車輛高速側翻的車身結構安全性仿真研究

喬維高　涂進進　湯超群

(武漢理工大學汽車工程學院1)　武漢　430070)　(現代汽車零部件新技術湖北省重點試驗室2)　武漢　430070)

(汽車零部件技術湖北省協同創新中心3)　武漢　430070)　(武漢理工大學華夏學院4)　武漢　430223)

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車輛高速側翻的車身結構安全性仿真研究

喬維高1,2,3,4)涂進進1,2)湯超群1,2)

(武漢理工大學汽車工程學院1)武漢430070)(現代汽車零部件新技術湖北省重點試驗室2)武漢430070)

(汽車零部件技術湖北省協同創新中心3)武漢430070)(武漢理工大學華夏學院4)武漢430223)

摘要：借助于LS-DYNA和正交試驗設計方法，通過加裝車頂支撐橫梁和對車身部件結構厚度尺寸進行參數優化設計來改進車輛高速側翻碰撞中車頂結構的變形特性,得到車頂侵入量指標對車頂各部件的敏感度順序及對侵入量優化后的車頂部件厚度尺寸.

關鍵詞：車輛側翻；仿真模擬；正交試驗；侵入量

喬維高(1964- )：男，博士，教授，主要研究領域為汽車安全

0引言

近年來，隨著汽車保有量的增加，車速的提高，由于高速過彎、路面狀況惡劣等造成的車輛側翻和翻滾的事故越來越多.雖然該事故占全部交通事故的比例不高，但事故發生所造成的死亡率是較高的[1].不少學者通過分析Malibu試驗數據和交通事故統計數據后依舊認為車輛側翻發生時，車輛頂部壓潰變形后與車內人員頭部碰撞，使車內人員頭部、頸部受傷或者使乘員死亡，是高死亡率的直接原因[2].因此，對減少車輛高速側翻時車頂不同位置的侵入量的研究很有必要.

1模型的建立

1.1有限元側翻模型的建立

一輛完好可用的整車有限元模型的建立需要整車坐標系下的CAD數據,以及與之對應的材料清單,車輛所包含的所有焊接信息，空載下的整車質量分布及總成各部件的物理參數信息，轉向管柱壓潰方式及相應的力-位移壓潰曲線,等等[3].該過程的建立耗費巨大，文中采用已建好的RAV4有限元模型.

為了保證計算的穩定,以及降低計算所需時間，去除如輪胎、懸架、發動機及驅動橋等不會影響側翻中車頂侵入量的部件.簡化后整車模型質量和慣性也將發生改變，為此可在相應位置處添加1D質量單元來補償.將這些質量單元用Rigidbody剛性連接在車體相應位置處.

在整車側翻碰撞仿真分析中，地面用3D剛性體單元建模，而整車車頂為2D的殼單元.為了避免在LS-DYNA實際計算中2D，3D單元之間發生穿透，滑移能不正常而產生錯誤，在待接觸的地面及車頂部分添加Contactsurfs并將其作為接觸對象選擇.

車頂侵入量的測量是通過在車頂與碰撞中車底某一不變形位置(上下位置需對應)間建立k值較小的平動彈簧單元實現[4-6].

1.2整車側翻初始狀態確定及加載

選用整車從駕駛員側車頂剛開始與地面接觸到乘員側車頂剛開始離開地面這一動態側翻過程進行仿真研究.因此需要確定側翻時的整車初始碰撞速度、翻轉角度、俯仰角度以及偏轉角度等初始狀態參數，見表1.

表1　整車初始狀態參數

2車頂結構變形特性分析

2.1侵入量分析

為了防止彈簧單元的反彈力阻礙車頂的變形，侵入量測量彈簧單元剛度值設定為k=0.01 N/mm，各測量點的設定位置見圖1，仿真后得到的各測量點的最大侵入量見表2.

圖1　侵入量測量點

測量點DEFG最大侵入量/mm24.7738.4193.3161.8

F點很接近駕駛員頭部空間，而該位置在側翻過程中的侵入量又是最大,達到93.31 mm，而實際車輛駕駛員頭部空間不足90 mm，93.31 mm這么大的侵入量將嚴重威脅駕駛員的人身安全.為此，應優化車頂部件結構，降低車頂對乘員生存空間的侵入量.

3車身結構優化

實際中，所分析SUV車輛的頭部空間為80 mm左右，伴隨側翻中乘員的“下潛”運動，93.31 mm這么大的車頂侵入量必將造成嚴重的乘員損傷.為了保證側翻中車內人員的足夠生存空間，在原有車頂結構的基礎上加裝2根車頂支撐橫梁，見圖2.所加兩根橫梁所用材料相同，都是屈服強度為277 MPa的普通低碳鋼，所加橫梁結構厚度由前到后分別是0.61 mm和0.62 mm.

圖2　優化前后車頂結構對比

3.1優化結果對比分析

車頂加裝支撐橫梁后侵入量各測量點(D，E，F，G)的侵入量-時間曲線優化前后結果見圖3.

圖3　各測量點侵入量曲線

由圖3可見，除了D處測量點的車頂部件侵入量從優化前的24.74 mm增加到25.33 mm外，E，F，G這幾個測量點處的最大侵入量值優化后分別減少了1.23，1.29，5.16 mm.加裝車頂支撐橫梁對車輛前端變形的影響大于車輛后端，能明顯減少車輛前端的侵入量.

3.2車身結構參數優化設計

在整車高速側翻中，車身結構材料參數和尺寸參數的選取不僅影響著側翻中車頂結構強度，車頂部件對乘員生存空間的侵入量，同時還和車輛的節能減排有很大關系，而車頂部件對乘員生存空間的侵入量又與側翻中乘員的損傷有直接關系.因為針對車身結構材料的優化方法和針對車身結構尺寸的優化方法基本相同，文中用正交試驗方法針對車身結構厚度尺寸進行側翻中的車身結構優化設計.

3.2.1試驗指標的選取

由上文分析可知，加裝車頂支撐橫梁可以有效降低側翻中的車頂侵入量，為此將加裝了車頂支撐橫梁的車輛作為進行車身結構尺寸參數正交試驗優化的目標車輛.為了指標測量的合理性，對駕駛員側加裝了支撐橫梁的車頂位置的侵入量也進行測量.與前文不同，這里車頂侵入量測量彈簧單元的位置如見圖4.

圖4　測量單元位置圖

為了進一步定量的明確正交試驗指標，將各處測得的最大侵入量值加權后求得的和值作為試驗評判指標.侵入量評價指標x表示為

(1)

3.2.2因素及因素水平的確定

對評判指標產生影響的因素及因素水平的確定關系到所需進行正交試驗的次數，因側翻仿真計算時間長，因此，待優化的整車部件選取不宜過多.選取圖5所示的4個車身部件的厚度尺寸作為試驗因素，每個因素取3個不同水平，設計好的L9(34)正交試驗見表5.為了節省篇幅和便于對比分析，將經過加裝支撐橫梁優化后的因素組合及仿真計算結果分別列于最后一行和最后一列中.

圖5　試驗因素的選取

圖中：H為A柱內加強板厚度；I為車頂支撐橫梁厚度；J為車頂縱梁內加強板厚度；K為B柱內加強板厚度.

3.2.3試驗結果分析

嚴格按表5所列試驗設計內容修改模型并進行整車高速側翻有限元仿真.仿真后X1，X2，X3，X4，X5，X6和X7各測量位置的最大侵入量數值整理后見表6.

表5　L9(34)正交試驗設計表　mm

表6　仿真試驗結果　mm

為了評判所選的4個車頂部件厚度尺寸分別對車輛高速側翻時車頂侵入量影響的主次關系以及確定選擇較好的部件尺寸組合，對表6結果進行極差分析.對表5及對應試驗結果，分別求解每個因素不同水平所對應侵入量評價指標之和，求解得出的極差見表7.

表7　極差分析表　mm

由表7可見，因素I的極差最大，達到23.19，即側翻中車頂的侵入量對車頂支撐橫梁厚度尺寸的變化最敏感，同時可知，對H，I，J，K4個因素水平變化的敏感度排序為I>K>J>H.

綜合車頂侵入量指標對各因素的敏感度分析結果及整車輕量化目標，確定H1，I3，J3，K3的部件尺寸厚度組合為最佳組合，即相比于參數優化前A柱加強板厚度尺寸由2.09 mm減少到1.8 mm，車頂支撐橫梁厚度尺寸由0.7 mm增加到0.9 mm，車頂縱梁內加強板厚度尺寸由1.5 mm增加到1.7 mm，B柱內加強板厚度尺寸由0.7 mm增加到0.9 mm.各測量位置優化前后最大侵入量數值如表8所列.

表8　優化前后結果對比　mm

由表8可見，優化后除了x7測量位置最大侵入量值有所增加外，其他各測量位置處的最大侵入量值都有了明顯的減少.侵入量指標也由優化前的60.72 mm減少到優化后的60.12 mm，減少了0.98%.靠近駕駛員頭部位置的車頂侵入量有了明顯減少，由優化前的91.34 mm減少到優化后的87.34 mm，減少4.3%.x7位置處車頂最大侵入量的增加是因為該測量位置靠近A柱上端，而A柱內加強板的減薄降低了A柱的強度.為了分析該優化對車頂變形特性的影響，有必要畫出優化前后各測量位置處的車頂侵入量-時間關系圖.見圖6.

圖6　各測量點侵入量-時間曲線

圖6中實線和虛線分別是優化前后各測量位置處的侵入量-時間曲線.由圖6可以看出，雖然在駕駛員側的車頂最前端(X7位置)的侵入特性因為該處支撐橫梁的變薄而有所惡劣，但車頂結構尺寸經參數優化后，其整體在側翻中的變形特性要明顯好于優化前，即整個側翻過程中優化后的車頂對乘員生存空間的侵入量要明顯低于優化前.

4結論

1) 加裝車頂支撐橫梁對車輛前端變形的影響大于車輛后端，能明顯減少車輛前端的侵入量.靠近駕駛員頭部位置的車頂部件侵入量從優化前的91.34 mm進一步降到了優化后的87.34 mm，降低了4.3%.

2) 車頂評價指標x對H(A柱內加強板厚度尺寸)、I(車頂支撐橫梁厚度尺寸)、J(車頂縱梁內加強板厚度尺寸)以及K(B柱內加強板厚度尺寸)的敏感度順序是I>K>J>H.

3) 經參數優化后確定的分別加裝車頂支撐橫梁、增加B柱內加強板和車頂縱梁內加強板的厚度尺寸以及減小A柱內加強板厚度的優化方案的車頂變形特性明顯優于優化前，各測量點測得的最大侵入量都有明顯的減少，侵入量指標也由優化前的60.72 mm減少到優化后的60.12 mm，減少了0.98%.

參 考 文 獻

[1]金智林.運動型多功能汽車側翻穩定性及防側翻控制[D].南京：南京航空航天大學，2008.

[2]顏凌波.乘用車的翻滾碰撞特性及防護措施研究[D].湖南：湖南大學，2012.

[3]胡志遠，曾必強，謝書港.基于LS-DYNA和HyperWorks的汽車安全仿真與分析[M].北京：清華大學出版社，2011.

[4]張金換，杜匯良，馬春生，等.汽車碰撞安全性設計[M].北京：清華大學出版社,2010.

[5]白金澤.LS-DYNA3D理論基礎與實例分析[M].北京：科學出版社，2005.

A Simulation Study on Safety Body

Structure of Vehicle High-speed Rollover

QIAO Weigao1,2,3,4)TU Jinjin1,2)TANG Chaoqun1,2)

(SchoolofAutomotiveEngineering,WuhanUniversityofTechnology,Wuhan430070，China)1)

(HubeiCollaborativeInnovationCenterofAdvanced

TechnologyofAutomotiveParts,Wuhan430070，China)2)

(HubeiCollaborativeInnovationCenterforAutomotive

ComponentsTechnology,Wuhan430070，China)3)

(WuhanUniversityofTechnologyHuaxiaCollege,Wuhan430223，China)4)

Abstract：With LS-DYNA and the design method of orthogonal test, through the installation of roof support beams and the optimization of the thickness of the body part structure to improve the deformation characteristics of the roof body structure in the accident of vehicle rollover crash, and then the sensitiveness of roof parts is obtained for invasion index and a better thickness of the roof parts is gotten after optimization for the invasion.

Key words：rollover; simulation; orthogonal test; invasion

收稿日期：2015-12-08

doi:10.3963/j.issn.2095-3844.2016.01.011

中圖法分類號：U461.91