基于正交實(shí)驗(yàn)法的車身側(cè)面碰撞性能優(yōu)化

周 全, 宮 帥, 胡占芳

Zhou Quan, Gong Shuai, Hu Zhanfang

（東風(fēng)汽車公司技術(shù)中心，湖北 武漢 430056）

轎車在發(fā)生側(cè)面碰撞時(shí)，B柱與駕駛員側(cè)車門門檻受到最大的碰撞沖擊力，B柱與門檻會(huì)發(fā)生較大的變形而擠占駕駛員的生存空間。同時(shí)，B柱也產(chǎn)生較大的侵入速度帶動(dòng)車身的結(jié)構(gòu)件對駕駛員身體形成沖擊從而給駕駛員帶來傷害。影響車身側(cè)面碰撞性能的因素有多種：側(cè)面的侵入速度、侵入量、側(cè)面內(nèi)飾件的剛性、側(cè)面被動(dòng)安全約束系統(tǒng)和座椅[1]。車身側(cè)面的侵入速度和侵入量是這些因素當(dāng)中的關(guān)鍵因素。

車身由不同材料的板件沖壓焊接而成。優(yōu)秀的車身側(cè)面結(jié)構(gòu)，能夠表現(xiàn)出良好的側(cè)面碰撞性能。通過早期的商品定義和競品分析手段可以對處于概念設(shè)計(jì)階段的車身關(guān)鍵部位的碰撞性能參數(shù)定出合理的目標(biāo)值，通過工程設(shè)計(jì)和CAE仿真等手段來控制車身的碰撞性能。對于已經(jīng)工業(yè)化后的車型，由于設(shè)計(jì)當(dāng)初的商品定義和當(dāng)時(shí)的法規(guī)要求已經(jīng)落后目前市場的要求，造成這些量產(chǎn)車型的處境尷尬。更高被動(dòng)安全性的車型才能夠?yàn)槭袌鏊邮堋Ｒ虼耍枰獙嚿斫Y(jié)構(gòu)進(jìn)行優(yōu)化以滿足市場需求。

1 側(cè)面碰撞駕駛員損傷分析

側(cè)面碰撞中，駕駛員傷害評價(jià)部位為駕駛員頭部、胸部、腹部和臀部[2]。試驗(yàn)表明：在C-NCAP側(cè)面碰撞試驗(yàn)中，車體側(cè)面結(jié)構(gòu)的變形，特別是B柱的變形容易導(dǎo)致駕駛員的胸部和腹部受到損傷，當(dāng)B柱的侵入速度超過7 m/s時(shí)，假人腹部的損傷十分明顯，這是由于B柱在假人腹部區(qū)域的侵入速度大，造成車門扶手等區(qū)域以較大的沖擊力撞擊假人腹部而造成損傷。同時(shí)，由于門檻梁的變形嚴(yán)重，導(dǎo)致B柱結(jié)構(gòu)的下部對駕駛員臀部造成沖擊，致使臀部受傷[3]。

2 B柱及門檻區(qū)域結(jié)構(gòu)解析

某轎車的B柱及門檻梁結(jié)構(gòu)如圖1所示。B柱由4層沖壓件焊接而成。在實(shí)際的C-NCAP碰撞試驗(yàn)中，B柱下部變形十分嚴(yán)重，門檻梁部位也發(fā)生較為嚴(yán)重的變形，侵入量很大，駕駛員假人的腹部與臀部扣分嚴(yán)重。

3 CAE仿真建模與試驗(yàn)對標(biāo)

3.1 優(yōu)化目標(biāo)

側(cè)面碰撞試驗(yàn)實(shí)車如圖2所示。要優(yōu)化車身側(cè)面的碰撞性能，不能完全依靠試驗(yàn)的方法，主要手段還需要借助 CAE分析來計(jì)算優(yōu)化方案是否達(dá)到優(yōu)化目標(biāo)。通過競品分析的試驗(yàn)手段，對市場上側(cè)面碰撞安全性能較高的五星級乘用車進(jìn)行試驗(yàn)取得數(shù)據(jù)發(fā)現(xiàn)，這一類車型在側(cè)面碰撞試驗(yàn)時(shí)，B柱侵入速度一般在7 m/s以下，而座椅中心點(diǎn)距離碰撞后的B柱最小距離通常在125 mm以上。因此將優(yōu)化目標(biāo)定為：B柱侵入速度不高于7 m/s，座椅中心線在側(cè)面碰撞后距離B柱不低于125 mm。

3.2 有限元模型與試驗(yàn)對標(biāo)

對車身建立有限元模型，進(jìn)行C-NCAP側(cè)面碰撞試驗(yàn)要求的CAE仿真分析，并輸出B柱加速度曲線進(jìn)行對標(biāo)。通過不斷調(diào)整有限元模型網(wǎng)格精度，利用合理的有限元單元模擬車身焊點(diǎn)，保證有限元模型可以反映物理車的實(shí)際碰撞結(jié)果，并具有預(yù)測性。圖3是試驗(yàn)對標(biāo)結(jié)果,試驗(yàn)與仿真結(jié)果的曲線對標(biāo)吻合度較好，所采用的仿真模型可以較好地表征物理樣車，仿真分析結(jié)果具有可信性及預(yù)測性。因此，現(xiàn)有的仿真模型可以作為后續(xù)優(yōu)化分析的基礎(chǔ)模型。

3.3 CAE分析結(jié)果

在B柱與門檻梁分別設(shè)定9個(gè)測量點(diǎn)，測量點(diǎn)侵入量如圖4所示。圖5是仿真分析B柱采集點(diǎn)的侵入速度和座椅中心至B柱的最小距離。B柱的最大侵入速度已經(jīng)高出優(yōu)化目標(biāo)值，達(dá)到8.2 m/s。而座椅中心距離B柱的最小距離僅104 mm，也超出了設(shè)定的優(yōu)化目標(biāo)值。必須通過對B柱及門檻梁區(qū)域的結(jié)構(gòu)進(jìn)行一定的加強(qiáng)優(yōu)化，來實(shí)現(xiàn)優(yōu)化目標(biāo)的達(dá)成。通過正交試驗(yàn)的方法來確定如何對 B柱和門檻區(qū)域進(jìn)行優(yōu)化。

4 正交試驗(yàn)法的結(jié)構(gòu)優(yōu)化

4.1 正交實(shí)驗(yàn)法

分析車身側(cè)面結(jié)構(gòu)中最可能影響側(cè)碰性能的7個(gè)零件，見圖6、表 1。具體做法是改變這些零件的強(qiáng)度，采用正交試驗(yàn)法，形成8種方案，考核各零件對B柱侵入量及侵入速度2個(gè)指標(biāo)的影響。

在這個(gè)優(yōu)化事件中，優(yōu)化對象為圖 6中的 7個(gè)零件，變量為零件的2個(gè)強(qiáng)度等級，7個(gè)零件構(gòu)成樣本空間，每個(gè)零件為影響事件的一個(gè)因素，每個(gè)因素設(shè)定兩個(gè)水平，這就構(gòu)成了一個(gè)7因素2水平的優(yōu)化問題。采用正交試驗(yàn)法進(jìn)行仿真，構(gòu)建正交表如表2。A～G代表影響側(cè)面碰撞性能的7個(gè)因素，L、H代表兩個(gè)強(qiáng)度水平，L為低強(qiáng)度水平，H為高強(qiáng)度等級，進(jìn)行8次試驗(yàn)仿真計(jì)算。

表2 8種試驗(yàn)方案正交表

經(jīng)過對 8種組合方案仿真結(jié)果的數(shù)據(jù)處理，得到了以上7個(gè)零件對B柱侵入量、侵入速度以及門檻梁侵入量的極差圖，極差說明了各零件對評價(jià)指標(biāo)的影響力，即極差數(shù)值越大，說明該零件對該指標(biāo)的影響越大；反之，越小。

由正交試驗(yàn)可知，因素B即門檻梁外板的強(qiáng)度對B柱侵入量、侵入速度的影響最大，其次為座椅前橫梁及B柱外板，極差圖如圖7所示。通過正交實(shí)驗(yàn)法，利用仿真手段，對車身側(cè)面碰撞性能指標(biāo)影響較大的因素可以很快找到，可以有針對性的對評價(jià)指標(biāo)影響較大的部件或者該區(qū)域的結(jié)構(gòu)進(jìn)行優(yōu)化加強(qiáng)，以達(dá)到優(yōu)化目標(biāo)。

4.2 結(jié)構(gòu)優(yōu)化

通過正交試驗(yàn)法可以找出需要優(yōu)化的區(qū)域，主要是側(cè)圍外板，門檻梁，座椅前橫梁，但具體的優(yōu)化方案則要結(jié)合實(shí)車情況進(jìn)行設(shè)計(jì)。采用增加加強(qiáng)件及改變原零件的結(jié)構(gòu)等方式是首先考慮的方法，這樣做可以不影響已投產(chǎn)的大件模具，而僅需要較小的模具費(fèi)用投入，實(shí)現(xiàn)新的結(jié)構(gòu)方案，也不會(huì)影響量產(chǎn)設(shè)備，風(fēng)險(xiǎn)和投入都降到最低，也有利于工業(yè)上新零件的切換。

圖8是B柱的優(yōu)化方案斷面，圖9是優(yōu)化模型，采取在B柱下部增加加強(qiáng)件的方式實(shí)現(xiàn)優(yōu)化。圖10是門檻區(qū)域以及座椅前/后橫梁的優(yōu)化斷面示意。

4.3 CAE驗(yàn)證

優(yōu)化后的B柱測量點(diǎn)的侵入量和侵入速度如圖11、圖12所示。經(jīng)過優(yōu)化后，B柱侵入量明顯小于原方案，達(dá)到了降低B柱侵入量的效果。侵入速度的降低可以減少車身變形對人體的沖擊力，優(yōu)化目標(biāo)為低于7 m/s，從仿真結(jié)果顯示，優(yōu)化目標(biāo)已經(jīng)達(dá)到。側(cè)面碰撞后的生存空間如圖13所示，側(cè)碰后的殘留生存空間為158 mm以上，超過優(yōu)化目標(biāo)120 mm。

4 結(jié)束語

通過某車型側(cè)面碰撞性能的優(yōu)化提升過程，介紹了采用正交試驗(yàn)的方法來對車身側(cè)面碰撞性能提升的優(yōu)化設(shè)計(jì)的一般過程，提出車身側(cè)面碰撞性能的一般考核指標(biāo)和合理的優(yōu)化目標(biāo)，也介紹了影響車身側(cè)面碰撞性能的零件因素以及水平因素。實(shí)踐證明，利用該方法可以高效地提升車身的側(cè)面碰撞性能。

此外，提升車身側(cè)面的碰撞性能的關(guān)鍵因素是：（1）關(guān)鍵指標(biāo)的目標(biāo)確定要借助數(shù)據(jù)積累的手段獲得；（2）仿真模型要能反映實(shí)際的物理試驗(yàn)；（3）正交試驗(yàn)的因素及水平因素的確定需要較豐富的工程經(jīng)驗(yàn)。

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