某SUV車型正面40%偏置碰分析及車體結(jié)構(gòu)的優(yōu)化設(shè)計(jì)

路遙，張超

某SUV車型正面40%偏置碰分析及車體結(jié)構(gòu)的優(yōu)化設(shè)計(jì)

路遙，張超

（安徽江淮汽車集團(tuán)股份有限公司，安徽 合肥 230601）

運(yùn)用有限元分析方法對(duì)公司的某款SUV車型進(jìn)行正面40%偏置碰分析，發(fā)現(xiàn)存在的問題，通過分析找出問題的原因，并制定相應(yīng)的車體結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)方案，最后運(yùn)用有限元分析方法進(jìn)一步驗(yàn)證方案的有效性，最終獲得滿足目標(biāo)設(shè)定要求的產(chǎn)品。

40%偏置碰；有限元分析方法；車體結(jié)構(gòu)

CLC NO.: U462.1 Document Code: A Article ID: 1671-7988 (2017)16-163-04

前言

目前，車輛的正面碰撞試驗(yàn)主要分為完全正面碰撞試驗(yàn)(Full Width Frontal Impact Test) 和偏置碰撞試驗(yàn)(Offset Deformable BarrierForntalImpact Test) ；根據(jù)交通事故的統(tǒng)計(jì)結(jié)果表明[1]，偏置碰撞在交通事故中出現(xiàn)的比例極高，同時(shí)駕駛員在偏置碰撞事故中受到損傷最為嚴(yán)重[2]。2012年，CNCAP( China_New Car Assessment Program)將偏置碰撞試驗(yàn)的測(cè)試車速從56km/h提升至64km/h[3]，車速的提升使得大部分車型的傷害值高于完全正面碰撞。

現(xiàn)階段對(duì)于車輛碰撞安全性能研究的方法主要有[4]：一、碰撞試驗(yàn)法；二、有限元仿真分析法。在車體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)階段，基于碰撞的有限元分析結(jié)果對(duì)車體結(jié)構(gòu)的優(yōu)化設(shè)計(jì)顯得尤為重要。

本文結(jié)合公司某SUV型車型設(shè)計(jì)階段車體結(jié)構(gòu)的優(yōu)化設(shè)計(jì)，介紹基于正面40%偏置碰有限元分析的車體結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)的一般過程方法。

1 有限元模型的建立

采用Hypermesh軟件對(duì)車身和底盤兩分組數(shù)據(jù)進(jìn)行網(wǎng)格劃分，建立有限元分析模型。車身主要包括發(fā)艙、前圍、側(cè)圍、頂蓋、地板、行李箱、引擎蓋、車門、行李箱蓋、座椅、內(nèi)飾，底盤主要包括動(dòng)力總成、轉(zhuǎn)向系統(tǒng)、輪胎、前/后懸架、儀表臺(tái)骨架、傳功系統(tǒng)、制動(dòng)系統(tǒng)、排氣系統(tǒng)、燃油系統(tǒng)、前后保等。具體模型的網(wǎng)格單元信息如下表1所示：

表1 網(wǎng)格單元信息

2 有限元模型的檢查

對(duì)有限元模型進(jìn)行檢查，確保模型的準(zhǔn)確性及可靠性。對(duì)模型分析質(zhì)量進(jìn)行檢查，確保模型動(dòng)能、內(nèi)能、時(shí)間沙漏能沒有峰值和突變。

圖1 整車有限元模型

圖2 能量變化曲線示意圖

表2 模型質(zhì)量變化

從上圖可以看出，整個(gè)碰撞過程中出現(xiàn)了很少沙漏能，幾乎為0。模型的能量和質(zhì)量變化量小于5%，主要能量變化曲線平滑未見突變。由此可以判定模型定義設(shè)置合理，計(jì)算結(jié)果準(zhǔn)確有效。

3 整車40%偏置碰撞分析

按照C-NCAP試驗(yàn)工況要求，車輛前端左側(cè)與可變形壁障40%重疊率，以64km/h的速度發(fā)生碰撞。建立起來的整車仿真模型如圖3所示：

圖3 正面40%偏置碰仿真模型

提交給LS-DYNA進(jìn)行仿真計(jì)算，計(jì)算終止時(shí)間140ms，分析結(jié)果如下圖4示：

圖4 正面40%偏置碰整車變形 ISO視圖

由圖4可以看出，前車門、A柱、頂邊梁等關(guān)鍵區(qū)域均未出現(xiàn)較明顯的大變形，但乘員艙底部有明顯的褶皺變形。

前艙主要承載結(jié)構(gòu)件的變形情況如下圖5所示，吸能盒被壓潰（①處），發(fā)艙縱梁輪胎包絡(luò)避讓處（②處）過早被壓潰，發(fā)艙縱梁根部（③處）沒有起到支撐作用，導(dǎo)致縱梁根部變形比較嚴(yán)重。

圖5 正面40%偏置碰前艙結(jié)構(gòu)件變形圖

發(fā)艙縱梁根部的嚴(yán)重變形直接導(dǎo)致前圍板A區(qū)和C區(qū)的入侵量分別達(dá)到285和253，超過了設(shè)定目標(biāo)值，如圖6和表3所示。

圖6 正面40%偏置碰前圍入侵圖

表3 前圍入侵量

左側(cè)B柱下端加速度達(dá)到43.1g，超過目標(biāo)值40g，如圖7和表4所示。

圖7 左、右側(cè)B柱下端X向時(shí)間-加速度曲線

表4 左右側(cè)B柱下端加速度

油門踏板和制動(dòng)踏板的入侵量均滿足目標(biāo)要求，如下圖8和表5所示。

圖8 踏板測(cè)量示意圖

表5 踏板入侵量

4 優(yōu)化方案

針對(duì)以上分析存在的問題，車體制定了一系列的優(yōu)化設(shè)計(jì)方案，最終通過驗(yàn)證分析確定了最終的優(yōu)化方案。

1）發(fā)艙縱梁結(jié)構(gòu)變形不合理，地板縱梁產(chǎn)生明顯折彎變形。主要原因地板搭接位置設(shè)計(jì)不合理，縱梁根部強(qiáng)度不足，導(dǎo)致縱梁根部入侵較為嚴(yán)重。為此對(duì)其結(jié)構(gòu)和材質(zhì)料厚進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)，如圖9所示。

圖9 發(fā)艙縱梁結(jié)構(gòu)優(yōu)化示意圖

①優(yōu)化縱梁缺口；將缺口改為翻邊，并打焊點(diǎn)。同時(shí)優(yōu)化缺口尺寸，增大縱梁截面積：

②新增縱梁封板加強(qiáng)版B400/780DP-1.6t，提升發(fā)艙縱梁輪胎包絡(luò)避讓處的強(qiáng)度：

③優(yōu)化發(fā)艙縱梁加強(qiáng)板的長度，削弱發(fā)艙縱梁封板和輪胎包絡(luò)避讓處之間的強(qiáng)度，用來吸收碰撞能量：

④發(fā)艙后縱梁的材質(zhì)由B340/590DP-1.6t切換成B1500 HS-1.8t，同時(shí)增加與發(fā)艙前縱梁連接處的翻邊長度打兩排焊點(diǎn)：

⑤發(fā)艙縱梁封板增加橫向加強(qiáng)筋：

⑥前圍板的材質(zhì)由DC03-0.7t切換成B170P1-0.8t：

⑦前圍加強(qiáng)板左側(cè)延伸與前輪包連接：

5 優(yōu)化方案結(jié)果對(duì)比

將上述優(yōu)化方案數(shù)據(jù)替換至仿真模型中進(jìn)行計(jì)算，與優(yōu)化前的分析結(jié)果對(duì)比。

由圖10、圖11、表六可以看出優(yōu)化后前圍入侵量均滿足設(shè)定目標(biāo)值，從而提升了整車的偏置碰撞安全性能。

圖10 優(yōu)化后整車變形圖

圖11 優(yōu)化后前圍入侵量

表6 前圍入侵量

優(yōu)化后左側(cè)B柱下端加速度峰值降至39.0，滿足設(shè)定目標(biāo)要求。同時(shí)，優(yōu)化后的加速度曲線在峰值處較優(yōu)化前更平滑，進(jìn)一步說明優(yōu)化方案的有效性。

圖12 左、右側(cè)B柱下端X向時(shí)間-加速度曲線

表7 左右側(cè)B柱下端加速度

由表8可以看出，優(yōu)化后踏板的入侵量較優(yōu)化前有很大的改善。

表8 踏板入侵量

6 結(jié)論

本文闡述了公司的某款SUV車型在設(shè)計(jì)階段正面40%偏置碰有限元分析存在的問題及原因，以及車體針對(duì)分析結(jié)果制定的相應(yīng)優(yōu)化方案。同時(shí)對(duì)比優(yōu)化前后的分析結(jié)果，驗(yàn)證方案的可行性。

[1] 沈?yàn)t車.對(duì)車正面小偏置碰撞仿真分析[D]遼寧,遼寧工程技術(shù)大學(xué),2015年.

[2] 張君媛.不同碰撞模式的汽車正面結(jié)構(gòu)抗撞性設(shè)計(jì)［J］吉林大學(xué)學(xué)報(bào)( 工學(xué)版),2007,32(2)∶275-279.

[3] 中國汽車技術(shù)研究中心C-NCAP管理規(guī)則(2012年版) ［EB/OL］2011-09-02[2015-12-23].

[4] 轎車正面偏置碰撞結(jié)構(gòu)安全性研究[D]長沙, 湖南大學(xué).2009年.

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

Lu Yao, Zhang Chao
( Anhui Jianghuai Automobile group Co. Ltd, Anhui Hefei 230601 )

Thefinte element analysis method is used to simulation analysis a SUV of the company front 40% offset impact, find out the cause of the problem by analyzing and make the corresponding body structure design,and finally use the finte element analysis method to further verify the effectiveness of the program,and ultimately to meet the target set requirements of the product.

40% offset impact; The finte element analysis method; body structure

U462.1

A

1671-7988 (2017)16-163-04

10.16638 /j.cnki.1671-7988.2017.16.057

路遙，就職于安徽江淮汽車集團(tuán)股份有限公司。