某轎車側碰性能的有限元分析與試驗研究

李洪力，趙官，韓陽，王璐璐，姬園

（海馬轎車有限公司，鄭州 450016）

某轎車側碰性能的有限元分析與試驗研究

李洪力，趙官，韓陽，王璐璐，姬園

（海馬轎車有限公司，鄭州 450016）

本文以某純電動轎車為研究對象，對其進行有限元分析，并利用整車碰撞試驗對有限元模型進行驗證。進一步，利用有限元應力云圖的分布特征，對整車結構進行優化。有限元分析結果表明：在側碰過程中，車體變形模式基本合理；電池箱頂部靠近中央通道與座椅橫梁搭接以及電池箱靠近B柱底部處發生擠壓變形，等效塑性應變值最大為0.024，未對電池造成較大威脅；在B柱中部區域絕對侵入速度為6.8m/s，最大相對侵入量為98.5mm，滿足設計相關指標要求。通過有限元分析和試驗兩種方法對比發現，碰撞后的有限元模型和試驗車具有相似的變形模式。從而驗證了仿真分析的準確性。如果想進一步提高整車的側碰性能，可以結合應力云圖，對車身結構繼續優化。

碰撞；有限元；侵入量；應力云圖

李洪力

畢業于太原理工大學材料科學與工程學院，碩士學位，現任海馬轎車有限公司電動汽車事業部車身研發工程師，主要研究方向新能源汽車車身及開閉件設計，已發表論文《限制模壓變形法對6061鋁合金組織和性能的影響》等6篇。

隨著汽車工業的發展，人們對汽車碰撞安全性的要求越來越高。汽車碰撞安全性，尤其是碰撞的安全性是作為汽車安全性能的一個重要方面，受到人們的高度重視。汽車碰撞性能的提高，有助于降低安全事故造成的經濟損失，使乘客和駕駛員的生命安全得到保障。城市道路交叉路口，混合交通現象嚴重，造成汽車側面碰撞的事故發生率最高。從2000 年中華人民共和國道路交通事故統計資料顯示：正面碰撞事故12.852 萬次，占交通事故的20.83%，側面碰撞事故21.2292萬次，占34.41%，超過了正面碰撞13.58%［1］。側面碰撞是我國發生頻次較高的交通事故。由此可見，提高汽車側面碰撞性能，具有重大意義。

本人利用某純電動轎車建立有限元模型，進行有限元分析，得到側碰仿真能量曲線、車身側面結構的應力云圖、電池箱的應力云圖及B柱各測點侵入量及侵入速度圖。并利用實車側碰試驗進行了驗證。利用有限元分析和試驗兩種方法驗證車身的安全性能，對車身結構耐撞性的設計具有重要意義。如果需要進一步提高整車的側碰性能，可以結合有限元分析，對整車進行優化［2］。

1　試驗方法

1.1整車有限元模型的建立

本文以某純電動轎車為研究對象，建立有限元模型，并對整車的側碰性能進行有限元分析。在有限元模型中，需要考慮到純電動轎車的特殊性，即側碰使用的整車為安裝電池箱后的整車。整車有限元的信息如下表1所示：

表1　整車信息表

從側圍材料示意圖1可以看出，此車型縱梁、門檻梁、B柱及其加強板等結構件采用高強鋼B410LA及B280VK，良好的材料性能保證了車身的強度。從電池箱框架材料示意圖2可以看出，電池箱框架采用高強鋼HC340/590DP，保證了電池箱的強度。最終建立的有限元碰撞模型如圖3所示：

1.2碰撞試驗方法

實車側撞試驗依據GB 20071-2006用牽引裝置將移動壁障加速至50Km/h±1Km/h進行碰撞車身左側，車輛駕駛員位置放置ES-Ⅱ假人。試驗主要通過傳感器檢測假人的傷害值，要求試驗過程中車門不得開啟，前門的鎖止系統不得發生鎖止，試驗后不使用工具，能打開足夠數量的門，同時將假人從約束系統解脫，并完好地取出假人［3］。碰撞前的試驗車如下圖4所示：

2　整車碰撞有限元分析

2.1仿真能量曲線

總體能量響應曲線是評估車身碰撞性能的指標，如圖5所示，碰撞前后總能量為9.26e7，基本維持恒定，沙漏能和滑移界面能很小，最大值也不超過總能量的5%。

由此說明，有限元分析的過程中，網格的建立、模型的匹配及各種求解的設置都是合理的，所建立的有限元模型是可靠和有效的。從圖中還可以看出，各能量曲線過渡平滑，趨勢正常，滿足分析要求。模型的動能和內能構成合理，呈現出“此消彼長”的趨勢，說明從能量轉換角度來說，模型的總能量基本不變，在碰撞的過程的，模型的內容在增加、動能在減小，碰撞的過程是動能轉化成內能的過程［4-5］。

2.2車身側面結構變形圖

從碰撞后的有限元模型圖6及側圍應力云圖7可以看出，整體變形模式達到預期要求，車體側面結構變形合理；B柱和門檻梁變形合理，未發生明顯彎折變形。由于前后門、B柱、門檻及地板橫梁是承受側碰的主體，整體結構及材料匹配相對合理，傳力路徑對側碰壁障沖擊力的分解到位［6］。B柱、門檻變形合理，地板橫梁組成的框架沒有發生明顯變形，有效的保護駕駛員艙內空間。

2.3電池箱變形圖

從對電動汽車來說，電池的安全是汽車安全的一個重要方面。電動汽車的特點要求我們在側碰的時候，要事先考慮側碰對電池箱的影響。為了保證了電池箱的強度，電池箱框架采用高強鋼HC340/590DP。從電池箱應力云圖8可以看出，側面碰撞中，電池箱頂部靠近中央通道與座椅橫梁搭接以及電池箱靠近B柱底部處發生擠壓變形，等效塑性應變最大為0.024，碰撞過程未對電池造成較大威脅。

2.4B柱各輸出點侵入速度

B柱的強度決定B柱的變形模式，從而造成碰撞時B柱各部位的侵入量和侵入速度不同。對于整車來說，汽車發生側面碰撞時乘員的損傷程度受到B柱變形的影響。B 柱過硬或過軟都會對乘員產生不利的影響。因為B 柱過硬，能量不能通過車身和變形移動壁來很好地吸收，能量迅速轉移到乘員身上，對乘員造成傷害； 相反，B 柱過軟，碰撞時B 柱變形過大，對車內乘員造成更大的傷害。所以合理的侵入量和侵入速度能有效的保護乘員，從而有效改善側面碰撞性能。

選取B柱7個典型點研究B柱各區域侵入量和侵入速度的變化規律，如典型點的侵入速度圖9及典型點的侵入量圖10所示，測量點1為B柱上測點；測量點2為B柱中上測點；3、4為B柱中測點；5、6為B柱中下測點；7為B柱下測點。從圖中所示：在測量點1（B柱上測點）侵入速度為6.9，侵入量為32.5mm，受到側圍上橫梁的約束，侵入量較小。在測量點4（B柱中測點）侵入速度為6.8，侵入量為98.5mm，離約束點較遠，B柱變形嚴重，侵入量較大。在測量點7（B柱下測點）侵入速度為6.2，侵入量為34.2mm，受到側圍下橫梁的約束，侵入量較小。總的來說，B柱各輸出點侵入量最大值均小于100mm，侵入速度均小于7.5m/s，滿足國家標準；測量點4區域為侵入量最大的區域，從點4的位移圖像可以看出，在（0-0.065）s內，隨著碰撞的進行，侵入量增大，并達到最大值98.5mm，在（0.065-0.12）s是后碰撞階段，由于車身結構的回彈，侵入量減小，并在76.3mm的時候達到穩定。說明本車型具有合理的侵入量和侵入速度。

表2　典型點的侵入速度和侵入量

3　有限元與試驗結果對比

從碰撞后有限元分析的模型（圖5）及碰撞后的實車（圖11）所示，可以看出，有限元分析和試驗的結構都呈現出前后門變形，車體側面結構變形合理；B柱和門檻梁變形合理，未發生明顯彎折變形等相似的特征，說明有限元方法和試驗方法的具有較好的一致性。因此，可以基于此有限元模型進行相關的仿真及優化。

4　利用位移云圖能優化車身結構

從試驗結果來看，該車滿足國家關于側碰的相關要求，為了進一步提高側碰能力，可以進一步對部分區域進行優化。從車身側面結構變形圖看出，碰撞后側圍與前圍搭接處、B柱下部、側圍與后輪罩外板搭接處及門檻梁處應力較大，可以對此處進行優化設計，從電池箱變形圖可以看出，電池箱靠近B柱底部處發生擠壓變形，等效塑性應變最大為0.024，可以對此處進行優化設計［7］。

5　結論

（1）碰撞前后總能量為9.26e7，基本維持恒定，沙漏能和滑移界面能很小，最大值也不超過總能量的5%，說明，有限元分析的過程中，網格的建立、模型的匹配及各種求解的設置都是合理的，所建立的有限元模型是可靠和有效的。

（2）對選取B柱相關典型點進行分析，中下部相對應假人骨盤區域為侵入量最大的區域，最大侵入量為98.5mm。從位移-時間圖像可以看出在（0-0.065）s內，隨著碰撞的進行，侵入量增大，并達到最大值98.5mm，在（0.065-0.12）s是后碰撞階段，由于車身結構的回彈，侵入量減小，并在76.3mm的時候達到穩定。說明本車型具有合理的侵入量和侵入速度。

（3）側面碰撞中，電池箱頂部靠近中央通道與座椅橫梁側面碰撞中，電池箱頂部靠近中央通道與座椅橫梁搭接以及電池箱近B柱底部處發生擠壓變形，等效塑性應變最大為0.024，碰撞過程未對電池箱造成較大威脅。

（4）有限元分析碰撞后模型和試驗碰撞后的樣車可以看出，有限元分析和試驗的結構都呈現出前后門變形，車體側面結構變形合理；B柱和門檻梁變形合理，未發生明顯彎折變形等相似的特征，說明有限元方法和試驗方法的具有較好的一致性，可以基于此模型進行相關的結構優化。

［1］中華人民共和國道路交通事故統計資料匯編（2000）.北京： 公安部交通管理局，2000.

［2］蘇成謙.呂振華.張群.Su Chengqian.Lü Zhenhua.Zhang Qun 轎車車身結構側向耐撞性的有限元分析［J］--汽車工程2007，29（11）.

［3］鄒俊.桂良進.范子杰.Zou Jun.Gui Liangjin.Fan Zijie燃料電池城市客車側面碰撞有限元分析［J］--汽車技術2009（4）.

［4］K. Watanabe， M. Tachhibana. Vehicle side structure concept using ultra high strength steel and rollforming technology［J］. SAE Paper，2006（ 1 ） ： 1403.

［5］Tylko1 S， Germanl A， Dalmotas D， et al. Improving side impact rotection：Response of the ES - 2RE and worldsid in a proposed harmonized pole test［ C］. IRCOBI conference paper. Madrid， 2006. 213 - 224 .

［6］吳毅.朱平.張宇.SUV車側面碰撞安全性仿真研究［J］-機械制造 2006（07）.

［7］LIN C H . Modeling and simulat ion of van f or side impact sensingtests ［ C ］/ /T he 20th Internat ional Technical Conf erence on the Enhanced Saf et y of Vehicles Proceedings. Lyon， France： 2007： 8-21.

專家推薦

陳濤：

文章對電動汽車側面碰撞安全性進行了分析，結果顯示該車滿足碰撞法規要求。文章采用的分析方法正確，評價合理。

Modal Finite-element Analysis and Testing of a Certain Body-in-White

LI Hong-li， ZHAO Guan， HAN Yang ， WANG Lu-lu， Ji Yuan
（Haima Automobile Group Co.，Ltd， Zhengzhou 450016， China）

The electric vehicles was investigated.Finite element analysis was used get the model of collision and tested by experimentation.Furthermore，Using stress map optimize the structure of vehicle.The finite element analysis results show：the deformation is reasonable in the collision process.The battery box near the central channel and seat beam were squeezed and the maximum equivalent plastic strain is 0.024.This plastic strain was not a significant threat to the battery box.The maximal speed of invasion of B column is 6.8m/s and the inbreak quantity is 98.5mm which is the maximum value of the B column. The result ofcollision characteristics between the finite element analysis and experimental findings were similar.The result of the experiment proves the correctness of the established model.Stress map can further improve the vehicle side collision performance and Optimize the structure of vehicle.

Collision； The finite element analysis； The inbreak quantity； Stress map

U467.13

A

1005-2550（2015）04-0025-05

10.3969/j.issn.1005-2550.2015.04.006

2015-03-20