某車型正面40％偏置碰撞仿真分析及車體結構優化

張 焜（安徽江淮汽車股份有限公司，安徽 合肥 230000）

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某車型正面40％偏置碰撞仿真分析及車體結構優化

張 焜
（安徽江淮汽車股份有限公司，安徽 合肥 230000）

摘要：通過有限元分析方法，建立整車碰撞有限元模型，參照C-NCAP試驗標準進行整車正面40％偏置碰撞仿真，根據仿真結果分析得出車體結構存在的問題，對車體結構進行優化，優化后整車正面40％偏置碰撞性能得以提升，從而有效保障車輛安全性能。

關鍵詞：有限元分析方法；40％偏置碰撞；結構優化

10.16638/j.cnki.1671-7988.2016.05.004

CLC NO.: u462.2Document Code: AArticle ID: 1671-7988(2016)03-05-84-04

前言

據相關統計，在汽車碰撞引發的交通事故中，汽車正面碰撞事故是最常見也是造成死亡人數最多的。因此，汽車正面碰撞安全性研究已經成為進行汽車結構安全設計的一項重要內容。目前，國內法規和C-NCAP主要通過正面100％剛性壁碰撞和40％偏置可變形壁障碰撞對車輛進行試驗評價。兩種試驗的碰撞形態和對乘員的傷害機理不同。正碰時，車身前端全部參與碰撞，在巨大的沖擊慣性力作用下，車體剛度大，沖擊加速度峰值大，對頭部、胸部的沖擊傷害往往造成乘員死亡。與乘員傷害指標息息相關的因素主要是約束系統，因此，正碰試驗主要側重于對約束系統的評價。而40％偏置碰撞主要評價安全車身結構，考核車身侵入方式對乘員造成的傷害。偏置碰撞時，車輛前端只有一側主要參與能量吸收，該碰撞形態下車身變形大，乘員室的嚴重侵入會造成乘員的致命傷害。根據事故車輛不同碰撞重疊率的乘員傷亡分布情況可知.重疊率為30％～40％的事故中乘員嚴重受傷率最高。而40％偏置碰撞試驗能夠較好地模擬該重疊率的交通事故。因此，進行正面40％偏置碰撞安全性的研究，對減輕交通事故中人員的傷亡具有非常重要的意義。

在車型開發過程中，車體的結構設計是車輛安全的基礎。本文基于碰撞仿真技術對某車型64 km/h偏置碰撞性能進行分析與評估，提出優化方法，切實可行地提升了車身結構的偏置碰撞性能。

1、有限元模型的建立

采用Hypermesh作為前處理建模軟件，直接導入CAD模型進行整車建模。整車模型的輸入內容包括白車身、四門兩蓋、懸架系統、轉向機構、動力總成、散熱系統等主要結構件，其中發動機和變速箱作為剛體考慮。整車模型總質量1.63t，網格劃分尺寸8mm，最小網格尺寸2.5mm，網格最大翹曲角度15度，最小雅克比0.6，共計1242866個節點、2372214個單元。

2、整車仿真模型的計算檢查

仿真模型完成后，經過多次計算、模型調試與校正，確定模型的正確性和可靠性。仿真結果的真實性和準確性，可以通過定量的方法進行評價。定量評價主要集中在整車碰撞能量變化曲線和質量增加比例的分析上，如果整個模型的沙漏能占總能量的比例在10％以內，質量增加不超過總質量的5％，那么模型計算精度可得到保證。

圖1　正面40％偏置碰撞能量曲線

表1　質量增加數據

從圖1中曲線可以看出，在發生碰撞的初始時刻，由于汽車的動能較大，在很短的時間內形成極高的沖擊力，產生的應力遠遠大于材料的屈服應力，因而形成較大的塑性變形。隨著碰撞過程的推進，車輛的動能大部分轉化為系統的內能。但由于汽車在碰撞的最后階段發生了回彈，所以動能并沒有降為零，而是保持在10 kJ左右。在整個碰撞過程中出現了很少沙漏能，幾乎為零。同時，由表1可以看出，質量增加比例為0.9％，遠小于5％的評價要求。所以足以說明該仿真符合汽車正面偏置碰撞規律，計算結果準確有效。

3、整車模型64km/h偏置碰撞仿真分析

參照C-NCAP試驗標準，車輛以64km/h的速度與可變形壁障發生40％重疊率的偏置碰撞，可變形壁障右側表面偏移車輛中心線約10％的車輛寬度，建立圖2所示整車仿真模型。

圖2　正面40％偏置碰撞有限元模型

碰撞通過LS-DYNA進行仿真計算，碰撞發生后，變形順序依次為前防撞梁、吸能盒和縱梁，前艙吸能變形完畢后將能量傳遞到A柱、前圍及乘員艙，整車發生甩尾，直至碰撞結束，整車變形圖如圖3所示。

圖3　正面40％偏置碰撞整車變形圖

經過局部分析，發現車體結構存在以下問題：1）吸能盒吸能不充分，左縱梁前端變形不充分，后端變形較大，抵抗變形能力偏弱，如圖4①所示；2）A柱上部發生折彎，如圖4②所示；3）A柱中部變形嚴重，如圖4③所示；4）前地板下縱梁變形嚴重，如圖4④所示。

圖4　正面40％偏置碰撞前艙、A柱、前地板下縱梁變形圖

上述四點導致乘員艙防火墻C區入侵量達到142mm，超過120mm目標值，如圖5和表2所示。

圖5　正面40％偏置碰撞防火墻入墻量圖示

表2　防火墻入侵量數據

左B柱下部加速度超標，達到46g，超過42g目標值，如圖6和表3所示。

圖6　左、右B柱下部加速度數據曲線

表3　左、右B柱下部加速度數據

4、優化方案

針對上述問題，需對車體結構進行優化設計，經過多方案對比分析，采用以下措施能夠取得較好的改善效果。

1）針對偏置碰撞中吸能盒和左縱梁變形不理想的問題，對其進行結構和材料改進，如圖7所示。

圖7　吸能盒和左縱梁結構優化示意圖

吸能盒位于前保險杠骨架與前縱梁之間，其主要作用是在發生碰撞時利用充分的變形來吸收能量，從而保護前縱梁不至于發生太大變形，并降低發艙內重要部件的損壞程度。在優化方案中，將吸能盒的原材質B340/590DP改為B250P1，這樣可以弱化吸能盒強度，使吸能盒在碰撞過程中充分利用結構變形更好的吸收碰撞能量，從而對前縱梁起到更好的保護作用。

同時，因為左縱梁前端變形不充分，后端變形較大，說明后端抵抗變形能力較弱。所以，在優化方案中，新增左縱梁前加強板B340LA-1.2t和左縱梁后加強板B340LA-1.6t，起到加強后端，讓前端發生變形吸能的效果。

2）針對A柱上部彎折，經詳細分析，發現彎折點在A柱加強板搭接邊避讓缺口處，優化方案為在避讓缺口處新增盒狀加強件B410LA-1.8t，與A柱加強板焊接，從而避免彎折變形，將碰撞能量有效傳遞，如圖8所示。

圖8　A柱上部加強件優化方案

針對A柱中部變形嚴重，導致碰撞能量不能有效傳遞的問題，解決措施是加強變形區域處的結構，減小其變形甚至不變形。具體方案為延長左前門下鉸鏈固定加強板B410LA-1.2t搭接邊100mm，同時新增左A柱中內板加強板B340LA-2.0t，這樣的結構設計可使其搭接部分更充分，在碰撞過程中能更好的進行碰撞能量的吸收和傳遞，如圖9所示。

圖9　A柱下端變形優化方案

針對前地板下縱梁變形嚴重的問題，改進方案是延長前地板下縱梁加強板至發艙縱梁后段，有效傳遞碰撞能量；同時在前地板下縱梁后段增加加強板，避免彎折變形，如圖10所示。

圖10　前地板下縱梁變形優化方案

5、優化方案結果評定

根據上述優化方案進行整車偏置碰撞仿真計算，并與優化前計算結果對比。

由圖11和表4可以看出，優化后防火墻C區入侵量降至119mm，達到目標值要求，從而保證駕駛員在碰撞過程中，腰部以下免受踏板、

內飾件等相關零件侵入造成二次損傷。

圖11　優化后正面40％偏置碰撞防火墻入墻量圖示

表4　優化前后防火墻入侵量數據

圖12　左、右B柱下部加速度數據曲線

由圖12和表5可知，左B柱下部加速度峰值降至40.3g，達到目標值要求。同時，優化后的加速度曲線較優化前平滑，說明經過優化，汽車前部能夠按照一定的變形順序進行吸能，優化效果較好。

表5　優化前后左、右B柱下部加速度數據

6、結論

文章闡述了某車型正面40％偏置碰撞仿真分析中出現的問題及原因，并對車體結構進行優化設計。通過弱化吸能盒內外板，加強左縱梁后段結構，優化A柱內板與加強板結構，增強各件之間連接，以及優化前地板下縱梁內部結構，從而使防火墻入侵量超標、左B柱下部加速度超標等問題得到明顯改善，為車內乘員提供了一個更加安全舒適的環境，在一定程度上提高了該車的安全性能。

參考文獻

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

Simulation analysis and vehicle body structure optimization of a vehicle front 40％ offset impact

Zhang Kun
( Anhui Jianghuai Automobile Co., Ltd., Anhui Hefei 230000 )

Abstract:Through the finite element analysis method, to establish the finite element model of vehicle collisions. In accordance with the requirements of the C-NCAP test of vehicle front 40％ offset impact simulation, according to simulation results analysis we can get the body structure of the existing problems, on the body structure is optimized, the optimized vehicle front 40％ offset touch crash performance can be improved, so as to effectively safeguard the vehicle safety performance.

Keywords:finite element analysis method; 40％ offset impact; structure optimization

中圖分類號：U462.2

文獻標識碼：A

文章編號：1671-7988（2016）05-84-04

作者簡介：張焜，助理工程師，就職于安徽江淮汽車股份有限公司。從事乘用車車體設計工作。