞速度从66降低为18.2 km/h。AEB纵横向触发TTC差值模型具有良好的可靠性和鲁棒性，提高了汽车与电动两轮车道路安全性，为汽车主动安全系统开发提供重要理论参考。
CNCAP二排座椅动态鞭打试验是国际NCAP评价体系中最先提出的鞭打测试项目，导致汽车企业对其了解不足，关注度非常高。为深入认识二排鞭打试验，本文中收集了226组样本数据，通过分类汇总获得了鞭打静态测量参数头后间隙、头枕高度、座椅躯干角度以及二排鞭打动态成绩的离散分布规律，并建立了静态参量与鞭打动态得分之间的关联性。结果表明：二排座椅鞭打的得分率低且离散度较高，在追尾事故中保护人体头颈部软组织的性能整体较差；而优化座椅静态参数可以在一定程度上改善鞭打伤害指标，提高二排座椅的动态成绩；本研究对汽车企业掌握二排座椅鞭打现状提供了数据支撑，对优化二排座椅鞭打保护性能具有指导意义。
纤维金属层板（fiber metal laminate， FML）是一种新型轻量化混杂材料，逐渐被应用于汽车等运载装备领域，但其成形过程受多种参数影响，成形过程中的应力应变分布规律尚不清楚。选用T300碳纤维铝合金复合层板为研究对象，利用ABAQUS有限元软件对其冲压成形过程进行模拟，并进行了精度验证。主要研究了FML在预浸料种类、层板厚度和层板数等因素的影响下，应力分布及壁厚变化规律。结果表明，建立的FML冲压模型计算精度准确，预浸料种类主要影响纤维层的应力分布和壁厚变化，层板厚度和层板数对各层的壁厚变化产生影响，通过减薄层板厚度或增加层板数可以缓解过度减薄问题，层板厚度和层数也会影响铝合金层的应力分布，随着厚度和层数的增加，铝合金层的应力分布趋于均匀。
在碰撞事故中，车辆发生侧向碰撞后往往会同时产生剧烈横摆与横向运动，普通驾驶员难以正确应对此种紧急工况，车辆可能会失去稳定性，甚至造成更严重的事故。为减少车辆失稳以及驾驶员误操作等原因引起二次碰撞，本文提出一种碰后即接管车辆驾驶权限的两阶段碰后辅助驾驶控制策略。在第1阶段中，综合车辆稳定性和横向位移两项指标设计了代价函数，通过分层控制使车辆碰后快速回归稳定，并减小横向位移，以降低二次碰撞风险。然后依据相平面法所划分的稳定域制定控制系统切换准则，在判断当车辆稳定后，控制系统切换至第2阶段的路径跟踪控制，由模型预测路径跟踪控制器将控制车辆驶回原车道，以减小对相邻车道的影响。最后通过仿真实验，在不同强度的侧向碰撞中验证了本文所提出的控制策略的有效性。
本文将辊冲成型工艺引入拖挂式房车底盘设计和制造。对标某典型拖挂式房车底盘，通过对高强度材料的连续成型，构造一体化的底盘纵梁，并做相应的结构改进，对比分析了两种底盘在满载弯曲和满载制动工况下的受力情况。结果表明：由于辊冲工艺可以实现变截面超长零件的加工和一次冲孔，这一优势带来的材料改进、结构改进和主要构件数量的减少，使底盘纵梁加工在实现轻量化的同时显著提升了生产效率和装配效率。此外，基于高强度板材的变截面纵梁，大大提升了结构的可设计性，进而使承载性能的显著提高成为可能。与某款额定载质量为1.4 t的对标底盘相比，结构优化后的底盘可以承受2.4 t的载荷，且此时两者的变形量相似。
为提高车架疲劳寿命计算精度和在设计阶段对车架寿命进行准确预测，须考虑主结构外连点处动载荷对车架疲劳的影响及耦合作用，故本文中提出基于复杂边界的车架疲劳研究方法。通过试验场整车载荷谱采集，得到其全循环损伤值，基于损伤等效原理获得多种路面组合损伤值，与全循环损伤值等效精度为99.5%。构建主结构外连点的有限元车架模型，输出复杂边界的单位应力场；基于载荷谱、台架数据建立含有鞍座、拖车系统的高精度整车动力学模型，获取外连点处动载荷；由疲劳损伤理论计算车架疲劳，疲劳分析结果由试验场路试验证，结果表明基于复杂边界的车架模型仿真精度高，结合局部优化、模型重构使车架寿命满足要求。
为揭示汽车-行人碰撞事故中车辆前端结构和速度对儿童行人下肢损伤的差异成因及损伤机理，本研究应用符合我国体征且具有详细解剖学结构的六岁儿童行人损伤仿生模型（TUST IBMs 6YO-P），设置了32组涵盖4类常见车型和8种碰撞速度的汽车-行人碰撞仿真，分析下肢运动学和生物力学响应，采用非线性回归建立预测模型对下肢损伤进行评估。结果表明，碰撞速度对儿童下肢长骨骨折和膝关节损伤有直接影响，汽车前保险杠高度影响股骨的损伤程度和膝关节弯曲角度，扰流板离地高度影响胫、腓骨损伤的严重程度。分析膝关节弯曲角度和韧带断裂数据，得出当膝关节弯曲角度分别超出25.9±0.9°、38.6±0.7°、43.2±0.2°时，撞击侧内侧副韧带（MCL）、前交叉韧带（ACL）、后交叉韧带（PCL）发生断裂，基于碰撞速度和前保险杠高度建立的膝关节弯曲角度预测模型，经反求验证该模型可以有效预测膝关节损伤。综合儿童行人下肢长骨骨折评价参数和所建立的小腿弯矩预测模型，发现碰撞速度高于17.94 km/h将会造成儿童小腿骨折。该研究为行人安全法规制定、行人保护装置研发、AEB系统设计和数字化测评提供科学的参考依据。
为了解车辆装备自动紧急制动系统（AEB）后的典型人车碰撞场景及事故特征，在再现187例事故并采集碰撞前参数后，运用联合仿真技术评估传统AEB系统的效果，并用统计学方法分析未避免的73例事故（39%），获得6类典型的未避免人车碰撞场景。研究发现，未避免事故中：事故主要发生在照明条件良好、路面干燥的非路口，且95.88%案例中碰撞速度低于40 km/h；人车碰撞损伤均显著降低，但不同场景中降幅有差异；人地碰撞损伤降低方面存在不确定性，典型场景中61.9%的案例中人地碰撞损伤有增加风险，损伤增加比例随碰撞场景变化而不同。进一步分析发现，人地碰撞损伤增加的主要原因是AEB降低车速后行人落地顺序改变、人体下肢与车辆前端再次接触、人车碰撞位置改变等。研究成果不仅能为智能车主、被动安全研究中的实验设计提供边界条件，还能为设计更安全的AEB系统提供支持。
方向重要抽样法是一种结构可靠度模拟方法，适合评估非线性、多维度的复杂结构可靠性问题。然而对于多维度问题，利用接受/拒绝方法获得重要矢量样本，效率较低且可执行性差。因此，需要改进或重新构造易于抽样的分布函数。通过概述现有的分布函数，利用插值方法近似构造基于矢量-角度几何映射的分布函数，利用一维拉丁超立方方法对重要角度均匀抽样，再映射到重要矢量样本，得到的矢量样本具有分层均匀性，避免了聚集现象，同时覆盖整个样本空间。该方法有效应用于多设计点和多失效模式的可靠性问题分析中，进一步制定了样本分配方案。通过非线性数值算例和车身结构工程问题验证了该方法的适用性和准确性。
准确的路面附着系数估计是车辆主动安全控制的前提。首先，建立了单轮动力学模型，利用卡尔曼滤波实现了轮胎纵向力精准估计，并结合魔术轮胎模型建立了基于粒子滤波的路面附着系数估计器；其次，提出了基于图像识别的前向路面附着系数预测方法，通过DeeplabV3+、语义分割网络和MobilNetV2轻量化卷积神经网络实现路面分割和路面类型辨识，并利用查表获取前向路面附着系数。最后，建立了图像识别与动力学估计时空同步方法和融合规则，实现了两种估计方法的有效关联与可靠融合。CarSim-Simulink联合仿真表明，本文所提出的基于图像识别与动力学融合的方法可有效提高不同工况下的路面附着系数估计精度。
针对某车型一体压铸铝合金超大尺寸后段车身耐久开发问题，测试了压铸车身用铸态铝合金应变-寿命（E-N）数据，并对疲劳试样实测数据拟合得到合金E-N曲线关键参数；搭建Trim Body有限元模型，基于模态瞬态法计算了压铸车身应力动态响应，对应力时程响应信号雨流统计，结合实测拟合的E-N曲线和Miner损伤累积原理，对比分析了车身初始设计和优化设计方案的疲劳损伤；最后将优化设计的一体压铸件装车进行整车四立柱强化耐久测试。研究结果表明：压铸铝合金E-N关系曲线可用Manson-Coffin-Basquin方程描述；与初始方案比，改进设计的一体压铸铝合金车身最大损伤由2.67降低至0.32，疲劳开裂风险消除，经四立柱强化耐久试验验证一体压铸铝车身未见开裂。研究成果可为一体压铸铝合金车身达成耐久属性开发目标提供参考依据。
为研究某型车辆滚翻过程中车内副驾驶乘员的颈部运动损伤类型，采用LS-Dyna软件模拟被测车辆坡度滚翻、平台车滚翻和螺旋滚翻过程，分析车辆滚翻过程中乘员颈部力和力矩响应情况，判断乘员颈部损伤状态。结合颈部力与力矩建立一种判断某时刻乘员颈部姿态的假设，可在试验中无假人运动录像的情况下再现假人运动姿态。对某型车辆进行整车坡面滚翻试验，验证坡度滚翻仿真结果的准确性。分析结果表明：结合颈部力与颈部力矩的响应情况可以准确判断副驾驶乘员在滚翻过程中的颈部运动状态，表明乘员头部与车体的接触碰撞对乘员颈部损伤有重要影响。
角度冲击在车辆事故中较为常见，具有合理诱导结构的吸能装置对综合耐撞性能的发挥至关重要。本文研究了基于铝/CFRP复合管诱导结构的设计问题。为此，首先建立铝/CFRP复合管的高精度有限元模型，并进行试验验证。然后，基于多角度压缩工况，分别研究了诱导槽的位置参数、数量参数、形状参数以及尺寸参数对铝/CFRP复合管耐撞性能的影响规律。结果表明：诱导槽的位置参数对于综合耐撞性能影响最大，在复合管靠近顶端的位置处开设一个矩形诱导槽，可以大幅降低峰值力水平，同时兼顾吸能稳定性。最后，基于第二代非劣解排序遗传算法（NSGA-II）开展了复合管诱导槽的多目标优化设计。优化结果表明：在保证各工况权重方案的综合吸能性不降低的前提下，复合管的峰值力降低了35.5%，很好地解决了高吸能性与低峰值力难以兼顾的问题。该研究结果对于车辆碰撞吸能部件的设计应用具有重要的指导意义。
面向智能汽车安全研发和未来数字化测评技术，有效预测与评估小身材女性在汽车碰撞中的运动学和生物力学响应及损伤机理，本研究基于志愿者CT医学影像数据，开发了具有自主知识产权的符合中国人体特征的第五百分位女性汽车乘员损伤仿生模型。采用4种区域加载方式，重构了5组小身材女性胸腹部钝性冲击尸体试验，从接触力-压缩量曲线以及生物力学响应等数据对模型的有效性进行评估。同时将仿真结果与相同加载条件下局部胸腹部模型的响应结果进行对比，分析四肢对胸腹部刚度响应的影响。结果表明：对于5组不同冲击速度和冲击质量的尸体试验，模型预测的结果与尸体试验数据趋于一致，验证了该模型具有较高的生物逼真度，因此可应用于汽车安全领域乘员保护测试试验的仿真计算，以降低研发成本。在四肢运动响应的作用下，整人模型的胸腹部刚度表现出略高于局部胸腹部模型的特征，证明了使用整人模型来评估损伤会更加精确。该模型能定量预测与评估人体组织器官的损伤以研究具有中国体征的小身材女性汽车乘员的损伤机理，也将为汽车数字化测评技术、汽车主被动安全一体化研究和智能汽车座舱安全防护装置的研发提供基础数据和技术支撑。
车身设计&轻量化&安全专题2023年
