探究基于局部結構改進的車身正面碰撞安全性

李赟元　李寧　羅亞東　曾鳳

摘要：輕量化設計是當前汽車生產企業促進自身進步和發展的致力方向，其主要內容是指在原車型的基礎上進行設計改造，從而科學性地減輕車身前端部分的重量。為不斷提高汽車整體的安全可靠性，各汽車生產企業應通過調整車身邊梁壓潰誘導槽結構等方式，進一步強化其碰撞安全性，以提高整個車身的綜合性能。

關鍵詞：局部結構；改進；車身正面碰撞；安全性

1.引言

隨著科學經濟的發展，汽車這一交通工具的出現給人類的日常生活帶來了極大的便捷性，也正因如此，使得不斷強化汽車的安全性成為了各相關學者和專家一直以來致力研究的一個重要課題。當汽車發生碰撞時，其車身會自動吸收大部分因碰撞所產生的能量，能在一定程度上確保汽車以及駕駛者的安全。近年來，車禍事件頻頻發生，屢見不鮮，許多人也因此而失去了生命。因此，通過進一步改進車身正面碰撞安全性等方式來不斷增強汽車整體構造的安全性很有必要。本文就基于局部結構改進的車身正面碰撞安全性進行深入性的探究，現作如下相關總結。

2.車身輕量化方案分析

前艙、側圍、下車體和后端板等是車身的主要構成部分，但實際上，對車身正面碰撞性能起決定性作用的主要是前艙、側圍、下車體和后端板這幾個部分。車身證明碰撞的折彎和壓潰等方式會在很大程度上受到其發動機邊梁結構形式的影響，而車身發生正面碰撞時的力傳遞路徑則受到其前艙的前大梁結構以及側圍和下車體的影響。車身各板結構不僅能對其前端碰撞力產生傳遞作用，同時還會對其震動特性產生一定的影響。

本文用以研究車型的原型為現代某小轎車車型。企業在生產開發時首先將該款車型定義為2驅雙F車型，需在其原有設計的基礎上對其進行相應的改造，以達到該車型設計的最終要求。

下列圖1為該車型的前艙構造，在此之中，A結構屬于前減振器強化部分，其主要由高強鋼板（厚度：1.8毫米）腔體結構組成，可在一定程度上控制車身扭轉剛度和正面碰撞變形程度；B結構是該車前端減振器的支撐板（厚度：1.5毫米），可在原有基礎上強化減振器的支撐功能c結構是加強翼子板，由盒狀鋼板（厚度：1.4～1.5毫米）組成；圖1中的D結構為該車型前端的上下兩凹槽構造，當車身發生正面碰撞時，該結構可在小范圍降低發動機邊梁剛度的前提下穩定車身整體剛度的平衡性，以此對其前端壓潰和折彎變形方式進行控制。綜合來說，這三處構造能為該車型在發生正面碰撞或者正常行駛時提供良好的結構剛度保障。

對該車型前端部分的A、B、C、D四處構造進行全面性和綜合性的分析：該車型利用A、B、C這三處潰誘導槽結構為整個車身提供了強有力的前部支撐，以達到保持整個車身平衡的最終目的。這一汽車前部構件的碰撞能量吸收主要靠構件的彎曲變形和壓潰變形來實現。而在這一強一弱配合得當的結構處理方式下，能夠為該車型提供適宜性的剛度，從而提升整個車身的安全性能。

輕量化一直以來都是汽車設計的研究熱點，是以大部分汽車生產企業在對各類汽車尤其是小轎車進行研究開發時，為對車輛的動力性和燃油經濟性提供優質的保障，就在開發和生產過程中對車身的整體構造進行輕量化優化，雖然有效減輕了車身的重量，但同時也在一定程度上降低了車身剛度和安全性。當發生正面碰撞時，就會導致出現發動機兩側邊梁變形、車身加速度過大以及壓潰距離過大等一系列問題。

本文研究中對已經過輕量化減重的車身進行了適當性的局部優化，主要是在該車型的壓潰誘導槽結構中進行了優化，使車身在發生正面碰撞時的整體性能能夠更合理化和協調化，從而進一步有效提升經輕量化改造車身的安全性。

3.分析減重后整體結構性能

3.1分析減重模型的剛度與模態

為進一步驗證已進行輕量化減重措施后的模型車身的整體結構和綜合性能能否滿足剛度和振動特性等各方面的正常要求，本文研究對輕量化車身模型和原車型就車身彎曲剛度、扭轉剛度等方面進行了客觀性和科學性的對比分析，下列表1為兩種車身模型的剛度分析與模態分析結果：

分析總結上述表格可知，兩種車身模型在一階彎曲、一階扭轉的數據中相差不大。進行輕量化改造后的車身模型在整體構造中能夠基本保持原車型的振動特性，但兩者在扭轉剛度和彎曲變形的數據中卻存在顯著性的差異，分別降低了21.80%和14.31%，下降幅度非常大，其彎曲剛度和扭轉剛度有待進一步的提高。

3.2分析車身正面碰撞

因原型車身的材料信息過于缺乏，而經輕量化改造車型的綜合結構優于原車型差異性較高，是以，車身正面碰撞分析暫時只能夠從輕量化改造車身入手，以在分析其整體構造安全性的同時提出針對性的改造和完善建議。在進行有限元網格劃分（以10毫米為邊長基準）的基礎上建立車身正面碰撞分析模型。該模型共具備395413個節點和385341個單元，主要包括了車身發動機和附近，但并不包括儲液罐、座椅以及水箱和軟管等配件，該模型總質量為1.025噸，與車型設計中對整體質量的要求基本吻合。但值得注意的是，為進一步滿足其發動機承載和造型方面的需求，對輕量化模型的整體構造做了適當性的調整，加長了發動機艙邊梁的長度。

3.3改造車身正面碰撞結構

下列圖2凸顯了圖1中A、B、C三處輕量化改造措施對整個車身結構剛度所起到的削弱作用，同時也引起了其前端部分性能的改變。是以，應進一步強化D處構造的剛度，以還原車身前艙部分的平衡眭能。

為充分凸顯圖1D部分在發動機邊梁變形中的作用和重要性，本文將其分為了如圖3所示的多個區域。1區域是適應原型車發動機搭載的突出結構；2區域和3區域均為碰撞折彎誘導槽；4區域與5區域均為車型碰撞壓潰吸能區。

4.結語

本文研究中，原車型和輕量化車型剛度和模態的對比分析結果顯示，原車型經輕量化改造后的車身剛度有所降低，需通過進一步對車身的整體構造進行適當性的改進以及進一步優化車身的接頭特性等措施來提升和穩定整個車身的剛度。除此之外，又因輕量化策略與減重車型搭載發動機之間所存在的高差異性以及輕量化結構正面碰撞變形規律的不合理性，需要在研發過程中不斷調整發動機邊梁的局部剛度，以力求在不增加車身重量的基礎上提升各改造方案的可行性和安全性。