汽車側(cè)碰安全性車身結(jié)構(gòu)設(shè)計與輕量化研究

伍升安　覃鵬飛　鄧元　陸譽文

摘要：文章在研究與掌握現(xiàn)有側(cè)碰法規(guī)安全性車身結(jié)構(gòu)的基礎(chǔ)上，通過使用有限元分析軟件LS-DYNA進行模擬分析，對車身關(guān)鍵部位從結(jié)構(gòu)優(yōu)化、零部件材料選取等方面進行了輕量化研究，并進行了實驗驗證，使鋼板材料與材料厚度達到合理配置，達到既滿足國家側(cè)碰法規(guī)要求，又實現(xiàn)整車輕量化的目的。

關(guān)鍵詞：側(cè)碰法規(guī)；安全性；車身結(jié)構(gòu)設(shè)計；輕量化；模擬分析 文獻標(biāo)識碼：A

中圖分類號：U463 文章編號：1009-2374（2016）12-0017-04 DOI：10.13535/j.cnki.11-4406/n.2016.12.008

隨著汽車工業(yè)的飛速發(fā)展，全球汽車保有量不斷上升。在越來越多的普通人群享受到了汽車帶來的方便與快捷的同時，日益嚴(yán)峻的能源危機和全球氣候變暖問題使得汽車輕量化成為了汽車行業(yè)炙手可熱的話題。有關(guān)研究數(shù)據(jù)表明：整車質(zhì)量降低10%，燃油消耗可降低6%～8%，排放量降低5%～6%。降低汽車整備質(zhì)量不僅可以降低汽車的油耗、減少有害物質(zhì)的排放，而且在一定程度上可以帶來車輛操控穩(wěn)定性和碰撞安全性的提升，因此輕量化設(shè)計已成為汽車產(chǎn)品研發(fā)流程中不可或缺的環(huán)節(jié)之一。

汽車輕量化首先應(yīng)保持汽車原有的性能不受影響，汽車側(cè)碰安全性是汽車輕量化面臨的主要問題之一。對于汽車而言，乘員艙側(cè)面的結(jié)構(gòu)強度較弱，在汽車側(cè)碰交通事故中乘員通常會受到較大的傷害。根據(jù)世界衛(wèi)生組織的統(tǒng)計資料，全世界平均每年約有120萬人因交通事故喪生，根據(jù)官方統(tǒng)計，中國歷年交通事故死亡人數(shù)穩(wěn)居世界第一。在所有的汽車碰撞類型的交通事故中，側(cè)面碰撞所占的比例約達事故總量的30%左右；側(cè)碰所造成的重傷和死亡比例達到35%。國家強制性法規(guī)《汽車側(cè)面碰撞的乘員保護》（GB 20071-2006）的實施使得側(cè)面碰撞安全倍受矚目，國內(nèi)各大汽車企業(yè)、研究院及高校都對汽車側(cè)面碰撞安全的各個領(lǐng)域進行了研究。國內(nèi)外汽車實現(xiàn)輕量化的主要途徑有：（1）使用輕質(zhì)材料，如鋁合金、鈦合金、生態(tài)復(fù)合材料、高強度鋼等；（2）車身結(jié)構(gòu)輕量化設(shè)計；（3）使用新的成型方法和連接技術(shù)，如柔性軋制工藝、激光拼焊工藝等。目前國內(nèi)傳統(tǒng)車身開發(fā)設(shè)計主要有兩個方面的不足：（1）局部材料強度余量較大，造成材料浪費、產(chǎn)品成本上升；（2）車身關(guān)鍵部位結(jié)構(gòu)強度不足，汽車在使用過程中出現(xiàn)安全性、可靠性不足問題。

本文結(jié)合某乘用車開發(fā)項目，在保證車身強度、剛度、側(cè)碰安全性的前提下，利用有限元分析和實車試驗的方法，通過合理選擇零件材料、優(yōu)化白車身結(jié)構(gòu)等方法對車身結(jié)構(gòu)進行輕量化設(shè)計，減輕白車身重量，節(jié)省燃油消耗、減少排放，不僅對未來輕量化白車身開發(fā)起到了重要的參考作用，對企業(yè)提高產(chǎn)品競爭力也具有重要意義。

1 汽車側(cè)面碰撞實驗方法與評價標(biāo)準(zhǔn)介紹

我國現(xiàn)在實行的側(cè)碰法規(guī)是以ECER95為模板制定的，同時考慮我國乘員的身高、體重與歐洲乘員有較大區(qū)別，所以在制定側(cè)面碰撞法規(guī)時也參考了日本的法規(guī)標(biāo)準(zhǔn)。

1.1 側(cè)碰實驗條件與方法

1.1.1 實驗基本條件：實驗車應(yīng)停放在指定位置，保持靜止，其質(zhì)量應(yīng)為車輛的整備質(zhì)量加上100kg（側(cè)碰假人及其測量設(shè)備的質(zhì)量）；移動變形壁障的特性及檢驗應(yīng)符合法規(guī)GB 20071-2006中附錄C規(guī)定，其縱向中垂面軌跡應(yīng)垂直于實驗車的縱向中垂面，且與實驗車上通過碰撞側(cè)前排座椅“R”點的橫斷垂面之間的距離應(yīng)在±25mm內(nèi)，在碰撞瞬間，應(yīng)確保由變形壁障前表面上邊緣和下邊緣限定的水平中間平面與實驗前確定的位置的上下偏差在±25mm內(nèi)。

1.1.2 實驗速度：碰撞瞬間移動變形壁障的速度應(yīng)為50±1km/h，并且該速度至少在碰撞前0.5m內(nèi)保持穩(wěn)定。測量移動變形壁障的實際速度，測量儀器的準(zhǔn)確度為1%。

1.1.3 碰撞假人準(zhǔn)備：實驗開始前，在駕駛員位置安放一個ES-2型側(cè)面碰撞假人，假人應(yīng)符合法規(guī)GB 20071-2006中附錄E或F規(guī)定。

1.2 側(cè)碰性能評價標(biāo)準(zhǔn)

1.2.1 頭部性能指標(biāo)（HIC）值應(yīng)≤1000。

1.2.2 胸部性能指標(biāo)：肋骨變形指標(biāo)（RDC）應(yīng)≤42mm，黏性指標(biāo)（VC）應(yīng)≤1.0m/s。

1.2.3 盆骨性能指標(biāo)：恥骨結(jié)合點力峰值（PSPF）應(yīng)≤6kN。

1.2.4 腹部性能指標(biāo)：腹部力峰值（APF）應(yīng)≤2.5kN的內(nèi)力（相當(dāng)于4.5kN的外力）。

2 汽車側(cè)面碰撞特性研究

在汽車發(fā)生側(cè)面碰撞時，碰撞力的傳遞途徑如圖1所示，MDB（移動變形壁障）最先與車門接觸（對于碰撞時門檻腔體上表面離地高度大于300mm的汽車，MDB同時會與門檻接觸，此類結(jié)構(gòu)對側(cè)碰通常比較有利，這里不做詳細(xì)分析），車門受MDB的撞擊下向車身內(nèi)部變形將力傳遞至車門內(nèi)部的防撞桿，再由防撞桿將力傳遞至A柱、B柱以及C柱；A柱在沖擊力的作用下開始變形，將力傳遞至駕駛倉的前隔板總成、前隔板下安裝板合件等；C柱位置則將沖擊力傳遞至頂蓋后橫梁及后部下車體總成；B柱位置的力通過B柱上接頭、B柱下接頭分別傳遞至頂蓋橫梁#1、門檻，再通過頂蓋與地板來傳遞吸收。

從碰撞時力的分布情況來看，B柱區(qū)域結(jié)構(gòu)的設(shè)計對碰撞安全性能的提升至關(guān)重要。設(shè)計不合理一般會出現(xiàn)如下三種安全隱患：（1）B柱上部剛度不足，導(dǎo)致碰撞時B柱上部變形嚴(yán)重，頭部性能指標(biāo)、胸部性能指標(biāo)超標(biāo)，直接威脅乘員的生命安全（頭部、胸部）；（2）B柱結(jié)構(gòu)剛度分部不合理，導(dǎo)致B柱嚴(yán)重變形，B柱及車門侵入量、侵入速度大，也會對乘員造車生命威脅；（3）B柱下部剛度不足，導(dǎo)致B柱下端車身凹進乘員倉。

3 整車有限元模型建立與碰撞分析結(jié)果

首先，根據(jù)整車性能目標(biāo)，收集并分析了大量性能定位相近的對標(biāo)車的結(jié)構(gòu)信息，按照滿足整車性能目標(biāo)、重量最輕、成本最低的原則，對車身結(jié)構(gòu)與材料選擇進行合理配置，得出最初的車身輕量化結(jié)構(gòu)方案，并建立3D數(shù)據(jù)。然后，建立整車有限元模型進行分析，整車有限元模型的建立的具體流程如圖2所示，總體來說分為5步：（1）進行構(gòu)件簡化，綜合分析各零部件在碰撞仿真中的特性后，對相應(yīng)的零件部件進行合理的簡化處理，既可保證仿真精度，又可大量節(jié)省計算資源；（2）進行網(wǎng)格劃分，網(wǎng)格劃分的質(zhì)量對仿真精度、求解時間都有顯著影響。理想的網(wǎng)格劃分要求網(wǎng)格大小均勻，網(wǎng)格形狀規(guī)整，但是考慮計算能力的限制，通常按實際需求將車上分為幾個區(qū)域，分別采用不同的網(wǎng)格尺寸：主要變形區(qū)域網(wǎng)格尺寸為10mm×10mm、過渡變形區(qū)域網(wǎng)格尺寸為20mm×20mm、非變形區(qū)域網(wǎng)格尺寸為40mm×40mm；（3）按實際情況賦予各零件材料屬性；（4）將各部件連接起來，合理的連接方法應(yīng)既能體現(xiàn)其實際連接方式的基本特性及碰撞后的可能狀態(tài)，又能保證其盡量簡化以提高求解效率；（5）給模型添加載荷工況。

實際碰撞采用MDB（移動變形壁障）來代替實車進行實驗，整個MDB有限元模型由221個部件，共70220個單元組成。根據(jù)法規(guī)要求，模擬MDB以50km/h碰撞某乘用車，分析結(jié)果如表1所示，假人胸部位置B柱存在變形、前門位移量偏大。

從車身變形模式上看主要有如圖3、圖4、圖5所示

缺陷：

第一，B柱位置變形較大，地板橫梁嚴(yán)重折彎，門檻向車內(nèi)翻轉(zhuǎn)，導(dǎo)致B柱侵入量過大。

第二，門檻內(nèi)部3個支撐盒全部被壓潰，導(dǎo)致由支撐盒到座椅橫梁的傳力路徑被破壞，B柱下端前門防撞桿搭接位置侵入量過大，導(dǎo)致前門位移量增加。

第三，由于側(cè)圍加強框架主要通過門檻內(nèi)部的支撐盒向地板橫梁傳遞沖擊力，車身前門檻區(qū)域結(jié)構(gòu)變形較小，剛度存在富余。

4 實車實驗結(jié)果與輕量化改進方案分析

如圖6，實車實驗時肋骨變形量（RDC）為53.855mm，黏性指數(shù)（VC）為1.2m/s，不滿足國家法規(guī)要求。

側(cè)圍入侵速度、入侵量是影響乘員胸部性能指標(biāo)的關(guān)鍵因素，Kalu等人通過臺車實驗得出了侵入速度與側(cè)碰假人肋骨變形量能夠用圖7所示線性關(guān)系表示，按照圖7中的公式，實車碰撞時的侵入速度達到12.856m/s，超出9m/s的可靠值。

從車身實際變形情況分析，車身變形情況與有限元分析結(jié)果大致趨勢一致，B柱下端基本上符合反“s”形的變形模式，對乘員安全的保護比較有利，證明此處主要的結(jié)構(gòu)設(shè)計是合理的。如圖8所示B柱下端鈑金被撕裂，說明B柱下部結(jié)構(gòu)偏弱；B柱下端座椅橫梁彎折，導(dǎo)致門檻向車內(nèi)翻轉(zhuǎn)；最終造成B柱下端車身結(jié)構(gòu)變形嚴(yán)重，沖擊力無法合理的傳導(dǎo)至A柱、C柱和下車體上，車身整體侵入速度、侵入量過大。

在綜合分析了有限元仿真結(jié)果與實車碰撞實驗結(jié)果的基礎(chǔ)上，制定了以下的結(jié)構(gòu)加強方案及結(jié)構(gòu)輕量化方案：

第一，加強B柱區(qū)域結(jié)構(gòu)強度，B柱加強板料厚由t=1.4mm改為t=1.6mm，并取消其圓弧出筋條，保證此處剛度連續(xù)；B柱下加強板料厚由t=1.2mm改為t=1.4mm。

第二，前、后門防撞桿分別向下調(diào)40mm、34mm，如圖10圓圈為調(diào)整后的位置，使沖擊力更多地通過B、C柱下端傳遞至下車體，減少假人胸部傷害值。

第三，針對門檻內(nèi)部支撐盒變形問題，需要將支撐盒厚度提升至t=1.4mm才能有效抵抗變形；經(jīng)分析支撐盒主要承受橫向沖擊力，如圖11所示，在支撐盒側(cè)面增加兩條抵抗橫向沖擊力的筋條，并取消側(cè)面的工藝孔，達到抵抗變形實現(xiàn)輕量化的效果。

第四，如圖12所示，加強地板橫梁前端結(jié)構(gòu)強度，使其能夠承受側(cè)碰時的沖擊力不被折彎，并將力傳遞至地板以及車身另一側(cè)。

第五，由于實驗車門檻上表面離地高度小于300，實際碰撞時MDB未直接撞到門檻上，前門檻位置受到的沖擊力較小，碰撞后無明顯變形，門檻區(qū)域仍然存在輕量化空間。輕量化方案如圖13所示，將門檻外板加強板HC340/590DP t=1.2拆分為前門檻外板加強板HC340/590DP t=1.0+后門檻外板加強板HC340/590DP t=1.2，整車質(zhì)量降低0.648kg；同時將門檻內(nèi)板由BLD t=1.2改為HC340/590DP t=1.0，整車質(zhì)量降低0.830kg。

5 有限元分析與實驗驗證

如圖14及表2所示，有限元分析結(jié)果顯示車身結(jié)構(gòu)優(yōu)化后各項性能指標(biāo)改善較大，其中前門侵入量降低24%，經(jīng)實車碰撞驗證，整車側(cè)碰性能滿足國家法規(guī)要求。

6 結(jié)語

汽車安全與輕量化是汽車產(chǎn)品設(shè)計的兩大關(guān)鍵內(nèi)容，二者存在一定程度的相互影響、相互制約的關(guān)系。如何處理好安全與輕量化之間的關(guān)系，對于新車型的開發(fā)意義重大。進行整車試驗與進行有限元模擬分析是進行安全校核與輕量化設(shè)計的兩個重要途徑，前者試驗周期較長，影響整車開發(fā)周期；后者雖然比較方便快捷，但以目前的技術(shù)手段，其分析結(jié)果與實際情況會不可避免地存在一些偏差。通過使用整車實驗與有限元分析相結(jié)合的方法，可以使兩種方法互相驗證，達到取長補短、相輔相成的效果，不僅可以縮短實驗周期、產(chǎn)品開發(fā)周期，還能快速找到問題的最佳解決方案，使車身在結(jié)構(gòu)、材料、料厚等達到合理配置，既實現(xiàn)了汽車輕量化，又保證了整車安全。

參考文獻

[1] 姜軍，葉永亮，汪侃磊.車身輕量化系數(shù)的決定因素及其優(yōu)化[J].汽車技術(shù)，2010，（2）.

[2] 豪彥.美國、歐、日、中國側(cè)面碰撞試驗法規(guī)及發(fā)展趨勢[J].汽車與配件，2002，28（7）.

[3] 曹雁超.汽車碰撞有限元數(shù)值建模及仿真[D].山東大學(xué)，2014.

[4] 楊志添.基于轎車B柱輕量化設(shè)計的耐撞性優(yōu)化分析[D].湖南大學(xué)，2012.

[5] 張維剛，鄒正寬，王祥.側(cè)面碰撞中B柱侵入速度及變形模式對乘員損傷影響的研究[J].湖南大學(xué)學(xué)報（自然科學(xué)版），2009，36（8）.

作者簡介：伍升安（1987-），男，湖南永州人，上汽通用五菱汽車股份有限公司助理工程師，研究方向：車身結(jié)構(gòu)設(shè)計研發(fā)。

（責(zé)任編輯：黃銀芳）