某A級車基于2018CNCAP側面碰撞性能改進

劉盼+夏湯忠+謝佑清+李徑亮+陳道林

摘 要：根據2018CNCAP草案及2012CNCAP，進行某A級車側面碰撞性能的對比分析，通過側面結構的侵入量、侵入速度的對比分析，明確該車型2018CNCAP側碰性能水平。并結合CAE分析及試驗結果，進行相關性分析，在相關性良好的整車模型基礎上，開展基于側面結構及材料的優化設計，確保乘員生存空間及乘員艙侵入速度滿足項目要求。

關鍵詞：2018CNCAP；AEMDB；側面碰撞； 對標； 結構改進

中圖分類號：U467.1+4 文獻標識碼：A 文章編號：1005-2550（2017）01-0065-05

The Performance Improvement of Sidecrash of one A Class

Based on 2018 CNCAP

LIU Pan， XIA Tang-zhong， XIE You-qing， LI Jing-liang，CHEN Dao-lin

（Dongfeng Peugeot Citroen Automobile Company LTD， Wuhan430056， China ）

Abstract： The side crash performance of the A class car is comparatively analyzed according to the 2018CNCAP draft and 2012CNCAP. The status of the side crash performance under 2018 CNCAP is gotten by comparing the intrusion deformation and velocity. Also correlation is done combined CAE and test results. The model with good correlation is set as the base， the structure and the material of the side parts are optimized， in order to ensure the living space and the intrusion velocity required by the project.

Key Words： 2018CNCAP； AEMDB； Side Crash； Correlation； Structure Improvement

劉 盼

畢業于同濟大學，碩士研究生學歷，現任神龍汽車有限公司工程師，主要研究方向為車身結構與碰撞安全性。

1 引言

汽車側面碰撞發生在車體中強度薄弱的部位，碰撞發生時緩沖區域小，沒有足夠的變形空間來吸收碰撞能量[1-3]，乘員艙過大的侵入是造成乘員傷害的主要原因，所以抗側面碰撞設計必須以減小乘員艙侵入、維持乘員生存空間為重點。同時車門與乘員接觸時的動量越大，在撞擊乘員過程中其動量的變化率越大，因此對乘員胸部和骨盆的撞擊力也越大。此時，乘員的側向加速度也會越大，這又會加重對乘員胸部、頭部和頸部的傷害。因此，為了減輕側碰過程中假人的傷害，應當減小側面結構對乘員艙的侵入速度。

據天津汽研中心的統計數據，中國采用MDB進行車輛側面碰撞性能考核，CNCAP側面碰撞的平均得分率97.1%，平均得分17.5分。在這種情況下，中國政府希望提高整車側面碰撞性能，在中國2018 CNCAP擬引入AEMDB大壁障進行側面碰撞試驗。相比2012 MDB，可變形壁障空間尺寸、蜂窩鋁材料剛度、壁障重量、壁障距地面線高度均進行了調整。

本文基于一款A級短軸距、低地板車型開展2012CNCAP和2018CNCAP側碰性能的對比分析，以側面結構的侵入量及侵入速度為研究重點。根據對比分析結果，明確原型車在新的CNCAP規則下的性能水平，并根據整車及各總成的變形模式、侵入速度、力流傳遞分布，在項目邊界及QCDP限制條件下進行原型車結構及材料優化， 在B柱等關鍵區域引入高強度鋼的應用，如采用B柱熱成型加強板等措施，來提升車身結構側碰性能。

2 2018CNCAP對側面碰撞性能影響

2.1 2018CNCAP側面試驗邊界變化

2018CNCAP擬引入基于ENCAP的可變形壁障AEMDB。壁障的重量、尺寸、離地高度、相對車身的碰撞中心點相對2012CNCAP均發生較大變化。表1對比分析關鍵參數的變化情況：

2.2 研究車型壁障空間位置對比

從圖1、圖2不同側碰壁障空間位置的對比可以看出：2018 AEMDB的碰撞中心后移，使車身B柱承擔了更多的沖擊載荷和能量，同時也使C柱區域車身結構抗側撞性能的要求提高。

壁障撞擊點的位置提高，使得壁障與門檻梁重疊率變小，而且開發車型為車身姿態較低的三廂轎車，所以門檻不直接承受AE-MDB移動壁障的沖擊。門檻主要承受來自中立柱的力和彎矩，為了達成車體目標，需要控制門檻的折彎量與翻轉角度。

2.3 對車身結構性能的影響

1） 對中立柱、車門侵入速度對假人傷害的影響：

中立柱在對應假人胸部位置的侵入速度是影響肋骨變形量和背板力的一個重要指標，中立柱的侵入速度等于車體的平移速度加上中立柱自身的相對侵入速度。側面碰撞過程中，移動壁障與碰撞車發生動量交換，最終在某個時點以相同速度移動，該過程近似于滿足動量守恒定理。設m為移動壁障質量，M 為試驗車質量，V0 為移動壁障初始速度，V1 為壁障與試驗車的共同速度，按M=1330kg，根據動量守恒定理，移動變形壁障質量的增加，導致碰撞后臺車與試驗車輛的共同速度也會增加，從下表可以看出V1 增加22%。

mv0=（M+m）V1 （1）

其中：

m -- 移動壁障質量；

M --試驗車質量；

v0 --試驗初速度；

V1--試驗車與壁障的共同速度

表2 由動量定理計算整車平移速度

變形的車體通過內飾與約束系統（車門飾板、側氣囊和氣簾等）推動假人，使假人與內飾與約束系統之間產生力的傳遞和動量交換而使假人傷害值相對2012增加。

2） 車體侵入量對假人生存空間的影響：

AE-MDB相比CNCAP 2012版壁障，因壁障增重導致初始動能增大，同時壁障剛度提升，在車體強度等同的情況下，AE-MDB引起的車體侵入變形量會更大，假人的生存空間更小，而使假人的傷害指標更加嚴重

3 2012MDB與2018AEMDB碰撞仿真分析結果對比

3.1 側碰變形模式對比

對兩種壁障下的碰撞變形模式進行對比分析，可以看到2018 CNCAP下車身B柱侵入量增加明顯，B柱根部與門檻反轉嚴重，C柱區域的變形增量明顯，頂蓋中橫梁變形增加。B柱侵入量平均增加27%，C柱區域根部對應假人臀部區域變形增加200%。

從車門變形對比圖可以看出，采用2018大壁障進行側碰計算分析，車門侵入量較2012增量較大。B柱、車門侵入量的增加會導致假人胸部、腹部的傷害增加，假人得分降低。

3.2 碰撞侵入速度對比

對B柱、前車門、后車門相對假人胸部、腹部、臀部的關鍵點的侵入速度進行對比分析，2018 CNCAP側碰侵入速度顯著提高，前排假人胸部及腹部入侵速度平均提高近30%，后排假人臀部的入侵速度增加27%。根據行業對侵入速度的要求，目前2018 規程下的入侵速度無法滿足項目對側碰性能要求。從乘員保護角度，減小B柱、車門侵入速度是該款車型亟待解決的問題。

4 2018 AEMDB 計算分析與試驗相關性分析

4.1 變形模式

對側面碰撞后的整車的整體變形模式進行仿真與試驗的對比分析，對側面關鍵區域包括門檻、車門、C柱及頂蓋變形位置及變形模式進行對照，見圖7，整體變形模式相關性良好。

試驗過后，對試驗車進行逐步拆解來檢查車體主要部分結構的變形模式，通過與有限元對標模型計算仿真結果的變形模式比較，可以更加清晰的體現出有限元對標模型仿真分析計算所得出的車體結構變形模式與試驗是否保持一致。從圖8車身B柱變形模式有限元仿真與試驗的比較，可以看出B柱上及B根部的變形模式二者具有良好的一致性

4.3 碰撞側B柱速度、加速度相關性

在試驗及仿真分析中，通常在車身B柱根部及假人關鍵部位對應區域設置加速度計，其中B柱根部的加速度近同于整個車體的加速度，常作為衡量整車特性的一個重要指標。B柱中部的加速度計對應假人腹部或胸部的位置，常作為衡量在側碰中對假人傷害的指標。本文針對B柱根部加速度及B柱中部速度進行相關性分析。從曲線整體趨勢及峰值看，試驗與仿真有良好的相關性。

5 結構優化建議及方案

5.1 結構優化建議

由于車身側面碰撞時允許的變形空間小，因此，車身側面結構的碰撞安全性設計原則是：提高側面結構的抗撞擊強度，減小碰撞凹陷變形，保證座艙的完整性及生存空間[4-5]。針對大壁障下的側面性能的改進，可以從碰撞載荷力流傳遞的角度進行優化分析：

1） 合理設計座艙的梁框架結構，將側向撞擊力有效地轉移到車身結構上具有承載能力的梁、柱、門檻、地板、車頂及其他構件上

2） 加強車門強度，如設置車門橫向防撞加強梁，通過優化防撞梁的位置確保碰撞載荷有效地傳遞到鉸鏈柱及C柱；同時要優化車門鉸鏈及門鎖設計，使車門抗撞梁與車身結合為一體。

3） 因大壁障的抬高，壁障撞擊點提高導致側碰中門檻失穩變形。針對該問題首先解決門檻翻轉問題，通過優化B柱下接頭的設計，將碰撞載荷有效地傳遞到門檻梁，為達到項目對側面性能的要求，必須推進B柱熱成型材料的應用，推進高強度鋼板在車身的應用；

4） 加強地板中部的地板通道，提高車身抗彎強度；

5） 加強頂蓋中橫梁及頂蓋弧形梁的抗彎強度，確保碰撞載荷在Y向的有效傳遞，

6） 提高C柱區域抗彎截面。

5.2 結構優化迭代

根據側面碰撞理論、載荷路徑及該車的項目邊界，通過多次優化迭代對比分析，分別從下面幾個方面進行改進：

1） B柱結構的加強

B柱作為主要的抗側碰結構，提高其抗彎矩強度主要靠提高各截面慣性矩和相關材料的強度來達成。如何優化截面特性需要根據中立柱變形模式（折彎點在高度方向上的位置、各關鍵區域的侵入量和侵入速度）來展開優化設計。從有利改善傷害值的角度看，中立柱在下端折彎為佳，如果在上、中部，會嚴重影響假人頭、胸部關鍵區域的傷害值得分。

因此本優化方案在斷面大小已經固定的邊界條件下，更改了原B柱加強板材料以及結構尺寸和形狀，在大幅提升各截面慣性矩的同時，將結構強度性能進行了大幅提升。

2） 優化車門防撞桿的結構、材料及安裝點高度

車門防撞桿在側碰過程中主要限制車門的侵入量和侵入速度。一般要布置在移動壁障突出的塊所接觸的區域，要有足夠的彎矩和強度來抵抗侵入變形。

因此本優化方案結合B柱加強方案，對原車型車門防撞桿結構、材料及安裝點高度進行了優化，提升了車門區域的侵入量和侵入速度碰撞性能。

3） 加強座椅橫梁

地板座椅橫梁，在側碰變形過程中給門檻梁提供側向的支撐，同時抑制門檻結構的翻轉。

因此本優化方案結合B柱加強方案，對原車型座椅橫梁結構、材料及安裝點位置進行了優化，提升B柱、車門區域的侵入量和侵入速度碰撞性能。

4） 頂蓋中橫梁

頂蓋中橫梁不直接承受移動壁障沖擊，主要承受中立柱傳遞的力和彎矩，并給中立柱上端有效的支撐并將力傳遞到非碰撞側的車身結構。

為了獲得良好的B柱變形形態，本優化本優化方案結合B柱加強方案，對原頂蓋中橫梁采用高強鋼并增加料厚的簡單方式進行結構性能優化來控制B柱上端的變形。

通過以上各優化改進設計，使車身B柱變形模式相對合理， B柱根部翻轉問題得到解決，車門及B柱侵入量大幅減小，侵入速度滿足項目要求的目標。

6 總結

1） 本文通過對2012CNCAP與2018 CNCAP的計算、實驗對比分析，獲得了在2018 CNCAP的規則下，某A級車的側面碰撞性能水平及風險點。

2） 通過對相同邊界條件下的整車側碰CAE及試驗結果進行相關性分析，來提高仿真分析模型的可信度，為優化改進方案的確認提供可靠的保障。

3） 根據側面碰撞理論、載荷路徑及該車的項目邊界，通過多次優化迭代對比分析，給出可行的改進方案，并取得較好效果。

4） 已經開展的分析工作是在不考慮約束系統的前提下，對車體開展優化改進。下一步需要開展帶約束系統的整車碰撞性能分析工作。

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