某轎車側面碰撞仿真及優化設計

宋名洋 蔡堅勇

?

某轎車側面碰撞仿真及優化設計

宋名洋 蔡堅勇

東南(福建)汽車工業有限公司研發中心

本文基于實際車型，建立整車碰撞仿真模型，結合LS-DYNA對該車進行側面碰撞仿真，確認側結構的變形形態及侵入量，結合試驗對車輛側面結構進行優化設計。

汽車；車身；側面碰撞；LS-DYNA；安全性

隨著消費者對車輛安全性意識的提升，以及國家對車輛被動安全性能要求加強；針對目前該轎車車型側面結構保護性欠佳、車身結構強度不足的問題，通過虛擬樣機仿真分析方式進行優化設計，提升該車側結構的強度，以期望在C-NCAP中國新車安全性評價中取得更好成績，為消費者提供更優良的保護。

1 整車建模

1.1 建模依據

依照C-NCAP的試驗要求進行仿真建模（如圖1），同時，通過對模擬結果進行分析，找出整車結構中存在的問題，為改善整車碰撞特性的結構優化提供依據。

圖1 C-NCAP側面碰撞試驗圖示

1.2 整車建模

在整車碰撞仿真分析中，為盡量確保與試驗結果的可對比性及可用性，需按實際材料特性、密度、質量、接觸、邊界條件、初始條件和控制參數設置，通過準確的數學模型來還原真實的實車碰撞。

一般來說，SHEEL單元中三角形單元數量超過10%會影響分析的精度，從表1可以看出，有限元模型中三角形單元的數量占殼單元總數的4.94%，未超過10%的限值。

表1 SHEEL單元數量表

1.3 有限元模型示意（如圖2、3、4）

圖2 白車身有限元模型

圖3 側碰小車有限元模型

圖4 側結構侵入量考察點示意

2 分析方案描述

CAE的目的就是通過仿真分析的方法，快速對設計進行輔助和指導。因此，本文提取了7次典型的方案來進行說明，如表2。

表2 典型方案

3 碰撞試驗結果和CAE分析對比

3.1 B柱侵入量比較

通過hyperview軟件，讀出計算結果文件，并提取各曲線的最大（動態）值作B柱侵入量的考察。侵入量的比較如表3，其中“改善度”為相對方案1的變化百分比。

表3 侵入量的比較

3.2 試驗車與CAE仿真模型變形模式對比

CAE的仿真分析與實際試驗密不可分，在分析過程中對比試驗結果是CAE工作必不可少的一部分；因此，為能確保各方案的分析結果能作為有效的參考數據，故對CAE模型和整車試驗的變形模式進行對比，從圖5的對比可知，整個變形模型基本一致，CAE分析結果可作為設計參考。

圖5 試驗車與CAE仿真模型變形模式示意

通過上述的分析對比可知，若僅改善門檻梁強度，對側結構侵入量并沒有很好的改善；若僅改變前門第2根防撞鋼梁（前門下端）材質對B柱侵入量影響亦很小，甚至會造成B柱上方侵入量更加嚴重；故最終采用方案6來進行設計改善并試作。

通過試驗，也驗證了本次仿真的改善方向有效、可用。

4 結束語

當汽車發生側面碰撞時，碰撞緩沖區較小，變形空間也較小，而被撞部分與乘員之間距離較近，對乘員傷害比其他碰撞類型更嚴重。因此，增強側面碰撞性能就顯得尤為重要．

依據本文仿真可知，要改進側面碰撞性能，就要加強側結構加強板的強度和剛度，并對內腔結構進行適當的補強，使能量有效地傳遞給具有保護和吸能作用的梁、柱、底板和車頂等部件，使碰撞能量被分散吸收，最大限度地把可能造成的損害降低到最小程度。

在提升車身側面碰撞性能方面，可以從以下方向進行改善：

（1）增加車門強度和剛度。方法有增加鈑厚和增加車門防撞鋼梁兩種。增加鈑厚固然會在一定程度上改善汽車的碰撞性能，但是鈑厚的增加會提高整車的質量，影響整車的性能，所以通常采用增強車門防撞鋼梁的方法。汽車防撞鋼梁由防撞梁、前側支架和后側支架等零件組成，使用高強度鋼材制造，并安裝在車門內壁中央部位。當汽車行駛中遇到一般側面碰撞時，能抵抗車門凹陷變形；當遇到較大側面碰撞時，由于防撞桿的作用，因此不必借助專門工具便可迅速地打開車門，營救出車內乘員。

（2）增加側結構的剛度和強度。包括增加A柱、B柱和C柱的鈑厚和增強側結構內外鈑間的加強鈑。此外，局部加強在側面碰撞過程中變形較大部位的剛度和強度，以減輕在側面碰撞過程中側結構的侵入對乘員造成的傷害，保存乘員的生存空間。但出于目前制造成本之因素，不建議采用不等厚鈑結構來提升局部強度。

（3）增加門檻梁的強度。在發生側面碰撞事故時，門檻梁并不直接受到撞擊，但是加強門檻梁，可以保證將撞擊力有效地分散給地板等重要承力零件。增強措施包括增加承載面積、在梁內增加加強鈑以及填充發泡樹脂等。

（4）車身兩側B立柱之間安裝橫梁系統。在座椅下面及頂棚下方增加橫向加強梁或加強鈑，從而有利于碰撞力的傳遞，可以減少碰撞側結構的變形。

（5）采用3H形結構的加強方案。有利于碰撞能力分流的車身結構，碰撞力的傳導路徑對于車體的抗撞性能具有很大的影響。合理地分流在碰撞中傳導的力，可以大大提高車體的強度，減少車體的變形量，從而改善整車的碰撞性能。提高車體側面碰撞的主要設計思想是使沖擊力分散到整個車身結構。在車體結構中采用3H形結構的加強方案，是有利于碰撞力分流的典型的車身結構。所謂“3H”是指在車身的底部、側面和頂部的骨架都呈現“H”形，并組成立體框架的設計。

[1] LS-DYNA Key Words User Manual 971 （LS-DYNA 971用戶手冊）.

Computer Aided Engineering Simulation and Design Optimization of Passenger Car Side Collision

Song Mingyang, Cai Jianyong

(Research and Development Center, Southeast (Fujian) Motor Co., Ltd., Fuzhou 350119, China)

Based on actual vehicle model, a simulation model of passenger car side collision was constructed. The side collision of the passenger car was simulated via the model combined with LS-DYNA. The deformation shape and incursion of the side structure were analyzed based on computer aided engineering (CAE) model and the simulation result. Optimal design of the passenger car side structure was conducted in relation to actual test result to enhance the side structure.

vehicle；body in white (BIW)；side collision ；LS-DYNA；safety