基于試驗設計的汽車側面碰撞結構改進*

馬春生,張金換,黃世霖

(清華大學，汽車安全與節能國家重點實驗室，北京 100084)

前言

汽車側面碰撞是發生頻繁、致死率和致傷率都較高的交通事故形式，事故統計數據表明，世界上大約30%的嚴重交通事故都與側面碰撞有關[1]。為加強側面碰撞發生時對乘員的保護，各國相繼制定了側面碰撞法規和高于法規要求的新車評價程序(NCAP)，我國于2006年開始實施GB 20071—2006《汽車側面碰撞的乘員保護》法規[2]，同年中國汽車技術研究中心推出了國內的新車評價程序C-NCAP，側撞乘員保護性能是其主要評價項目之一[3]。

為提高側面碰撞中對乘員的保護水平，可以從側面結構和約束兩方面進行研究。近年來，國內外已有多位研究者基于仿真分析進行了汽車側面碰撞結構的改進設計，取得了較好的實際應用效果[4-6]。正交試驗設計是研究多因素多水平問題的主要設計方法，根據正交性從全面試驗中挑選出部分有代表性的點進行試驗，是一種高效、快速、經濟的試驗設計方法[7]。側面碰撞的結構安全性設計涉及的結構因素較多，試驗設計很適合使用。

1 模型建立與驗證

整車側面仿真模型采用PAM-CRASH軟件建立，整車結構模型由某汽車公司提供。側撞移動可變形障礙壁和側撞ES-II假人使用PAM-CRASH提供的模型，模型經過零部件和整體級別的標定和驗證[8-9]。模型總單元數約為117萬，對于模型的調整和假人傷害指標的計算對標在文獻中已經有詳細說明[10]，此處不再贅述，僅就結構變形進行仿真計算和試驗結果的比較。

仿真計算得到的車輛側面變形和試驗過程的比較如表1所示。

從表1可以看出，仿真計算中車輛變形情況和試驗結果基本一致。仿真計算得到的移動可變形障礙壁(MDB)質心、B柱中部、車門中部在側撞過程中的速度變化曲線和試驗結果的對比如圖1～圖3所示，試驗中速度變化曲線通過加速度積分計算得到。

從圖1～圖3可以看出，仿真模型計算結果和試驗測試結果吻合良好，所建立的側面碰撞仿真模型正確有效，可以用于側面碰撞結構的改進設計。

2 原車結構碰撞性能分析

從碰撞試驗和仿真分析可以看出，該轎車側面結構各部分剛度匹配基本合理，但部分傳遞路徑存在缺陷，主要有以下幾點。

(1) B柱中間部位變形過大 車門B柱變形中間部位沒有出現明顯的彎曲，但向內的變形依然過大，這對假人胸部保護效果有不利影響。

(2) 車頂橫梁和B柱連接部位變形較大 車頂橫梁是側面碰撞能量傳遞的主要路徑之一，目前碰撞過程中車頂橫梁在與B柱連接部位出現明顯的彎曲變形。

(3) 車輛門檻部位變形較早較大 在側撞過程中，車輛門檻部位強度偏弱，較早出現了較大變形，未能有效吸收和傳遞碰撞能量。

3 正交試驗設計和參數優化

為提高側面碰撞性能，在結構改進方面主要從消除傳力路徑缺陷和整體剛度匹配入手，具體技術路線是先根據結構改進設計方面的工程經驗和實際的加工工藝可能性，針對相關的不足提出可能的改進措施，然后通過正交試驗設計分析改進措施的影響程度，進一步對影響較大的因子進行全因子試驗設計，最后確定最優化的改進方案。

3.1 正交試驗設計

為下一步的試驗設計，將可能的改進措施作為7個因子，依次為A、B、C、D、E、F、G，每個因子兩個水平——水平0和水平1，具體如下。

(1) 因子A(車頂橫梁加強件)

針對車頂載荷傳遞路徑，考慮增加車頂橫梁加強件，實現橫梁和B柱結構有效連接，如圖4所示。

因子A的兩個水平為：水平0，無車輛橫梁加強件；水平1，增加車輛橫梁加強件。

(2) 因子B(B柱外板)

因子B的兩個水平為：水平0，厚度1.5mm(原厚度)；水平1，厚度增加至2.0mm。

(3) 因子C(B柱內板)

因子C的兩個水平為：水平0，厚度1.5mm(原厚度)，材料為B460NQ；水平1，厚度增加至2.5mm，材料為B500。

(4) 因子D(門檻內小橫梁)

原來門檻內小橫梁在側撞時總體的側向剛度偏小，考慮換為剛度較大的結構形式。

因子D的兩個水平為：水平0，小橫梁原有結構；水平1，小橫梁新結構。

(5) 因子E(地板橫梁加強件)

原來的地板橫梁加強件未完全延伸到臨近部件，考慮將原來的地板橫梁內加強件延長至與相鄰部件相接(圖5中圓圈位置)。

因子E的兩個水平為：水平0，原有的地板橫梁加強件；水平1，將原來的地板橫梁加強件延伸至臨近部件。

(6) 因子F(地板橫梁內側加強件)

因子F的兩個水平為：水平0，無地板橫梁內側加強件；水平1，增加地板橫梁內側加強件。

(7) 因子G(中通道馬鞍型橫梁)

因子G的兩個水平為：水平0，無中通道馬鞍型橫梁；水平1，增加中通道馬鞍型橫梁。

為全面分析各結構因素的改進效果，進行正交試驗設計分析，構造7因子2水平的試驗設計表，共需要進行8次試驗。

按照正交試驗設計表的因子水平分布建立相應的CAE模型提交計算分析，提取相應的假人胸部傷害指標并計算NCAP得分做為響應量，然后應用統計分析軟件分析各因子的主效應，如圖6所示。

從各結構因子的主效應看，因子A、B、D、E和G的主效應都為正值，即對假人傷害值有改善，其中因子D和因子E改善最為顯著。因子C和因子F的主效應為負值，其中因子F的負效應較為顯著。

為確定因子C和因子F的取值，進一步分析兩個因子的交互效應，如圖7所示，效應值實際為負值，圖中坐標顯示為效應值的絕對值。

從圖7中可以看出，在因子C水平為0、因子F水平為0時，兩因子主效應和交互效應絕對值相加最小(即負值的絕對值最小，對假人傷害的負作用最小)。最后確定的結構組合為因子C和F取0水平，其它各因子取1水平。

3.2 全因子試驗設計

根據正交試驗設計分析結果，因子D(門檻內小橫梁)和因子E(地板橫梁加強件)對假人傷害NCAP分值影響最大，進一步對這兩個結構的參數進行優化設計。采用全因子試驗方法，選擇門檻內小橫梁(因子1)和地板橫梁加強件(因子2)的厚度為因子，3個水平分別設定為1.5、2.25和3.0mm。計算結果如圖8所示。

從圖8可以看出，在門檻內小橫梁厚度為3.0mm、地板橫梁加強件厚度為2.25mm時，得分最高。

4 改進設計結果

根據確定的結構優化方案，仿真計算得到的車門內板對應假人胸部位置的速度曲線見圖9，優化后速度值明顯降低，最大速度由原來的11.4m/s降低到10.0m/s左右，降低1.4m/s。

結構優化前后假人傷害指標如表2所示。

表2 假人傷害指標比較

優化后假人在側面碰撞基于C-NCAP評價方法的得分由原來的12分增加為13.2分，側面乘員保護效果得到明顯提高。

5 結論

基于某轎車側面碰撞仿真計算模型，采用試驗設計方法對結構參數進行優化設計，優化設計后車門內板對應假人胸部位置速度值明顯下降，假人傷害指標得到明顯改善，基于C-NCAP的假人胸部得分由12分增加為13.2分。

[1] McNell A, Haberi J. Current Worldwide Side Impact Activities-divergence Versus Harmonization and the Possible Effect on Future Car Design[C]. Proc 19th Int Technical Conf. on the Enhanced Safety of Vehicles (ESV), Washington D C,2005.

[2] 董光.某車型側面碰撞安全性結構改進設計[D].北京:清華大學,2007.

[3] 中國汽車技術研究中心.中國新車評價規程(C-NCAP)[S].2009.

[4] Wu Chien-Hsun, Liang Ching-Pei, Lee Jaw-Haw. Optimization of Side Impact Bar for Crashworthiness[C]. SAE Paper 2006-01-0245.

[5] 王祥.汽車側面碰撞安全性設計與優化[D].長沙:湖南大學,2009.

[6] 唐洪斌.某轎車側面碰撞車體結構性能研究[D].長春:吉林大學,2006.

[7] 劉文卿.試驗設計[M].北京:清華大學出版社,2005.

[8] ESI Group. PAM-CRASHSAFE-2007_Solver Notes Manual[G].2007.

[9] ESI Group. PAM-CRASHSAFE-2007_Solver Reference Manual[G].2007.

[10] 馬春生,胡經耀,張金換,等.基于仿真分析的汽車側面安全氣囊參數優化設計[J].汽車安全與節能學報,2010,1(3):195-199.