不同C-NCAP版本側面碰撞車輛結構響應特性

侯延軍 楊帥 李根

（中國汽車技術研究中心）

汽車側面碰撞事故約占事故總數的30%，僅次于正面碰撞，而在造成死亡和重傷的事故中，側碰事故約占35%。汽車側面是整車中相對薄弱的部位[1]。側面碰撞的安全性研究主要包括結構安全性和乘員安全性研究。其中結構安全性是乘員保護的基礎，可提供給乘員足夠的生存空間，是汽車安全設計中首要關注的項目[2]。現階段，很多國內科研機構和高校均對側面碰撞工況的車身結構耐撞性及乘員保護性做了不同程度的研究開發，取得了顯著的改善成果[3-4]。但是，以上分析及研究工作是基于現有的側面碰撞工況，如歐標的AE-MDB、國內的MDB[5]及側面柱狀壁障等展開的。由于2018版C-NCAP[6]側碰工況對壁障及假人均進行了調整，對新型側碰壁障及碰撞假人的研究工作尚無機構開展。基于現狀，文章針對2個版本側碰工況的車身結構響應進行了研究，確定了針對2018版C-NCAP的車身側面結構開發方法。

1 不同版本C-NCAP側碰工況解析

在2015版C-NCAP和2018版C-NCAP標準中，側面可移動壁障碰撞工況的設定，如圖1所示。

圖1 可移動壁障側碰工況對比

為了便于描述，將2015版C-NCAP側碰工況簡稱為 MDB，2018版 C-NCAP側碰工況簡稱為 NMDB。NMDB壁障碰撞位置與MDB壁障差異較大，其初始碰撞能量較MDB提升了47.4%。2種壁障和某車按試驗方式定位后，壁障與車型的位置關系，如圖2所示。

圖2 不同壁障與某車型位置關系示意圖

由圖2可以看出，MDB壁障和車身接觸區域主要包括前門、B柱、后門及門檻，而NMDB采用大壁障進行測試，其和車身接觸區域已延伸至C柱下部區域。此外，由于NMDB的離地高度較MDB高50 mm，使得NMDB壁障同門檻搭接的區域大大減小。

2 車身結構對不同版本C-NCAP側碰響應的一般規律

為研究車身結構在不同側碰工況中的響應，采用了具有市場代表性的A級轎車和緊湊型SUV車型，分別建立了MDB與NMDB的可移動壁障側碰模型。圖3示出側碰試驗中B柱測量位置示意圖。2種車型在MDB和NMDB工況下的B柱侵入曲線對比，如圖4所示。

圖3 側碰試驗中B柱測量位置示意圖

圖4 2種車型B柱侵入結果曲線對比

由圖4可以看出：對于SUV車型，采用NMDB壁障較采用MDB壁障的車型，B柱由中間向兩端侵入的幅度有不同程度的增加，增幅最大達到38%，出現在B柱中下位置處；對于轎車來說，采用NMDB壁障較MDB壁障的B柱上部侵入量增加不多，但在中部及中下位置侵入量大幅增加，增幅達34%。對于NMDB壁障碰撞，2款車型的B柱呈梯形侵入分布。

2款車型在MDB和NMDB工況碰撞后前后車門內板的變形對比，如圖5所示。

圖5 2款車型在不同側碰模式下車門內板變形對比

從圖5可以看出：MDB碰撞工況下，SUV車型和A級轎車側圍結構變形均較小，車門防撞梁凸痕明顯；NMDB碰撞工況下，車門及門檻變形更為嚴重，車門防撞梁嚴重內凹，后門至后輪胎區域也發生嚴重潰縮變形，后車門的嚴重變形將大大降低車身對后排乘員的保護性。

對于同種碰撞工況，SUV車型較轎車車型的側碰結構耐撞性要強。SUV車型離地間隙高于轎車車型，其在MDB和NMDB工況中，門檻和壁障接觸區域較轎車車型要大一些，這是SUV車型在側碰工況能保持較好側碰耐撞性的原因之一。

由以上分析可知，在2種側碰工況中，不同類型車身結構的響應是不同的，所以在汽車結構設計中，應根據不同車型的碰撞響應特征，針對不同的碰撞工況，分別對不同位置或部件進行設計與優化。

3 車身側碰關鍵結構的確定及其對不同側碰工況的影響

為保證不同側面壁障碰撞下車身結構的耐撞性，并提高側碰車身結構安全性設計的效率，有必要對側面車身結構關鍵變形區域及關鍵件進行確認。對某SUV和A級轎車車型MDB和NMDB碰撞的CAE結果進行分析，統計車身變形區域主要包括：A柱、B柱、C柱、門檻、側面上邊梁、座椅橫梁、前后地板、頂棚橫梁及前后車門等。車身側面結構受力分為2種模式，如圖6所示：一種是抗折彎變形，包括A柱、B柱、C柱、車門防撞梁、門檻及頂棚縱梁；另一種是抗Y向潰縮變形，包括前后地板、座椅橫梁及頂棚橫梁。此外，由于門檻和碰撞壁障為非完全重疊接觸，所以其還將承受彎扭變形（側向翻轉）。

圖6 車身側面主要變形及承力結構示意圖

側碰工況中為保障駕駛員及后排假人的生存空間，需要控制側面結構的侵入量。MDB結構開發中，一般重點關注的是B柱及前后車門的侵入量。NMDB工況可以參考MDB工況對關注的指標進行定性分析。此外，NMDB工況采用大壁障及壁障碰撞位置靠近后排假人，需額外關注C柱結構的變形及侵入量。

3.1 B柱強度對側面碰撞結構性能的影響

為比較2種工況下B柱強度對車身側面結構侵入量的影響，在保證車頂橫梁不發生較明顯彎折的前提下，分別采用了2種不同強度的B柱進行計算，其中II號B柱強度要強于I號B柱。2種車型不同強度B柱的侵入量對比，如圖7所示。

圖7 2種車型不同強度B柱的侵入結果對比

由圖7可見：對于A級轎車而言，2種碰撞工況中，加強B柱對其中上段侵入量有明顯改善，MDB工況的B柱加強后，其侵入量降為原來的74.7%，NMDB工況的B柱加強后，其侵入量降為原來的79.4%；對于SUV車型而言，B柱的加強對B柱整體侵入量均有明顯改善，MDB工況B柱侵入量降為原來的82%，NMDB工況B柱侵入量降為原來的64%。

圖8示出側碰試驗中汽車頂棚測量位置示意圖。B柱加強前后，頂棚縱梁侵入結果，如圖9所示。從圖9可以看出：對于某款A級轎車，B柱加強后，2個工況頂棚縱梁Y向侵入均有不同程度的降低；但對于某SUV車型而言，B柱強度增加，頂棚縱梁Y向侵入量增大，在B柱正上方位置增幅最大，達到100%。在SUV車型側面碰撞安全結構設計中，需要考慮B柱強度對頂棚的影響，以保證側氣簾正常展開，完成其對車內乘員的保護。

圖8 側碰試驗中汽車頂棚測量位置示意圖

圖9 不同B柱強度下頂棚縱梁侵入結果對比

3.2 座椅安裝橫梁強度對側面碰撞結構性能的影響

為研究汽車座椅安裝橫梁強度對側面結構的影響，分別采用了2種不同強度的座椅安裝橫梁進行計算，設置座椅前后橫梁的強度相當。其中I號座椅安裝橫梁強度要強于II號座椅安裝橫梁強度。經CAE分析的B柱侵入量對比，如圖10所示。從圖10可以看出：在NMDB和MDB工況下，座椅安裝橫梁對2款車型的B柱侵入量均有較大的影響，尤其影響B柱中部至下部區域的Y向侵入；同種碰撞工況下，轎車的座椅橫梁對B柱侵入控制的貢獻要高于SUV車型。

圖10 不同座椅安裝橫梁強度下的B柱侵入結果對比

調整座椅安裝橫梁強度前后，頂棚縱梁侵入結果，如圖11所示。從圖11可以看出：對于某A級轎車車型，2種碰撞工況下，降低座椅安裝橫梁強度，可以適當降低頂棚橫梁的Y向侵入量；對于SUV車型，2種碰撞工況下，由于座椅安裝橫梁強度降低，導致頂棚縱梁Y向侵入量大幅增加，增至原來的200%。

圖11 不同座椅安裝橫梁強度下頂棚縱梁侵入結果對比

3.3 車門防撞梁對側面結構性能的影響

為研究車門防撞梁強度對車門侵入量的影響，分別采用了2種不同強度的車門防撞梁進行計算，設置前后門防撞梁強度相當。其中Ⅰ號防撞梁強度要強于Ⅱ號防撞梁強度。圖12示出側碰試驗中車門測量位置示意圖。車門防撞梁加強前后，車門內板侵入量對比，如圖13所示。

圖12 側碰試驗中車門測量位置示意圖

圖13 不同車門防撞梁強度下車門內板侵入結果對比

從圖13可以看出：對于A級轎車而言，2種碰撞工況下，車門防撞梁能夠很有效地控制車門內板的Y向侵入，車門防撞梁加強后，在2點測量位置前門內板侵入量降至原來的88%，后門防撞梁對后門侵入的控制貢獻較小；對于SUV車型而言，前門防撞梁強度增加后，內板侵入量降低至原來的85%，NMDB工況下后門防撞梁對控制后門內板侵入貢獻要強于MDB工況。

3.4 門檻強度對側面結構性能的影響

為研究門檻強度對側面結構的影響，分別采用了2種不同強度的門檻進行計算分析。其中I號門檻強度要高于II號門檻強度。經CAE分析的B柱侵入量對比，如圖14所示。從圖14可以看出：對于A級轎車車型，門檻強度對B柱侵入影響較為敏感，在測量點5位置MDB和NMDB工況下，門檻強度增強后，B柱侵入量分別降低至原來的58%和40%；對于SUV車型，門檻強度對B柱侵入影響更為敏感，在測量點5位置MDB和NMDB工況下，門檻強度增強后，B柱侵入量分別降低至原來的40%和43%。

圖14 不同門檻強度下B柱侵入結果對比

門檻加強前后，車門內板侵入量對比，如圖15所示。2種碰撞工況下，門檻梁能夠很有效地控制車門內板的Y向侵入。從圖15可以看出：對于A級轎車而言，門檻梁加強后，MDB和NMDB工況下在測量位置3處侵入量分別降至原來的71%和75%，后門位置3處侵入量分別降至原來的86%和87%；對于SUV車型而言，門檻梁加強后，MDB和NMDB工況下在測量位置3處侵入量分別降至原來的54%和71%，后門位置3處侵入量分別降至原來的74%和86%。從圖15還可以看出，MDB工況下的門檻對車門侵入的貢獻要優于NMDB工況。

圖15 不同門檻梁強度下車門內板侵入結果對比

圖16示出側碰試驗中門檻測量位置示意圖。門檻梁加強前后，門檻本體侵入量對比，如圖17所示。從圖17可以看出：對于MDB工況，2款車型的門檻強度對門檻本體Y向侵入影響較大；對于NMDB工況，A級轎車門檻強度增強可有效降低門檻本體Y向侵入量，而SUV車型門檻侵入變化不大。

圖16 側碰試驗中門檻測量位置示意圖

圖17 不同門檻梁強度下門檻侵入結果對比

3.5 C柱及后地板強度對側面結構性能的影響

為研究C柱及后地板區域強度對側面結構的影響，分別采用了2種不同強度的C柱及后地板進行計算分析。其中I號C柱強度要高于II號C柱強度。經CAE分析的B柱侵入量對比，如圖18所示。從圖18可以看出：對于A級轎車車型，在MDB工況下，C柱及地板強度對B柱中部至下部區域侵入影響較大，NMDB工況由于壁障撞擊到了后輪區域，因此C柱強度降低對B柱侵入并無太大影響；對于SUV車型，在MDB及NMDB工況的C柱強度均對B柱侵入有較大影響，C柱加強后B柱下部侵入變化最大，分別達到75%和64%。

圖18 不同C柱及后地板強度下B柱侵入結果對比

C柱及后地板加強前后，門檻侵入量對比，如圖19所示。從圖19可以看出：2種碰撞工況下，2種車型的C柱及后地板強度對門檻侵入的影響較大，尤其影響門檻后段的Y向侵入；由于C柱及后地板的支撐不足導致門檻后段的侵入量增加，將影響到后排假人的生存空間，不利于對后排乘員的保護，NMDB工況下SUV車型更為明顯。

圖19 不同C柱及后地板強度下門檻侵入結果對比

4 結論

通過對MDB和NMDB工況的比較及2種工況下不同類型車身結構響應的分析可知：

1）NMDB碰撞工況對車身結構耐撞性的要求要明顯高于MDB工況，同款車型NMDB碰撞側面結構變形明顯差于MDB工況。

2）基于NMDB碰撞工況的結構耐撞性開發同MDB工況結構耐撞性開發既有一致性特點也有不同之處。2種工況下相同側面關鍵結構件包括B柱、門檻、座椅安裝橫梁及車門防撞梁。NMDB工況下C柱及后地板強度對后排假人空間侵入影響更為敏感。

3）NMDB工況下，門檻強度對SUV車型結構變形影響較A級轎車更為敏感，B柱強度對A級轎車結構變形影響高于SUV車型。

4）2種碰撞工況下，車門防撞梁強度提升可有效降低車門內板的侵入。在NMDB工況下，車門防撞梁降低車門內板侵入的效果更為明顯。