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摘要：货车后置防撞垫是针对养护公路专用车的一种外挂防撞装备，主要用于减轻追尾碰撞带来的伤害。本论文利用正交试验法，以多工况碰撞下车体的x、y、z三方向的最大加速度作为评价指标，对后置防撞垫吸能盒截面参数进行尺寸优化。最后，进行多工况碰撞下优化前后后置防撞垫的仿真分析，结果表明优化后的后置防撞垫较优化前缓冲性能更优。
关键词：后置防撞垫;有限元;正交试验
中图分类号：U272.6 文献标识码：A 文章编号：1674-957X（2021）14-0023-02
0 引言
货车后置防撞垫是外挂在汽车尾部的碰撞缓冲装置，当发生追尾碰撞时，通过内部的吸能盒变形吸能，从而来保护追尾车辆及被撞车辆的财产和人员。康刚[1]通过对实物防撞垫进行建模及碰撞仿真研究，验证了防撞垫的实际吸能效果。田应仲[2]等人设计了一种TS级可导向防撞垫，利用了有限元仿真以及实车试验进行多工况测试，发现该防撞垫满足TS级标准。为了节约能源，应在传统材料的基础上，对吸能盒的结构尺寸进行优化。
1 后置防撞垫碰撞仿真模型的建立
1.1 后置防撞垫仿真模型的建立 相比较于实车碰撞，计算机仿真可以大大减少研发周期和成本。本论文首先在三维制图软件UG中建立后置防撞垫三维模型，然后利用Hypermesh软件对防撞垫各部件进行网格划分、赋予材料和属性。同时，设置接触、约束和计算参数，最终得到由单元和节点构成的后置防撞垫CAE模型（如图1所示）。
1.2 碰撞条件及评价指标 本论文根据《公路护栏安全性能评价标准》JTG B05-01-2013，考虑到公路养护车辆使用工况多为城市道路，因此将防撞垫的防护等级选为TB级（60km/h），碰撞的工况选取正碰、斜碰、偏碰和正向侧碰四个工况，碰撞车型选取1.5t小型汽车。评价防撞垫的耐撞性时，主要从两方面进行评价，一方面是定性评价，指在发生碰撞过程中，防撞垫零部件不可以侵入驾驶室且不能翻车，另一方面是定量评价，碰撞过程中车辆质心处x、y、z三方向的最大加速度不得大于20g。
2 正交試验设计
作为一门工程化的科学设计方法，正交试验法是借助正交表合理的将各因素水平进行组合，在不影响试验质量的前提下减少试验次数，从而得到最优的水平组合[3-4]。
2.1 因素和水平的选取 本文所设计的吸能盒截面参数，如图2所示，主要是截面的厚度A、截面的宽度B以及截面的长度C。改变这三个因素中的任意一个都会对试验结果产生影响，因此正交试验的三个因素选定为这三个变量。现有后置防撞垫截面尺寸约为厚度A=2mm、宽度B=400mm、长度C=550mm。根据单因素分析法，对车辆—后置防撞垫进行碰撞仿真试验，以评价标准的测量值是否超过评价标准允许值来确定各因素水平的上下限，因素水平见表1。
2.2 试验结果分析
依据正交表L16（43）提供的数据组合，根据评价标准，每次试验分别对小车进行正碰、偏碰、斜碰、正向侧碰四个工况，将四个工况中x、y、z三方向最大的加速度值作为正交试验考核指标，试验结果如表2所示。
对各试验因素响应的目标值进行极差分析，其极差分析结果见表3。
极差越小说明该因素的水平变化对试验的影响越小，表3数据说明三个因素对试验的影响大小排序为C>A>B，得到本实验最佳组合：A1B2C4，所以选取优化后截面厚度为A=1mm，宽度为B=400mm，长度为C=650mm。
3 优化前后对比及最优组合验证的仿真分析
基于上文提到的评价标准，以1.5t小型客车60km/h对吸能盒尺寸优化前后的后置防撞垫进行正碰、斜碰、偏撞、正向侧碰多工况碰撞仿真进行分析，图3为优化后仿真变形过程。
如图3所示，通过对小车—后置防撞垫的仿真结果分析可知：车辆碰撞后车辆姿态良好，不会发生翻车、掉头横转现象，满足定性评价指标。
优化前后4种工况加速度曲线如图4所示，峰值加速度数据如表4所示。
如图4和表4所示，优化后的后置防撞垫在四种碰撞工况下，车体质心最大加速度均没有超过法规要求的20g，满足定量评价指标，且优化后的车体质心最大加速度均要小于优化前的车体质心最大加速度。
4 结论
本文基于碰撞法规建立车-后置防撞垫碰撞仿真模型，并结合正交试验设计方法对吸能盒截面尺寸优化设计，优化后的后置防撞垫满足碰撞法规要求，与优化前相比较缓冲性能更优，能更好的保护乘员安全。
参考文献：
[1]康刚.货车后置防撞垫碰撞仿真研究[D].华北电力大学，2017.
[2]田应仲，吴志鹏，李龙，魏伟，张荣.基于加强型共面蜂窝的可导向防撞垫吸能特性探究[J].工业控制计算机，2020，33（06）：28-30.
[3]都军民，孙卓.一种栅格形缓冲装置结构设计方法研究[J].机械强度，2011，33（6）：850-854.
[4]雷正保，赵仕琪，李铁侠.电动汽车头部碰撞相容性拓扑构型的优化设计[J].中国科技论文，2015，10（7）：817-820.
关键词：后置防撞垫;有限元;正交试验
中图分类号：U272.6 文献标识码：A 文章编号：1674-957X（2021）14-0023-02
0 引言
货车后置防撞垫是外挂在汽车尾部的碰撞缓冲装置，当发生追尾碰撞时，通过内部的吸能盒变形吸能，从而来保护追尾车辆及被撞车辆的财产和人员。康刚[1]通过对实物防撞垫进行建模及碰撞仿真研究，验证了防撞垫的实际吸能效果。田应仲[2]等人设计了一种TS级可导向防撞垫，利用了有限元仿真以及实车试验进行多工况测试，发现该防撞垫满足TS级标准。为了节约能源，应在传统材料的基础上，对吸能盒的结构尺寸进行优化。
1 后置防撞垫碰撞仿真模型的建立
1.1 后置防撞垫仿真模型的建立 相比较于实车碰撞，计算机仿真可以大大减少研发周期和成本。本论文首先在三维制图软件UG中建立后置防撞垫三维模型，然后利用Hypermesh软件对防撞垫各部件进行网格划分、赋予材料和属性。同时，设置接触、约束和计算参数，最终得到由单元和节点构成的后置防撞垫CAE模型（如图1所示）。
1.2 碰撞条件及评价指标 本论文根据《公路护栏安全性能评价标准》JTG B05-01-2013，考虑到公路养护车辆使用工况多为城市道路，因此将防撞垫的防护等级选为TB级（60km/h），碰撞的工况选取正碰、斜碰、偏碰和正向侧碰四个工况，碰撞车型选取1.5t小型汽车。评价防撞垫的耐撞性时，主要从两方面进行评价，一方面是定性评价，指在发生碰撞过程中，防撞垫零部件不可以侵入驾驶室且不能翻车，另一方面是定量评价，碰撞过程中车辆质心处x、y、z三方向的最大加速度不得大于20g。
2 正交試验设计
作为一门工程化的科学设计方法，正交试验法是借助正交表合理的将各因素水平进行组合，在不影响试验质量的前提下减少试验次数，从而得到最优的水平组合[3-4]。
2.1 因素和水平的选取 本文所设计的吸能盒截面参数，如图2所示，主要是截面的厚度A、截面的宽度B以及截面的长度C。改变这三个因素中的任意一个都会对试验结果产生影响，因此正交试验的三个因素选定为这三个变量。现有后置防撞垫截面尺寸约为厚度A=2mm、宽度B=400mm、长度C=550mm。根据单因素分析法，对车辆—后置防撞垫进行碰撞仿真试验，以评价标准的测量值是否超过评价标准允许值来确定各因素水平的上下限，因素水平见表1。
2.2 试验结果分析
依据正交表L16（43）提供的数据组合，根据评价标准，每次试验分别对小车进行正碰、偏碰、斜碰、正向侧碰四个工况，将四个工况中x、y、z三方向最大的加速度值作为正交试验考核指标，试验结果如表2所示。
对各试验因素响应的目标值进行极差分析，其极差分析结果见表3。
极差越小说明该因素的水平变化对试验的影响越小，表3数据说明三个因素对试验的影响大小排序为C>A>B，得到本实验最佳组合：A1B2C4，所以选取优化后截面厚度为A=1mm，宽度为B=400mm，长度为C=650mm。
3 优化前后对比及最优组合验证的仿真分析
基于上文提到的评价标准，以1.5t小型客车60km/h对吸能盒尺寸优化前后的后置防撞垫进行正碰、斜碰、偏撞、正向侧碰多工况碰撞仿真进行分析，图3为优化后仿真变形过程。
如图3所示，通过对小车—后置防撞垫的仿真结果分析可知：车辆碰撞后车辆姿态良好，不会发生翻车、掉头横转现象，满足定性评价指标。
优化前后4种工况加速度曲线如图4所示，峰值加速度数据如表4所示。
如图4和表4所示，优化后的后置防撞垫在四种碰撞工况下，车体质心最大加速度均没有超过法规要求的20g，满足定量评价指标，且优化后的车体质心最大加速度均要小于优化前的车体质心最大加速度。
4 结论
本文基于碰撞法规建立车-后置防撞垫碰撞仿真模型，并结合正交试验设计方法对吸能盒截面尺寸优化设计，优化后的后置防撞垫满足碰撞法规要求，与优化前相比较缓冲性能更优，能更好的保护乘员安全。
参考文献：
[1]康刚.货车后置防撞垫碰撞仿真研究[D].华北电力大学，2017.
[2]田应仲，吴志鹏，李龙，魏伟，张荣.基于加强型共面蜂窝的可导向防撞垫吸能特性探究[J].工业控制计算机，2020，33（06）：28-30.
[3]都军民，孙卓.一种栅格形缓冲装置结构设计方法研究[J].机械强度，2011，33（6）：850-854.
[4]雷正保，赵仕琪，李铁侠.电动汽车头部碰撞相容性拓扑构型的优化设计[J].中国科技论文，2015，10（7）：817-820.