基于25%小偏置正面碰撞的某乘用車前端結構改進設計

李林峰　劉衛國　張君媛　張　樂　周　浩

1.吉林大學汽車仿真與控制國家重點實驗室,長春,130000 2.浙江吉利汽車研究院有限公司,杭州,311228

基于25%小偏置正面碰撞的某乘用車前端結構改進設計

李林峰1劉衛國2張君媛1張樂1周浩1

1.吉林大學汽車仿真與控制國家重點實驗室,長春,130000 2.浙江吉利汽車研究院有限公司,杭州,311228

對比分析25%小偏置正面碰撞車體結構變形與正面全寬和40%偏置碰撞車體結構變形異同點。針對小偏置碰撞車體結構變形特點提出車體前端結構優化措施，優化措施包括結構改進與材料加強兩個方面。對優化后的整車模型進行25%小偏置碰撞虛擬實驗,結果表明車體結構優化效果顯著，乘員艙侵入量明顯減小。進行了正面全寬和40%偏置碰撞工況下的減速度波形驗證,證明改進整車模型剛度配置合理，不會影響乘員約束系統的匹配。

汽車安全性;25%小偏置正面碰撞;車體結構評價;結構改進

0　引言

正面碰撞作為車輛事故中的多發類型,造成的人員傷亡與經濟損失不容忽視。據統計，在美國,所有汽車死亡事故中正面碰撞占了約22%,而在英國，約為27%[1]。因此，各國的安全性法規及評價規程紛紛將正面碰撞作為測試項目納入各自的評價體系，測試工況多為正面全寬碰撞與40%偏置碰撞。但在實際生活中還有一類特殊的正面碰撞即小偏置正面碰撞也時有發生,小偏置正面碰撞一般指車輛與剛性壁障重疊率小于30%的正面碰撞。據統計,在正面碰撞死亡事故中，小偏置正面碰撞大約占1/4[2],但在各國安全性法規及評價規程中并沒有將小偏置正面碰撞作為測試工況考慮在內。美國公路安全保險協會(insurance institute for highway safety,IIHS)2012年提出了重疊率為25%的小偏置正面碰撞試驗，在同年8月份公布的首批25%小偏置正面碰撞試驗測試結果中僅有2款車獲得了Good評級，測試結果并不理想[3]，而截止2014年IIHS公布的39款車25%小偏置正面碰撞測試結果中雖然已有12款車獲得了Good評級,但仍有18款車只能獲得Marginal或Poor評級。分析測試結果發現，25%小偏置正面碰撞試驗測試中車體結構方面失分現象較為嚴重，具體表現為測量點侵入量過大，乘員艙變形嚴重，并且很有可能導致嚴重的乘員腿部、腳部傷害[4]。25%小偏置正面碰撞試驗的出現在對車輛正面抗撞性能提出更高要求的同時，也為汽車制造商在提高車輛安全性能方面帶來了新的挑戰與任務。

本文通過對比幾種典型正面碰撞工況下的車體結構變形情況，探究小偏置正面碰撞工況下車體結構變形特點，并以此為基礎提出車體前端結構的優化措施。

1　幾種典型正面碰撞工況下車體結構變形分析及評價

本文研究對象為某國產B級乘用車,整車有限元模型包含420個零部件,約37萬個網格單元,網格基準尺寸為10 mm。整車質量為1365 kg。利用LS-DYNA有限元分析軟件進行動態50 km/h的正面全寬剛性壁障碰撞虛擬實驗，在兩側B柱下端分別設置加速度傳感器，將得到的碰撞波形與實車試驗結果進行對比。結果表明,由虛擬實驗得到的車體加速度波形與實車試驗結果吻合很好，波形趨勢、峰值以及峰值出現時刻基本一致(圖1)。本文以該模型為基礎模型，選取56 km/h正面全寬、64 km/h 40%偏置正面碰撞、64 km/h 25%小偏置正面碰撞作為典型正面碰撞工況，分別進行動態虛擬實驗(圖2)。使用的壁障分別為剛性墻壁障(100%Rigidwall)、40%偏置可變形壁障(40%ODB)以及25%小偏置剛性壁障(25%Flat150)。

圖1　50 km/h正面全寬碰撞波形對比

(a)正面全寬(b)40%偏置

(c)25%小偏置圖2　典型正面碰撞工況下車體前端結構變形

一般來說,在正面碰撞工況下對車體結構的評價主要圍繞車體結構變形情況(乘員艙侵入情況)與車體B柱減速度波形兩方面進行，這兩方面也是影響乘員傷害的主要因素。圖3給出了三種典型正面碰撞工況下B柱減速度波形對比。對比發現，25%小偏置碰撞B柱減速度波形峰值小于40%偏置碰撞與正面全寬碰撞的減速度波形峰值。由于約束系統的匹配往往是針對減速度波形峰值較大的工況,因此25%小偏置正面碰撞的B柱減速度波形不會影響乘員約束系統的匹配。

圖3　典型正面碰撞工況B柱減速度波形對比

再來看看各種碰撞形式的結構變形和吸能情況。圖1分別示出了正面全寬碰撞、40%偏置碰撞和25%小偏置碰撞的最大變形時刻車體前端結構。全寬碰撞中碰撞力主要通過雙側上邊梁、前縱梁以及副車架三條路徑傳遞；40%偏置碰撞的碰撞力則主要通過單側上邊梁、前縱梁以及副車架等路徑傳遞；25%小偏置碰撞中壁障與車輛的初始碰撞點基本在前縱梁以外的區域，因此車體前端結構主要傳力路徑僅剩上邊梁一條。前縱梁作為正面碰撞中主要吸能構件在整車碰撞吸能過程中的參與度隨著重疊率的下降而降低，在正面全寬碰撞中，左右前縱梁均參與整車變形吸能；40%偏置碰撞中僅駕駛員一側前縱梁參與變形吸能；而在25%小偏置碰撞中，前縱梁僅繞Z軸產生少量彎曲變形，基本沒有參與整車變形吸能過程。

25%小偏置碰撞中駕駛員側輪胎在碰撞初期就與剛性壁障直接接觸，碰撞過程中輪胎雖然保證了完整性，但是在剛性壁障的擠壓作用下侵入乘員艙，導致前圍板侵入量增大，門檻梁部分位置發生明顯彎折，同時A柱上鉸鏈處也發生了明顯的彎折(圖4)；相比之下，全寬碰撞和重疊率為40%的偏置碰撞則表現為乘員艙變形合理，乘員生存空間得到保證。

圖4　25%小偏置碰撞中車身變形情況

參考IIHS 25%小偏置正面碰撞試驗的車體結構評價項目[5],本文選擇A柱上鉸鏈、A柱下鉸鏈和門檻梁共9個點作為侵入量測量點(圖5中圓圈圈出的部分)對車體結構優化效果進行評價。其中A柱上鉸鏈和A柱下鉸鏈測量X方向上的侵入量，門檻梁則測量Y方向上的侵入量。

圖5　25%小偏置正面碰撞侵入量測量點示意圖

圖6所示為3種正面碰撞工況乘員艙侵入量對比，圖中，測量點編號1～9分別表示A柱上鉸鏈1、A柱上鉸鏈2、A柱上鉸鏈3、A柱下鉸鏈1、A柱下鉸鏈2、A柱下鉸鏈3、門檻梁1、門檻梁2、門檻梁3。可以看出原整車模型在25%小偏置碰撞工況下乘員艙侵入量達到30 cm左右,大大超出了IIHS評價規程下Good評級對應的乘員艙侵入量限值,乘員安全受到潛在威脅，傷害風險大。

圖6　典型正面碰撞工況乘員艙侵入量對比

基于上文描述可知，小偏置正面碰撞工況車體結構變形特點如下：小偏置正面碰撞過程中由于壁障與車輛的初始碰撞點基本在前縱梁以外的區域，導致車體前端主要吸能構件前縱梁僅繞Z軸產生少量彎曲變形,沒有發生理想的壓潰變形;碰撞力主要通過上邊梁一條路徑傳遞,車體前端結構整體吸能量不足,導致乘員艙在變形過程中承受較大的碰撞力,發生較大變形。

2　基于小偏置正面碰撞的車體前端結構優化與評價

針對小偏置正面碰撞工況車體結構變形特點，以保證乘員艙強度為前提，本文提出車體前端結構優化措施，優化措施包括車體結構改進與材料加強兩個方面。

由于在小偏置正面碰撞工況中，車體前端結構傳力路徑主要為上邊梁一條，因此考慮在不影響輪胎運動空間的前提下加大原有的上邊梁結構截面尺寸以增加其吸能效率，使其成為與前縱梁相平行的“小縱梁”。圖7所示為上邊梁結構優化前后的截面尺寸對比，改進后的上邊梁是在保證部分尺寸不變的前提下由原上邊梁向下拉伸約70 mm得到的。

(a)原上邊梁(b)改進后的上邊梁圖7　上邊梁結構優化

本文參考文獻[6]中車身結構的設計思路，在不考慮結構工藝性的前提下將上邊梁延長至前縱梁形成shotgun環狀結構，碰撞過程中shotgun環狀結構先與壁障接觸變形吸能，彌補車體前端結構整體吸能不足的缺陷，避免變形過程中乘員艙承受較大縱向載荷;另一方面,由于環狀結構具有側向導向作用的結構特殊性,可實現碰撞力向非碰撞側有效傳遞的同時使縱向速度得到部分分解，有利于保證乘員生存空間。如圖8所示，增加的車體前端結構(延長shotgun)由矩形截面梁輥壓成形，與上邊梁及前縱梁之間采用點焊連接。將改進后的車體前端結構置于原實車前端進行空間對比，結果表明，延長shotgun與上邊梁未越過原車前輪罩輪廓線，不會影響原車輪胎運動空間，即運動無干涉，如圖9所示。

(a)軸測圖

(b)側視圖圖8　shotgun環狀結構

圖9　改進后車體前端結構置于原實車前端空間

將結構改進后的整車有限元模型進行25%小偏置正面碰撞虛擬實驗以對車體結構改進的優化效果進行評價，計算過程中輸出上文提到9個測量點的侵入量-時間曲線并提取最大侵入量進行對比。以A柱上鉸鏈為例，圖10為其3個測量點的侵入量-時間曲線。圖11為結構改進后9個測量點最大侵入量對比。

(a)測量點1

(b)測量點2

(c)測量點3圖10　A柱上鉸鏈測量點侵入量-時間曲線

圖11　結構改進后侵入量對比

僅進行結構改進時,除A柱上鉸鏈第一測量點之外,其余測量點的最大侵入量都有不同程度的減小(圖10、圖11);A柱上鉸鏈侵入量大約減小27%，A柱下鉸鏈侵入量約減小21%，門檻梁侵入量的優化效果顯著，3個測量點的侵入量分別減小43%、45%、57%。車體結構改進在增加車體前端結構吸能量的同時優化了傳力路徑，對乘員艙的承載能力提出了更高的要求，增加乘員艙強度將有助于乘員艙更好地抵抗變形，因此考慮在結構改進的基礎上進行材料加強。

選取小偏置正面碰撞工況下的主要安全構件(如A柱、門檻梁、上邊梁以及新形成的shotgun環狀結構等)，在不考慮加工工藝的情況下提高上邊梁以及新形成的shotgun環狀結構等主要吸能構件的材料屈服強度，即采用屈服強度更高的高強度鋼(如低合金高強度鋼、普通C-Mn鋼等)；同時為了保證小偏置正面碰撞工況下各主要安全構件正確合理的變形時序以及乘員生存空間，需要同步加強A柱、門檻等以支撐作用為主的安全構件(如采用熱成形鋼板),以實現剛度的合理匹配。參考美國國家碰撞分析中心(national crash analysis center,NCAC)2014年更新的2012款凱美瑞整車有限元模型,提取材料曲線對原有安全構件進行材料替換(表1)。材料加強后再次進行25%小偏置正面碰撞虛擬實驗。提取計算過程中上述9個測量點的最大侵入量，對比結果如圖12所示。

表1　改進前后材料屈服強度對比

圖12　最大侵入量對比

在結構改進的基礎上提高材料屈服強度后，A柱上下鉸鏈侵入量優化效果顯著(約減小60%),基本維持在10 cm左右；而門檻梁侵入量的優化效果卻并不明顯，僅部分測量點少量減小。

通過對比三組虛擬實驗的侵入量-時間曲線及最大侵入量發現，結構改進與提高材料的屈服強度對A柱上下鉸鏈侵入量優化效果顯著，其優化效果在提高材料屈服強度的情況下表現得更加明顯;結構改進對門檻梁侵入量的優化效果顯著，但在提高材料屈服強度后優化效果并沒有進一步的提升。

3　正面全寬碰撞與40%偏置碰撞工況下B柱減速度波形驗證

一般來說,在車體前端結構優化措施中，增加前端結構件和提高主要安全構件的屈服強度有可能會造成車體前端結構剛度過大、約束系統難以匹配的問題[7],因此本文將改進后的整車有限元模型分別進行56 km/h正面全寬碰撞與64 km/h 40%偏置碰撞工況的虛擬實驗,獲得B柱減速度波形以觀察其峰值是否有明顯增大。對比圖13a中兩條波形發現,改進后的B柱減速度波形峰值基本沒有變化,但是峰值出現的時間有所提前。對比圖13b中兩條波形發現，改進后的B柱減速度波形的趨勢與峰值均與改進前相似，基本沒有變化。

(a)56 km/h正面全寬碰撞

(b)64 km/h 40%偏置碰撞圖13　改進后兩種典型正面碰撞工況B柱減速度波形

在正面全寬工況下，改進后車體結構的B柱減速度波形峰值略有下降但峰值時刻提前，這是由于在碰撞中改進后的車體結構承受了更大的載荷，前縱梁提前出現彎曲變形，因此在后續的結構改進中可以考慮適當增加前縱梁的抗彎性能，延后B柱減速度波形峰值時刻，車輛的抗撞性就可以得到進一步的提升；而在40%偏置碰撞中，B柱減速度波形趨勢及峰值大小基本沒有變化，說明采用的車體結構優化措施并沒有影響原有車體結構的傳力路徑，車體前端的吸能效率也基本不變。因此，基于25%小偏置碰撞的車體前端結構優化并不會對正面全寬及40%偏置碰撞產生不利的影響，也不會因車體前端結構剛度過大而影響乘員約束系統的匹配。

4　結語

本文以某國產乘用車為研究對象，采用CAE仿真技術對25%小偏置碰撞工況下車體結構變形進行對比分析與車體結構優化設計，研究結果表明：25%小偏置碰撞工況下B柱減速度波形峰值較小，不足以對乘員安全形成潛在威脅，但乘員艙的大變形將直接導致嚴重的乘員腿部、腳部傷害；以增大上邊梁截面尺寸、shotgun環狀結構為主的車體結構改進措施在增加車體前端結構吸能量的同時優化了傳力路徑，使乘員艙的侵入量顯著減小，且其優化效果在合理提高材料屈服的基礎上得到了進一步提升。

[1]陳可明,胡麗娟,胡晏殊.國內某車型小偏置正面碰撞的全面評估[J].汽車安全與節能學報,2013,4(1):27-34.

Chen Keming,Hu Lijuan,Hu Anshu.Small-overlap Frontal-impact Assessments for a Vehicle Made in China[J].Journal of Automotive Safety and Engergy,2013,4(1):27-34.

[2]Sherwood C P,Nolan J M,Zuby D S.Characteristics of Small Overlap Crashes[C]//Proceedings of the 21st International Technical Conference on the Enhanced Safety of Vehicles.Washington,DC:National Highway Traffic Safety Administration,2009:1-7.

[3]劉珍海, 喬磊磊, 岳國輝, 等. 正面小重疊碰撞工況模擬研究與實車優化分析[J]. 汽車安全與節能學報,2012,3(4):339-346.

Liu Zhenhai,Qiao Leilei,Yue Guohui,et al.Simulation Research and Optimal Analysis for Small Overlap Frontal Crashworthiness of a Real Car[J].Journal of Automotive Safety and Engergy，2012，3(4):339-346.

[4]肖鋒.IIHS Small Overlap Crash Test 評估標準質疑[C]//第十六屆汽車安全技術學術會議論文集.杭州,2013:875-879.

[5]Insurance Institute for Highway Safety(IIHS). Small Overlap Frontal Crashworthiness Evaluation Rating Protocol(Version I)[S].Arlington,VA:IIHS Secretary,2012.

[6]肖鋒,陳曉鋒.IIHS小偏置碰撞位移導向策略與結構評估方法[J].汽車安全與節能學報,2013,4(4):322-333.

Xiao Feng,Chen Xiaofeng.One Displacement Oriented Strategy and a Structural Assessment Method for IIHS New Small Overlap Crash Tests[J].Journal of Automotive Safety and Engergy,2013,4(4):322-333.

[7]劉樂丹.某乘用車正面碰撞波形優化及其方法研究[D].長春：吉林大學,2011.

(編輯蘇衛國)

Design and Improvement of a Passenger Vehicle Frontal Structure Based on 25% Small Overlap Frontal Crash

Li Linfeng1Liu Weiguo2Zhang Junyuan1Zhang Le1Zhou Hao1

1.The State Key Laboratory of Automobile Simulation and Control,Jilin University,Changchun,130000 2.Zhejiang Geely Automobile Institute Co., Ltd., Hangzhou,311228

Comparing with the full frontal crash and the 40% offset crash,the differences and similarities of the vehicle structure deformation in the 25% small overlap frontal crash were analyzed.Based on the deformation characteristics of the vehicle structure in the small overlap frontal crash,the optimization measures of the vehicle front end structure were proposed,which included improving structures and strengthening materials.The optimized vehicle model was tested in the 25% small overlap crash virtual experiments.And the results show that the performance of the vehicle structure is improved significantly and the intrusion of the passenger compartment decreases obviously.Through verifying the deceleration pulses in the full frontal crash and the 40% offset frontal crash,the stiffness of the improved vehicle model is proved to be properly configured and has no effect on the match of the occupant restraint system.

vehicle safety;25% small overlap frontal crash;vehicle structural rating;structural improvement

2014-10-21

浙江省汽車安全技術重點實驗室運營專項(YSD0C11-02)；長春市科技計劃資助項目(12ZX19)

U461.91DOI：10.3969/j.issn.1004-132X.2015.17.022

李林峰,男，1990年生。吉林大學汽車仿真與控制國家重點實驗室碩士研究生。研究方向為汽車被動安全性。劉衛國，男，1978年生。浙江吉利汽車研究院有限公司高級工程師。張君媛，女，1965年生。吉林大學汽車仿真與控制國家重點實驗室教授、博士研究生導師。張樂，男，1990年生。吉林大學汽車仿真與控制國家重點實驗室碩士研究生。周浩，男，1989年生。吉林大學汽車仿真與控制國家重點實驗室博士研究生。