基于不同新車評價規程的側面碰撞仿真分析

胡遠志，鄒緣良，劉 西，欒 天

(重慶理工大學 汽車零部件先進制造技術教育部重點實驗室， 重慶 400054)

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基于不同新車評價規程的側面碰撞仿真分析

胡遠志，鄒緣良，劉 西，欒 天

(重慶理工大學 汽車零部件先進制造技術教育部重點實驗室， 重慶 400054)

基于不同的側面碰撞評價規程,選取某國產SUV(運動型多用途汽車)為研究對象，建立側面碰撞模型，并對模型的可靠性進行驗證。在不同新車評價規程的側面碰撞仿真中對車體的表現形式進行對比分析，找出車體的薄弱區域，針對不同的薄弱區域對車體主要承力部件從結構、材料、板厚和布置方式等方面進行優化，從而提升了車體側面碰撞的耐撞性能。

側面碰撞；可靠性；耐撞性能

隨著中國自主品牌乘用車研發技術的提高，為擴大市場、提升銷量和增加利潤，出口已經成為各汽車廠商討論的熱點話題。在發生汽車碰撞的交通事故中，約有30%[1]為側面碰撞引起的，僅低于正面碰撞引起的交通事故，但其對車體和乘員造成的損害卻相對嚴重。文獻[2]研究表明：由側面碰撞引起的傷亡事故占嚴重傷亡事故的35%。因此，有必要針對不同國家的側面碰撞評價規程對車體的側面耐撞性能進行研究。文獻[3]將整車側面碰撞區域分為6個分區，通過改變材料厚度和提高材料屈服強度的正交優化方法來提高車輛側面結構抗撞性能，并得到各分區剛度的匹配情況和分區剛度與乘員傷害指標的關系。文獻[4]將超高強熱沖壓成型鋼應用于B柱加強件中，進行了整車有限元側面碰撞仿真，對比了3種試驗級別的超高強熱沖壓成型鋼材的性能。文獻[5]分析了各國新車評價規程的歷史、基本特點和發展趨勢，分別從試驗形態、碰撞速度、假人安放、評價指標等角度對比了正面碰撞、側面碰撞、翻滾試驗、主動安全輔助裝置以及總體評價的情況。

本文通過搭建可靠的側面碰撞模型，根據中國新車評價規程(China new car assessment program,C-NCAP)，把仿真結果與真實試驗數據進行對比，驗證仿真模型的可靠性，再根據歐洲新車評價規程(European new car assessment program,Euro-NCAP)和美國高速公路安全保險協會(insurance institute for highway safety,IIHS)評價規程設置邊界條件，得到側面碰撞的仿真結果。對B柱侵入量、B柱侵入速度、車門侵入量和車門侵入速度進行對比分析，然后針對不同的側面碰撞評價規程分別對車體薄弱區域進行優化，完成同一車型在不同評價規程下的表現研究。

1 C-NCAP、Euro-NCAP和IIHS評價規程的差異對比

在側面碰撞中，選取中國、歐洲、美國三個國家和地區的典型碰撞安全評價規程(C-NCAP、Euro-NCAP和IIHS評價規程)進行對比。由于美國新車評價規程(US-NCAP)中規定的側面可移動壁障碰撞要求壁障的車輪與被撞車輛成28°的夾角，而C-NCAP、Euro-NCAP、IIHS規程下都是垂直撞擊，所以本文選取了IIHS評價規程。3種側面可移動壁障的差異如表1所示。

表1 側面可移動壁障對比

3種側面碰撞評價規程下的碰撞速度都為50 km/h，壁障前端蜂窩鋁結構的應力強度沿變形主方向變化，強度較小部分的位于結構前端，壓縮過程中依次產生變形。采用階梯式和斜坡式兩種建模方法，分別模擬“多層結構”和“漸進結構”[6]。其中：基于2015版C-NCAP下的側面可移動壁障質量為950 kg；基于2015版Euro-NCAP下的側面可移動壁障質量為1 300 kg；基于IIHS評價規程下的壁障質量為1 500 kg。前兩者壁障蜂窩鋁的高度相同，而后者的壁障縱向高度更高，發生碰撞時會與B柱中上端直接接觸。

2 基于C-NCAP的側面碰撞模型驗證

在HyperMesh軟件中搭建基于C-NCAP的整車側面碰撞模型,如圖1所示，然后在LS-DYNA中進行計算，最后在HyperView和HyperGraph中分析計算結果。

整車側面可移動壁障碰撞過程極其復雜，碰撞模型中不同部件的受力形式和變形過程也各不相同。總能量響應特性可用于驗證模型的可信性和評估車身結構的耐撞性，所以在進行仿真分析前一定要對模型的可信性進行評估[7]。

圖1 側面碰撞模型

側面碰撞仿真分析能量變化如圖2所示。該車型總能量J=91.6 kJ，沙漏能和滑移能幾乎為0，總能量曲線全程基本不變，能量轉化平穩、正常。質量增加約為15.2 kg，遠小于總質量的5%。綜上所述，本次側面碰撞仿真分析結果的可信性滿足要求。

圖2 能量和質量曲線

側面碰撞仿真結果與試驗結果對比如圖3所示，可見在B柱、門檻梁和車門等關鍵部位的褶皺位置和凹陷深度等變形都大致相同。

圖3 側面變形對比

在B柱內板選取7個測量點，如圖4所示，分別對應假人頭部、肩部、肋骨(上)、肋骨(中)、肋骨(下)、腹部和髖骨。同時，在前車門內板選取6個點，分別對應假人肩部、肋骨(上)、肋骨(中)、肋骨(下)、腹部和髖骨。仿真出這些點的侵入量并與試驗的侵入量進行對比分析，結果如表2、3所示。所有仿真測量點與試驗測量點的誤差范圍都在15%以內，說明仿真結果能真實反映車體側面碰撞的力學性能，模型真實可靠。

圖4 測量點位置

3 不同評價規程下的對比仿真分析

3.1 B柱侵入量和侵入速度對比分析

在整車模型中，B柱是連接頂棚和下車體的重要部件，直接影響整車的側面結構耐撞性，決定了乘員的安全性[8]。B柱的變形和侵入量決定了乘員的生存空間。侵入速度是乘員二次碰撞接觸速度的直接體現，決定了二次碰撞速度的大小[9]。

表2 B柱測量點侵入量

表3 車門測量點侵入量

選取B柱上相同的7個測量點，對比3種碰撞評價規程下B柱侵入量,結果如表4所示。在基于C-NCAP和Euro-NCAP工況下的側面碰撞仿真分析中，B柱的下部侵入量較大。而在IIHS工況下，B柱整體侵入量過大，是前兩種工況下侵入量的2倍以上，說明此款車型的B柱不適用于IIHS工況的沖擊。

對比分析3種碰撞評價規程下B柱侵入速度，結果如表5所示。在基于C-NCAP和Euro-NCAP的側面碰撞仿真分析中，除假人頭部對應B柱的測量點外，其他5個點的變化趨勢相同，大約在0.042 s左右達到最大值，假人髖骨對應B柱的測量點速度最大。而在IIHS的側面碰撞仿真分析中，假人頭部、肩部和髖骨對應B柱的測量點出現了突增、突減現象，假人頭部對應B柱的測量點在0.050 s時達到速度最大值。相對而言，在C-NCAP和Euro-NCAP側面碰撞中，該車型的B柱下部侵入速度大，而在IIHS側面碰撞中，該車型的B柱整體的侵入速度過大，使得B柱相對運動過快，對乘員安全造成嚴重威脅。

表4 B柱侵入量對比

3.2 車門侵入量和侵入速度對比分析

在側面碰撞中，車門作為保護乘員安全的重要屏障，如果車門的剛度、強度不足將導致其侵入量和侵入速度迅速增加[10]，影響乘員的生存空間。如果車門侵入速度過大，將會對乘員的胸部、腹部和骨盆造成嚴重的沖擊。所以，把車門的侵入量和侵入速度限制在一個可控范圍至關重要。

對3種工況下的側面碰撞仿真結果進行整理，選取車門上相同的6個測量點進行侵入量對比分析，結果如表6所示。每種工況下的6個測量點的侵入量曲線隨時間變化平穩、無突增突減，且整體變化趨勢相同。但由于IIHS工況更惡劣，因此該工況下車門的侵入量比C-NCAP和Euro-NCAP工況下車門的侵入量大很多。

表5 B柱侵入速度對比

對比車門侵入速度，結果如表7所示。在C-NCAP工況下，假人腹部和髖骨對應車門內板測量點的侵入速度在0.032 s左右達到最大值8.9 m/s。在Euro-NCAP工況下的側面碰撞中，6個測量點的侵入速度曲線變化平穩，趨勢相同，在0.040 s左右達到最大值9.0 m/s。在IIHS工況下，車門侵入速度曲線變化不平穩，趨勢也不盡相同，其中假人肩部、腹部和髖骨對應車門的測量點出現了突增、突減現象，假人髖骨對應車門內板的測量點在所選的所有測量點中速度最大，達到12.3 m/s。

表6 車門侵入量對比

4 不同評價規程下的優化方案

為滿足不同國家的評價規程，同時考慮制造成本，采用針對一種設計的不同優化方案疊加法來優化側面碰撞結構。

4.1 B柱優化

拆解B柱各主要板殼件，其材料、屬性如圖5所示。位置2處上下兩塊加強板由激光拼焊連接在一起，位置5處的加強件由上下拼接的兩塊較薄的內板搭接而成，其下板孔的尺寸為130 mm×200 mm，會降低B柱的剛度。

表7 車門侵入速度對比

圖5 B柱分解圖

結合仿真分析的3種碰撞評價規程下B柱的薄弱區域，分別對B柱進行改進，優化方案如圖6所示。方案1增加B柱內板的厚度，方案2向下延長B柱加強件的長度，方案3改變B柱加強板的形狀，方案4對B柱內板下端的孔進行填充。

針對C-NCAP的優化方案，選取方案1和4，只需要對B柱的下端進行加強，其中方案1只增加下內板b的厚度，由原來的1.5 mm增加到1.8 mm。

針對Euro-NCAP的優化方案，選取方案1、2和4。其中方案1只增加下內板b的厚度，由原來的1.5 mm增加到1.8 mm。

在IIHS工況下的側面碰撞優化方案中，選取方案1～4進行優化。方案1中增加B柱上板a的厚度，由原來的1.8 mm提高到2.2 mm，下板b厚度由原來的1.5 mm提高到2.0 mm。

圖6 B柱優化方案

4.2 車門優化

在3種側面碰撞工況下，只有IIHS工況下的壁障前端與車門的大部分直接接觸，造成車門大面積變形，對乘員的生命安全造成威脅，而其他兩種工況都是間接導致車門內板侵入量過大，因此只針對IIHS工況下的側面碰撞進行車門結構的優化。車門結構如圖7所示。

圖7 車門結構

IIHS側面碰撞中，壁障對車門過大沖擊是造成車門大面積變形的主要原因，需對車門進行優化。如圖8所示，主要采取兩個優化方案:方案1在前門和后門的上部各增加一根防撞橫梁，并改變內板的厚度,前門和后門的內板都是由兩塊內板拼接而成，左內板厚度為1.2 mm，右內板厚度為0.8 mm，把左內板的厚度增加到1.4 mm，右內板的厚度增加到1.2 mm;方案2改變車門內板加強筋的形狀。

4.3 優化結果對比分析

優化結果如表8～11所示。在C-NCAP和Euro-NCAP工況下的側面碰撞仿真分析中，B柱和車門的侵入量和侵入速度都有明顯降低，曲線走勢更加平緩。在IIHS工況下的側面碰撞仿真分析中，B柱的侵入量在0.068 s時達到最大，之后侵入量逐漸減小，較之前相比得到顯著改善，出現了回彈現象，可更好地保護乘員的安全。B柱的侵入速度在0.038 s達到最大，之后緩慢減小，不再出現突增突減現象。

圖8 車門優化方案 表8 優化后B柱侵入量對比

C-NCAPEuro-NCAPIIHS

表9 優化后B柱侵入速度對比

表10 優化后車門侵入量對比

表11 優化后車門侵入速度對比

結合文獻[11]的研究成果可見：側面結構侵入速度在8 m/s以下,可以顯著減輕對乘員的傷害。該車型的優化結果基本滿足了C-NCAP和Euro-NCAP工況安全性能要求。對于IIHS工況，在以上優化方案的基礎上，需繼續通過增加車門防撞橫梁、改變車門內板局部形狀、增加內板厚度等方法來提升車體側面碰撞耐撞性能。

5 結束語

根據真實側面碰撞試驗提取試驗數據，并與仿真數據進行對比分析，驗證模型的有效性。依據3種不同評價規程分別對B柱侵入量、B柱侵入速度、車門侵入量和車門侵入速度進行對比分析，完成同一車型在不同評價規程下的表現研究。針對不同的評價規程分別對車體的B柱和車門薄弱區域提出優化方案，提高了整車側面碰撞的耐撞性能。該研究結果對于開發一款同時滿足中國、歐洲、美國不同評價規程的車型具有一定的參考意義。

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[3] 胡玉梅,姜亞洲,禹慧麗，等.轎車側面碰撞乘員艙分區剛度優化與匹配研究[J].汽車工程,2014(8):950-956,949.

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[5] 劉玉光,劉志新.各國新車評價規程(NCAP)測試評價技術的現狀與發展[J].汽車安全與節能學報,2013(1):16-22.

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[11]張學榮,蘇清祖.側面碰撞乘員損傷影響因素分析[J].汽車工程,2008(2):146-150.

(責任編輯 劉 舸)

Simulation Analysis of Side Impact for Different New Car Assessment Programs

HU Yuan-zhi, ZOU Yuan-liang, LIU Xi, LUAN Tian

(Key Laboratory of Advanced Manufacturing Technology for Automobile Parts,Ministry of Education, Chongqing University of Technology, Chongqing 400054, China)

Based on the different side impact assessment rules, a SUV (Sport Utility Vehicle) was selected as the simulation object. The models of side impact were established and the reliability of the models was verified. Based on the different side impact for new car assessment programs, the vehicle was analyzed to get the weak areas. In order to optimize the performance of vehicle body side impact, the improvement of structure, material, thickness and arrangement of main bearing part in the side walls in different weak regions have been put forward.

side impact; reliability; collision resistance

2016-12-18

國家自然科學基金資助項目(51405050)；2015年重慶市重點產業共性關鍵技術創新專項(cstc2015zdcy-ztzx60010)；2015年重慶市基礎與前沿研究計劃資助項目(cstc2015jcyjA00048)；2015年重慶市高等教育教學改革研究資助項目(152032)；2013年重慶市科技人才培養計劃資助項目(cstc2013kjrc-qnrc60002)；2012年汽車零部件先進制造技術教育部重點實驗室開放課題資助項目(2012KLMT08)

胡遠志(1977—),男,湖南人,博士,教授,主要從事汽車主被動安全研究，E-mail:yuanzhihu@cqut.edu.cn；通訊作者 劉西(1977—),女,四川人,博士,副教授,主要從事汽車主被動安全、人機工程研究，E-mail:liuxi@cqut.edu.cn。

胡遠志，鄒緣良，劉西，等.基于不同新車評價規程的側面碰撞仿真分析[J].重慶理工大學學報(自然科學)，2017(4):1-9.

format：HU Yuan-zhi, ZOU Yuan-liang, LIU Xi, et al.Simulation Analysis of Side Impact for Different New Car Assessment Programs[J].Journal of Chongqing University of Technology(Natural Science)，2017(4):1-9.

10.3969/j.issn.1674-8425(z).2017.04.001

U467.1+4

A

1674-8425(2017)04-0001-09