汽車偏置碰撞安全性結(jié)構(gòu)改進(jìn)

王 斌，李華香，史建鵬

（東風(fēng)汽車公司技術(shù)中心，武漢430056）

汽車正面碰撞性能研究是車輛安全設(shè)計(jì)的重要內(nèi)容之一。國(guó)內(nèi)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(duì)車輛進(jìn)行試驗(yàn)評(píng)價(jià)。兩種試驗(yàn)的碰撞形態(tài)和對(duì)乘員的傷害機(jī)理不同[1]。正碰時(shí)，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(duì)頭部、胸部的沖擊傷害往往造成乘員死亡。與生物傷害指標(biāo)息息相關(guān)的因素主要是約束系統(tǒng)，因此，正碰試驗(yàn)主要側(cè)重于對(duì)約束系統(tǒng)的評(píng)價(jià)。而40%偏置碰撞主要評(píng)價(jià)安全車身結(jié)構(gòu)，考核車身侵入方式對(duì)乘員造成的傷害。偏置碰撞時(shí)，車輛前端只有一側(cè)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(yán)重侵入會(huì)造成乘員的致命傷害。交通事故統(tǒng)計(jì)結(jié)果也表明，該事故形態(tài)下乘員嚴(yán)重傷害的比例最高。

目前我國(guó)對(duì)正面100%碰撞的研究比較多，而對(duì)40%偏置碰撞的研究相對(duì)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(shí)施的C－NCAP2012規(guī)程中，40%偏置碰撞試驗(yàn)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(yán)峻的挑戰(zhàn)。如何進(jìn)一步提升汽車結(jié)構(gòu)安全，減小乘員傷亡，是設(shè)計(jì)人員不斷追求的共同目標(biāo)。

本文研究的某車型在56 km/h偏置碰撞試驗(yàn)中安全性能表現(xiàn)比較理想，但64 km/h偏置碰撞仿真中，性能表現(xiàn)不佳，車身變形過大，結(jié)構(gòu)暴露出不足，安全性能不能達(dá)到預(yù)期的星級(jí)評(píng)定要求。在試驗(yàn)驗(yàn)證之前，通過CAE仿真技術(shù)對(duì)車身結(jié)構(gòu)進(jìn)行安全改進(jìn)，是一種省時(shí)省力且可靠有效的方法。本文基于碰撞仿真技術(shù)對(duì)該車型64 km/h偏置碰撞性能進(jìn)行分析與評(píng)估，提出改進(jìn)方法，切實(shí)可行地提升了車身結(jié)構(gòu)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(dǎo)入CAD模型進(jìn)行整車建模。整車模型的輸入內(nèi)容包括白車身、四門兩蓋、懸架系統(tǒng)、轉(zhuǎn)向機(jī)構(gòu)、動(dòng)力總成、散熱系統(tǒng)等主要結(jié)構(gòu)件，其中發(fā)動(dòng)機(jī)和變速箱作剛體考慮。建模主要采用殼單元，部分采用實(shí)體單元和梁?jiǎn)卧M。嚴(yán)格保證單元的質(zhì)量要求，完成后的整車模型單元數(shù)共計(jì)約80萬。

完成整車模型裝配后，導(dǎo)入Pam-Crash前處理軟件，進(jìn)一步完成材料定義、配重設(shè)置、接觸條件、約束條件和結(jié)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(yàn)

仿真模型完成后，經(jīng)過多次計(jì)算、模型調(diào)試與校正，確定模型的正確性和可靠性。

仿真結(jié)果的真實(shí)性和準(zhǔn)確性，通常采用定性和定量的方法進(jìn)行評(píng)價(jià)[2]。定性評(píng)價(jià)方法主要是比較實(shí)車試驗(yàn)結(jié)果與仿真模擬結(jié)果中關(guān)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(píng)價(jià)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(jì)算。

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

通過整車正面碰撞和偏置碰撞仿真計(jì)算，輸出B柱下端測(cè)評(píng)點(diǎn)的加速度曲線，與試驗(yàn)曲線進(jìn)行比較分析，見圖2和圖3。從仿真與試驗(yàn)的B柱加速度曲線波形對(duì)比中可以看出，曲線各時(shí)間段的峰值雖然有差異，但兩波形的走勢(shì)具有一致性，因此基本可以認(rèn)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(jié)構(gòu)改進(jìn)

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(jì)算，發(fā)現(xiàn)車身結(jié)構(gòu)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(yán)重。以上三點(diǎn)導(dǎo)致乘員艙防火墻侵入量和門框變形量較大，車門變形嚴(yán)重。車身結(jié)構(gòu)性能指標(biāo)達(dá)不到預(yù)期的目標(biāo)。

針對(duì)上述問題，需對(duì)車身結(jié)構(gòu)進(jìn)行改進(jìn)設(shè)計(jì)。分別在圖6所示的8個(gè)位置進(jìn)行結(jié)構(gòu)或材料優(yōu)化。經(jīng)過多方案的對(duì)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(dǎo)槽，改善變形模式。前縱梁末端結(jié)構(gòu)增添加強(qiáng)筋和內(nèi)加強(qiáng)板，以抵抗變形，減少對(duì)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(qiáng)板材料由H260YD改為D340DPFC；A柱內(nèi)增添加強(qiáng)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(jìn)行結(jié)構(gòu)加強(qiáng)。

4)增加地板縱梁結(jié)構(gòu)，多路徑分散碰撞力，合理優(yōu)化力的傳遞路徑。

進(jìn)行改進(jìn)方案整車偏置碰撞仿真計(jì)算，改進(jìn)后車身結(jié)構(gòu)各項(xiàng)性能指標(biāo)得到明顯提高。

選取車門鉸鏈位置對(duì)前門框變形進(jìn)行評(píng)價(jià)。改進(jìn)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(jìn)后的變形量分別是 19.2 mm和16.5 mm。改進(jìn)方案門框變形有一定程度降低。

選取圖7所示24個(gè)前圍測(cè)評(píng)點(diǎn)，評(píng)估防火墻侵入量的變化情況。表1和圖8分別顯示：改進(jìn)后防火墻侵入量明顯減小，尤其是駕駛員腳部關(guān)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(cè)評(píng)點(diǎn)的位移曲線亦可以看出，改進(jìn)后最大后移量由改進(jìn)前60 mm降至45 mm，滿足設(shè)計(jì)目標(biāo)要求。

4 結(jié)論

通過以上分析與研究，得出以下結(jié)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(jié)果與試驗(yàn)一致相關(guān)性較好，驗(yàn)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(jié)構(gòu)改進(jìn)的一個(gè)重要考慮環(huán)節(jié)。僅靠?jī)?yōu)化前端結(jié)構(gòu)是不夠的，還需對(duì)車身其他結(jié)構(gòu)（包括A柱、門檻梁和地板梁系等）進(jìn)行系統(tǒng)的改進(jìn)和優(yōu)化。

（3）基于CAE仿真技術(shù)進(jìn)行車身結(jié)構(gòu)優(yōu)化，可以在短時(shí)間內(nèi)快速實(shí)現(xiàn)對(duì)多方案的性能評(píng)價(jià)，同時(shí)對(duì)于改善安全性能，是一種行之有效的辦法。與試驗(yàn)相比，通過仿真結(jié)果更容易發(fā)現(xiàn)結(jié)構(gòu)的問題所在，從而找到最佳改進(jìn)措施，節(jié)約成本。

［1］朱西產(chǎn).汽車正面碰撞試驗(yàn)法規(guī)及其發(fā)展趨勢(shì)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(jié)構(gòu)改進(jìn)［J］.太原科技，2009，（5）.

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