某乘用車側面碰撞性能分析及結構優化

龐 通，鄧國紅，楊鄂川，韋永平，張 勇

(重慶理工大學 重慶汽車學院，重慶 400054)

在汽車各類碰撞事故中，發生概率最大的是正面碰撞，其次為側面碰撞。汽車側面碰撞事故導致的乘員重傷和死亡率高達25%，是造成乘員傷亡的主要事故類型，而其中43% ～55%是由車對車碰撞事故造成的［1］。相對正面碰撞，側面碰撞中車輛的可變性吸能空間小，且乘員與車門內板之間距離較小，一旦發生側面碰撞，乘員將受到強烈貫入的沖擊載荷作用，人體損傷涉及到頭部、胸部、腹部、骨盆以及上下肢，其中頭部和胸部損傷幾率高達33%，腹部或骨盆為16%［2］。隨著人們對汽車被動安全的重視程度的提高和相關汽車碰撞試驗法規的愈發嚴格，側面碰撞的研究也越來越受到關注。

我國側面碰撞法規于2006年7月開始實施，側面碰撞的研究主要集中在車對車的碰撞(撞擊物為移動變形壁障)，即側面移動壁障碰撞方面。采用移動壁障側面碰撞可以檢測車輛發生側面碰撞時車身結構的完整性及車內相關約束系統的匹配情況。對于中低檔車型，合理的側面約束系統匹配成本較高，所以側碰中就車身而言，車輛側面結構剛度及強度越高，越有利于保護車內乘員。

本文利用有限元軟件LS-DYNA對某轎車進行側面移動壁障碰撞仿真，研究碰撞中車身結構的響應，分析其主要吸能部件的吸能特性，針對B柱、門檻，車門防撞梁等主要承力部件進行結構優化與改進，從而使該車側面耐撞性能得到了提升。

1 有限元模型的建立

有限元模型嚴格按照建模標準建立，所有薄板沖壓成型件均采用四邊形和三角形殼單元模擬，目標尺寸為 8 mm，整車模型共有殼單元1181979個，其中四邊形單元共有1128340個。在所有殼單元中，三角形單元占4.5%，小于5%，說明網格劃分合理，滿足仿真精度要求。焊點對碰撞性能有較大影響。因為梁單元及實體單元均有較高的模擬精度［3］，本文采用梁單元 BEAM(MAT100號材料)模擬鈑金件之間的焊點。螺栓孔的連接采用RIGID單元模擬。材料和部件之間的連接均參照實際情況建模。

側碰中的臺車有限元模型需要能真實反映實際壁障在碰撞中的力學相應情況才能保證仿真計算的準確性。本文所用的臺車模型由企業提供，臺車已通過驗證，吸能塊力學特性及吸能特性滿足國家法規，臺車及可變性壁障質量為961 kg。

根據GB20071—2006側面碰撞法規規定，移動變形壁障以49～51 km/h的速度撞擊駕駛室一面，以模擬側面撞擊的效果。在本次仿真工況中，移動壁障速度設為50 km/h，同時對模型施加豎直向下(沿Z軸的負方向)的重力加速度，移動變形壁障的縱向中垂面與試驗車輛上通過碰撞側前排座椅“R”點的橫斷垂面之間的距離應在±25 mm內。側面移動壁障碰撞模型如圖1所示。

圖1 側面移動壁障碰撞模型

2 仿真結果分析

2.1 仿真可信度分析

碰撞過程中總體能量的變化情況是評價建模是否正確的重要指標。圖2為側面碰撞整車能量的變化曲線，能量曲線表征碰撞過程中動能向內能轉化的過程，總能量基本保持不變，車的內能與動能曲線相互轉化，動能逐漸減小，內能逐漸增加，在40 ms基本達到穩定，碰撞基本結束。

圖2 側面碰撞能量變化

能量變化過程中還有一個重要的評價指標是沙漏能和總能量的比值。沙漏能的產生主要是由計算過程中單元的不同積分形式而引起的，這個比值在2%以內。由此進一步表明了建立的仿真模型是可靠和有效的。

2.2 變形分析

圖3為整車在0～80 ms各時刻的變形情況。從圖3可以看出:前、后車門外板凹陷，門檻梁發生內翻，B柱與側圍連接處發生彎折內凹變形。

圖3 整車各時刻變形

圖4為碰撞結束時整車主要承力部件變形圖。由圖4可見:頂蓋橫梁未發生明顯變形，前車門防撞梁發生彎曲變形并撞擊車門內板，造成內板侵入量的增加;后門防撞梁變形較小，后車門外板加強板內凹彎曲。圖5為碰撞結束時地板及中央通道變形情況。由于后地板沒有橫梁支撐，碰撞后，左側地板后部出現隆起的褶皺變形，中央通道及地板橫梁沒有出現明顯變形。

圖4 整車主要承力部件的變形

圖5 地板及中央通道變形

2.3 側圍及B柱侵入速度、侵入量分析

碰撞側B柱是重要的承力部件，侵入速度及侵入量直接影響乘員生存空間。圖6為B柱加速度計測量點位置示意圖。

圖6 B柱加速度計測量點位置

圖7為側碰中側圍及B柱變形圖。理想的B柱變形為“S”形，即B柱變形主要集中在下端。從圖7可看出:門檻梁及B柱下端出現壓潰變形，B柱上部出現局部彎折，整體變形呈現出較好的“S”形。

圖7 側圍及B柱變形

圖8為側碰中側圍及B柱Y向變形的位移云圖。從圖8看出:門檻梁及B柱下端變形位移最大，最大動態侵入量為130.0 mm。

圖8 側圍及B柱Y向變形位移

2.4 車門內板侵入速度及侵入量分析

圖9為側碰中車門內板在Y向動態變形量最大時的位移云圖，侵入量較大的部位主要集中在和變形壁障接觸的車門底部區域，最大動態變形量為133.0 mm，發生在車門內板的底部。

圖9 車門內板變形位移云圖

為了檢測車門內板侵入速度可能對乘員造成的傷害，在車門內板安裝加速度計，如圖10所示。編號R1～R17為加速度計安置點。

圖10 車門加速度計安置位置分布

3 結構優化

側面碰撞中，乘員的傷害主要來自車門內板及B柱的侵入。側面碰撞時，車體變形吸能空間較小，側碰安全性能的提高需要使側門、B柱、頂棚橫梁、地板結構、門框等吸能部件在側碰時的變形更小，同時吸收更多的碰撞能量。在側面碰撞中，B柱和門檻是側碰中兩條最主要的傳力路徑。其中B柱為垂向傳力路徑，向上傳遞至車頂縱梁，然后通過頂棚橫梁橫向傳遞給右側車身。門檻為縱向傳力路徑，通過門檻，碰撞力向前會傳遞到A柱，向后能傳遞給C柱。同時，地板橫梁將橫向的碰撞力向右側傳遞，進而讓右側更多的部件承受碰撞力。在碰撞時，車門、B柱、門檻應盡早使更多部件參與碰撞吸能，這樣才能減少自身變形，進而減小乘員艙的侵入量。

從側碰分析結果可以看出:門檻梁凹陷變形明顯，B柱根部Y向侵入量較大，很有可能是內部加強板剛度不夠，不足以阻止門檻梁及B柱的變形。這些部位的加強板，門檻梁內部加強板與B柱下部加強板變形如圖11所示。

圖11 門檻梁內部加強板變形情況

從圖11可以看出，門檻梁加強板剛度嚴重不足。同時，因為該加強板與內門檻梁之間有較大間隙，不能將Y向的碰撞力通過地板橫梁傳遞給車身右側，因此將門檻梁內加強件進行結構改進，將部件沿Y方向拉長，通過該加強件將門檻梁內板與外部連接起來。當門檻梁外板受到撞擊時，可以及時將碰撞力傳遞給門檻梁內板，然后通過門檻梁內板繼續將Y方向碰撞力由地板橫梁傳遞給中央通道及車身右側，使更多部件參與承力。同時，將其厚度從1.0 mm增加至2 mm，材料由B280更換為HC400。另外，B柱下加強板出現彎折，B柱與門檻梁連接處承受了較大的碰撞力，而該部位的剛度不足，造成B柱根部變形較大和碰撞中B柱侵入量較大，限制了B柱的吸能。為增加B柱根部剛度，將B柱下加強板材料由B280換為強度更大的材料HC400。B柱及門檻內加強件的優化見圖12。

在仿真結果分析中，發現后門防撞梁沒有出現明顯的內凹彎曲變形，而前門防撞梁內凹變形明顯，且前門防撞梁彎曲擠壓車門內板(如圖13所示)，造成車門內板侵入量增加，不利于保護乘員艙空間。因此，將前車門防撞梁厚度由1.5 mm修改為與后門防撞梁一樣的厚度，即3 mm。優化結果如圖14所示。

圖12 B柱及門檻內加強件的優化

圖13 前門防撞梁的變形

圖14 前車門防撞梁的優化結果

4 優化結果分析

4.1 臺車加速度曲線對比分析

圖15為優化前后臺車加速度曲線。優化后的加速度在35 ms達到峰值，峰值加速度為－22.6 g。優化前峰值加速度為22.4 g，優化后的模型在側面碰撞中，加速度峰值增加，峰值持續時間較優化前增加，在41 ms后又迅速減小，說明優化后的車輛模型側面剛度增加，碰撞持續時間減少。

圖15 臺車加速度曲線對比

4.2 變形對比分析

圖16為碰撞結束后，未優化與優化后的整車變形情況，左前門侵入量減小，車身其他部位變形沒有太大的差別。圖17為優化前后主要承力部件變形對比。從圖17可以看出:前門防撞梁經加強后，雖然發生彎曲變形，但沒有擠壓到車門內板，有利于保護乘員艙空間。

圖16 優化前后整車變形對比

圖17 優化前后主要承力部件變形對比

4.3 側圍及B柱侵入速度、侵入量對比分析

表1為優化前后的B柱侵入速度對比。優化之后，從安裝在B柱上的加速度計得到的最大侵入速度為 7.4 m/s，比優化前減小0.5 m/s，其他測量點的侵入速度也均有下降，平均下降0.4 m/s。

表1 優化前后B柱侵入速度對比

圖18為側圍及B柱Y向位移云圖。從圖18可以看出:最大侵入量同樣發生在前門門檻梁處，最大侵入量為85.4 mm，相比優化前的130.0 mm的侵入量有較大改善。

圖18 側圍及B柱Y向位移云圖

4.4 車門內板侵入速度及侵入量對比分析

圖19為車門內板Y向變形位移云圖。從圖19可以看出:最大侵入量為96.5 mm，發生在車門內板邊框，該處出現壓潰變形。相比優化前的最大侵入量133 mm，最大侵入量明顯降低，其他區域侵入量也明顯下降，優化效果明顯。

圖19 車門內板優化后Y向位移云圖

表2為由車門加速度計得到的車門內板最大侵入速度統計。從表2可以看出:優化后車門內板最大侵入速度為7.9 m/s，比優化前降低了0.4 m/s，其他測量點侵入速度也都有約0.4 m/s的減少。

表2 優化前后車門內板最大侵入速度對比

5 結束語

在Hypermesh中建立了整車有限元模型。通過仿真計算，得到該車側面移動壁障碰撞安全響應。對側面碰撞仿真結果進行了詳細分析，從側圍及B柱侵入量和侵入速度、車門內板侵入量和侵入速度、整車及主要承力部件變形吸能形式研究了該車側面碰撞安全性。針對主要承力部件的變形吸能形式中剛度及強度不足的部件進行了結構改進，通過仿真分析，將優化后的結果與優化前進行了對比。對比發現，優化后的模型側碰中，側圍、B柱及車門侵入量均有明顯減小，有效降低了側碰中乘員艙的侵入量，提高了該車的側面碰撞安全性。通過結構優化，該車的側面碰撞性能得到有效提升，達到了優化設計的目的。

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