汽車偏置碰撞安全性結構改進

王 斌，李華香，史建鵬

（東風汽車公司技術中心，武漢430056）

汽車正面碰撞性能研究是車輛安全設計的重要內容之一。國內法規(guī)和C－NCAP主要通過正面100%剛性壁碰撞和40%偏置可變形壁障碰撞對車輛進行試驗評價。兩種試驗的碰撞形態(tài)和對乘員的傷害機理不同[1]。正碰時，車身前端全部參與碰撞，在巨大的沖擊慣性力作用下，車體剛度大，沖擊加速度峰值大，對頭部、胸部的沖擊傷害往往造成乘員死亡。與生物傷害指標息息相關的因素主要是約束系統(tǒng)，因此，正碰試驗主要側重于對約束系統(tǒng)的評價。而40%偏置碰撞主要評價安全車身結構，考核車身侵入方式對乘員造成的傷害。偏置碰撞時，車輛前端只有一側主要參與能量吸收，該碰撞形態(tài)下車身變形大，乘員室的嚴重侵入會造成乘員的致命傷害。交通事故統(tǒng)計結果也表明，該事故形態(tài)下乘員嚴重傷害的比例最高。

目前我國對正面100%碰撞的研究比較多，而對40%偏置碰撞的研究相對偏少。全面提高汽車正面碰撞的安全性能，需兼顧這兩種碰撞形態(tài)，因此開展40%偏置碰撞的研究工作十分必要。

已實施的C－NCAP2012規(guī)程中，40%偏置碰撞試驗車輛速度由56 km/h提升至64 km/h，這給自主研發(fā)的汽車企業(yè)帶來了嚴峻的挑戰(zhàn)。如何進一步提升汽車結構安全，減小乘員傷亡，是設計人員不斷追求的共同目標。

本文研究的某車型在56 km/h偏置碰撞試驗中安全性能表現比較理想，但64 km/h偏置碰撞仿真中，性能表現不佳，車身變形過大，結構暴露出不足，安全性能不能達到預期的星級評定要求。在試驗驗證之前，通過CAE仿真技術對車身結構進行安全改進，是一種省時省力且可靠有效的方法。本文基于碰撞仿真技術對該車型64 km/h偏置碰撞性能進行分析與評估，提出改進方法，切實可行地提升了車身結構的偏置碰撞性能。

1 有限元模型的建立

采用Hypermesh作為前處理建模軟件，直接導入CAD模型進行整車建模。整車模型的輸入內容包括白車身、四門兩蓋、懸架系統(tǒng)、轉向機構、動力總成、散熱系統(tǒng)等主要結構件，其中發(fā)動機和變速箱作剛體考慮。建模主要采用殼單元，部分采用實體單元和梁單元模擬。嚴格保證單元的質量要求，完成后的整車模型單元數共計約80萬。

完成整車模型裝配后，導入Pam-Crash前處理軟件，進一步完成材料定義、配重設置、接觸條件、約束條件和結果輸出定義等，建立完整的偏置碰撞仿真模型。

2 整車仿真模型的校驗

仿真模型完成后，經過多次計算、模型調試與校正，確定模型的正確性和可靠性。

仿真結果的真實性和準確性，通常采用定性和定量的方法進行評價[2]。定性評價方法主要是比較實車試驗結果與仿真模擬結果中關鍵撞擊區(qū)域的變形模式和各主要部件的變形特征；定量評價主要集中在車身加速度曲線和能量變化曲線的比較分析上。

基于已建立的整車模型，利用Pam-Crash軟件，按照C-NCAP2009的要求，分別完成整車50 km/h速度正面碰撞和56 km/h速度40%偏置碰撞的仿真計算。

圖1為通過仿真獲取的整車碰撞能量曲線。整個模型的沙漏能占總能量的5%以下，質量增加百分比小于1.2%。一般情況下，整個模型的沙漏能占總能量的10%以內，質量增加不超過總質量的5%[3]，模型計算精度可得到保證。

通過整車正面碰撞和偏置碰撞仿真計算，輸出B柱下端測評點的加速度曲線，與試驗曲線進行比較分析，見圖2和圖3。從仿真與試驗的B柱加速度曲線波形對比中可以看出，曲線各時間段的峰值雖然有差異，但兩波形的走勢具有一致性，因此基本可以認為整車仿真模型是可靠的。

3 整車模型的64 km/h偏置碰撞仿真與結構改進

參照C－NCAP2012規(guī)程的要求，以64km/h速度與可變形壁障發(fā)生40%偏置碰撞，建立整車仿真模型。通過仿真計算，發(fā)現車身結構存在以下不足：一是縱梁系統(tǒng)承載能力不足，前縱梁前端吸能不充分，末端變形較大，抵抗變形能力偏弱，如圖4所示。二是A柱上部多處發(fā)生折彎，如圖5所示。三是地板及地板縱梁變形嚴重。以上三點導致乘員艙防火墻侵入量和門框變形量較大，車門變形嚴重。車身結構性能指標達不到預期的目標。

針對上述問題，需對車身結構進行改進設計。分別在圖6所示的8個位置進行結構或材料優(yōu)化。經過多方案的對比分析，采用以下措施能夠取得較好的改善效果：

1）前縱梁前端增添誘導槽，改善變形模式。前縱梁末端結構增添加強筋和內加強板，以抵抗變形，減少對防火墻的侵入。前縱梁外板材料由B260LYD改為H340LAD，厚度由1.5 mm改為2 mm。

2）A柱骨架加強板材料由H260YD改為D340DPFC；A柱內增添加強件，里板材料由H260YD 改為 D590TRFC， 厚度由 1.5 mm 改為 1.0 mm。

3)A柱中部和下部、門檻梁前部和后部分別進行結構加強。

4)增加地板縱梁結構，多路徑分散碰撞力，合理優(yōu)化力的傳遞路徑。

進行改進方案整車偏置碰撞仿真計算，改進后車身結構各項性能指標得到明顯提高。

選取車門鉸鏈位置對前門框變形進行評價。改進前上、下鉸鏈位置處門框變形量分別為38.6 mm和40.2 mm，改進后的變形量分別是 19.2 mm和16.5 mm。改進方案門框變形有一定程度降低。

選取圖7所示24個前圍測評點，評估防火墻侵入量的變化情況。表1和圖8分別顯示：改進后防火墻侵入量明顯減小，尤其是駕駛員腳部關鍵位置，降低幅度明顯。

表1 防火墻侵入量的變化量

通過圖9儀表板橫梁的測評點的位移曲線亦可以看出，改進后最大后移量由改進前60 mm降至45 mm，滿足設計目標要求。

4 結論

通過以上分析與研究，得出以下結論：

（1）50 km/h剛性壁障正面100%重疊碰撞和56 km/h可變形壁障40%偏置碰撞仿真結果與試驗一致相關性較好，驗證了整車有限元模型的正確性和可靠性，也證明了分析方法的正確性。

（2）通過降低前圍防火墻侵入量提升偏置碰撞性能是結構改進的一個重要考慮環(huán)節(jié)。僅靠優(yōu)化前端結構是不夠的，還需對車身其他結構（包括A柱、門檻梁和地板梁系等）進行系統(tǒng)的改進和優(yōu)化。

（3）基于CAE仿真技術進行車身結構優(yōu)化，可以在短時間內快速實現對多方案的性能評價，同時對于改善安全性能，是一種行之有效的辦法。與試驗相比，通過仿真結果更容易發(fā)現結構的問題所在，從而找到最佳改進措施，節(jié)約成本。

［1］朱西產.汽車正面碰撞試驗法規(guī)及其發(fā)展趨勢的分析［J］.汽車工程，2002，（1）.

［2］王玨.韓忠浩.轎車正面碰撞仿真與結構改進［J］.太原科技，2009，（5）.

［3］王志濤.汽車偏置碰撞中的前橫梁改進［J］.汽車技術，2010，（7）.