某車型側面碰撞性能優化

楊萬慶 王玉超

（廣州汽車集團股份有限公司汽車工程研究院）

由于我國城市道路交通路口多以平面交叉為主，側面碰撞事故發生概率較高[1]，因此，側面碰撞安全性能已經成為汽車被動安全研究的主要內容之一[2-5]，并列入國家標準[6]。在側面碰撞中，乘員的胸部、腹部及髖部正對著車門區域，因此車門板侵入是乘員受到傷害的主要原因。通過優化B柱、門檻梁和車門防撞桿，能夠有效地控制車門板侵入量，保證乘員的生存空間。為了更有效地保護乘員的胸腹部，通常在車門與乘員軀干之間設計一個可吸收能量的側氣囊[7]。統計歷年C-NCAP側面假人損傷，失分最多的為肋骨壓縮量[8]。文章以假人的肋骨壓縮量為優化目標，在仿真環境中，對汽車的側面車身結構及氣囊泄氣孔進行了優化，通過C-NCAP實車試驗驗證，側面碰撞得到了滿分。

1 整車有限元仿真模型

1.1 整車結構有限元模型

整車結構共有138萬個殼單元，39.5萬個實體單元，采用BEAM單元模擬焊點；動力總成懸置采用實體單元模擬，賦予橡膠材料；各底盤零件按照實際連接方式，采用相對應的鉸連接，比如轉向拉桿、下控制臂與轉向節采用球鉸連接，減振器的活塞桿與工作缸筒采用圓柱鉸連接，車輪與驅動軸采用旋轉鉸連接等；車門飾板和B柱飾板采用殼單元離散，賦予*MAT_PLASTICITY_POLYMER材料屬性。裝配完成的整車結構有限元模型，如圖1所示。

1.2 假人

采用FTSS公司的ES2側碰有限元假人，如圖2所示。它裝備有：頭部加速度計、骨盆加速度計、上中下肋骨變形量及加速度計、背板力計及恥骨結合力計等。通過臺車試驗和擺錘試驗與試驗假人進行對標[9]，具有良好的仿真精度。

1.3 可變形移動側面壁障

采用的可變形移動側面壁障有限元模型由車體及前部蜂窩鋁組成，共有8.5萬個殼單元、2.5萬個實體單元和1個加速度計單元。通過偏置柱碰試驗和剛性墻碰撞試驗完成對標，具有良好的仿真精度[10]。圖3示出可變形移動側面壁障有限元模型。

1.4 氣囊氣簾安全帶

氣囊和氣簾在展開過程中，最容易出現程序崩潰，總結多輪仿真經驗，注意以下2點可有效降低程序崩潰的概率。

1）氣囊和氣簾采用*AIRBAG_WANG_NEFSKE模擬，它具有氣體溫度、氣體質量流及排氣孔面積等輸入項，能夠較好地反映氣囊和氣簾的試驗性能。*AIRBAG_WANG_NEFSKE必須配以*AIRBAG_REFERENCE_GEOMETRY，才能正常模擬氣囊和氣簾展開過程。

2）氣囊和氣簾自身接觸的摩擦因數設置為0；氣囊與氣囊盒接觸的摩擦因數設置為0。

安全帶采用一維和二維單元混合建模，其中與假人接觸的部分采用二維單元，不接觸的部分采用一維單元。一維單元模型采用*MAT_SEATBELT關鍵字模擬，二維單元模型采用*MAT_ELASTIC或*MAT_FABRIC模擬。卷收器采用*ELEMENT_SEATBELT_RETRACTOR模擬。預緊器采用*ELEMENT_SEATBELT_PRETENSIONER模擬。

完成后的整車側碰有限元模型，如圖4所示。

2 側面碰撞性能優化

2.1 結構優化

與正面碰撞不同，側面碰撞幾乎沒有緩沖空間，因此，必須通過優化碰撞區域側面結構，合理地控制側面侵入量，以保證假人的生存空間。

圖5示出假人肋骨的壓縮量，從圖5中看出，上中下肋骨的壓縮量均超過了C-NCAP規定的高性能值（22 mm，如圖5中橫線所示）[11]，其中下肋骨的壓縮量最大達到33 mm，換算成胸部得分為1.8分。

把假人上中下肋骨、腹部和髖部分別向車門上投影，得到D1～D5各點，如圖6所示；選取B柱中下部各關鍵點B1～B4（一般選擇側碰傳感器位置），如圖7所示。車門和B柱各關鍵點侵入量，如圖8和圖9所示，從圖8和圖9中看出，車門和B柱各關鍵點的最大侵入量均超過了目標值（120 mm，如圖8和圖9中橫線所示），這是造成假人胸部失分的主要原因。

圖10示出B柱和門檻梁變形圖，從圖10中看出，B柱上部的變形較小，而中下部變形較大，B柱幾乎成了一個“1”字，因此需要在此部位加強。門檻梁底部變形很大，甚至翻轉到上部，這主要由于門檻梁中沒有加強板，阻礙了碰撞力的傳遞。圖11示出車門防撞桿變形圖，其最大侵入量為240 mm，通過分析發現，防撞桿的材料為DP800，抗拉極限為800 MPa，材料強度較弱。

針對上述問題，分別在座椅前橫梁、后橫梁和前地板與中地板接合處相應的位置增加加強板Ⅰ，Ⅱ，Ⅲ，如圖12所示，當側碰發生時，碰撞力能夠通過加強板與相應的橫梁快速地傳遞到另一側。增加的B柱加強板，如圖13所示，主要目的是減小B柱中上部的侵入量。車門防撞桿的材料由DP800更改為熱成型鋼，其屈服極限達1 200 MPa。

圖14示出優化后的B柱和門檻梁變形圖，與圖10相比，B柱的中上部侵入量較小，門檻梁的變形較小。圖15和圖16示出優化后的車門和B柱各關鍵點的侵入量。從圖15和圖16中看出，各關鍵點的最大侵入量都小于目標值（120 mm）。因此，優化后的車身側面結構能夠較好地保證假人的生存空間。

2.2 側氣囊優化

此車型的側氣囊為胸臀一體式，容積為12 L，點火時刻為8 ms，考慮到與其他車型的通用性，只以氣囊的泄氣孔為優化變量。氣囊泄氣孔的原始尺寸為800mm2，圖17示出假人肋骨壓縮量。從圖17中看出，當氣囊泄氣孔為800 mm2時，假人上中下肋骨壓縮量均超過了高性能值（22 mm，如圖17b和圖17c中橫線所示），證明氣囊較剛硬，必須擴大泄氣孔。表1示出側面碰撞性能結果比較，從表1中看出，當泄氣孔增大到1 000 mm2時，中下肋骨的壓縮量仍超過高性能值；當泄氣孔增大到1 200 mm2時，假人肋骨最大壓縮量為22 mm，換算成假人胸部得分為滿分4分，達到了優化目的。

表1 側面碰撞性能結果比較

當側氣囊各參數設計完成后，按C-NCAP規則，進行了實車側面碰撞試驗。從表1看出，試驗中的假人最大肋骨壓縮量為19.4 mm，得到了滿分（4分）。

從圖17及表1中可以看出，仿真與試驗的曲線趨勢相同，峰值的最大誤差僅有14.7%（中肋骨壓縮量），說明仿真結果可信度較高，在產品設計階段，能夠優化產品結構，指導數模設計。

圖18示出側碰60 ms時，假人姿態及氣簾、氣囊展開示意圖。圖19示出實車試驗后，B柱及門檻梁變形圖，與仿真圖14預測的變形結果較一致。圖20示出仿真與試驗側面變形區域對比，從圖20中看出，碰撞區域1～3的車門褶皺變形吻合度較高，頂蓋邊梁與B柱接頭處（區域4）出現較明顯的折痕。

3 結論

利用仿真技術，以乘員損傷為優化目標，在產品開發階段，通過改進產品結構及優化側氣囊的泄氣孔，降低了假人肋骨壓縮量和腹部合力。分析計算及試驗驗證表明：1）在側面碰撞中，必須合理地設計B柱和門檻梁結構、車門防撞桿，降低車門侵入量。2）側氣囊的泄氣孔越大，氣囊剛度越小，有利于降低乘員損傷。但需要注意，增大泄氣孔的同時，要防止側氣囊被擊穿，造成假人直接與車門接觸。3）仿真的精度達85%以上，在產品設計階段，能夠有效地對產品結構進行優化，提高工作效率，減小試驗樣車數量。