基于E-NCAP柱碰撞要求的轎車車身碰撞優(yōu)化設(shè)計(jì)

鄧華，王德山，章麗

（蘇州大學(xué)機(jī)電工程學(xué)院，江蘇 蘇州 215000）

目前對(duì)側(cè)向柱碰的研究著重集中在車輛對(duì)車輛側(cè)向柱碰的分析，車輛對(duì)柱狀障礙物沖撞的分析較少。側(cè)向柱碰是模仿車輛在失常時(shí)橫向沖撞在直立硬物上，例如路燈、樹木等。這種情形在真實(shí)生活中較為多見，對(duì)乘客的危害很大。由于樹木這類硬物幾乎不變形，而車身側(cè)向是車輛構(gòu)造中最為薄弱的位置。在國(guó)外，側(cè)向柱碰是特別被重視的試驗(yàn)項(xiàng)目，2010年E-NCAP規(guī)定把側(cè)向柱碰從加分項(xiàng)2分替換為強(qiáng)制項(xiàng)8分。隨著安全意識(shí)的提高，對(duì)車輛安全日益重視，有關(guān)側(cè)向柱碰的車輛構(gòu)造研究也越來(lái)越受到重視。因而對(duì)柱碰影響較大的組件實(shí)行分析很重要。

1 側(cè)向柱碰撞仿真模型

根據(jù)E-NCAP側(cè)向柱碰規(guī)范要求，實(shí)驗(yàn)時(shí)把汽車安放置于一輛平板車上，兩輛車相對(duì)靜止不動(dòng)，主駕駛座位置固定一個(gè)EuroSID Ⅱ型假人，用作測(cè)試駕駛?cè)宋恢檬軗p情況，剛性柱半徑為127mm，剛性柱頂端到柱碰汽車頂端垂直距離大于95mm，剛性柱底部到汽車門檻底部的垂直距離大于100mm。平板車載著實(shí)驗(yàn)汽車以30km/h的速度直接沖擊剛性柱，剛性柱軸線與沖撞速度角度構(gòu)成的平面經(jīng)過(guò)汽車主駕駛座假人頭部中間位置，汽車與剛性柱沖撞接觸后95ms以內(nèi)攜帶實(shí)驗(yàn)汽車的平板車不可以與剛性柱以及其他靜止障礙物發(fā)生沖撞。

本文選用的某車型模型通過(guò)了牢靠性和有效性的有限元模型考證。根據(jù)E-NCAP規(guī)定要求設(shè)立剛性柱，并調(diào)整汽車的沖撞速度快慢和方位，開始速度運(yùn)用關(guān)鍵詞“INITIAL_VELOCITY”定義，對(duì)汽車模型加以Y向負(fù)方向8000mm/s的開始速度，定義汽車與剛性柱兩者的接觸。

2 仿真結(jié)果分析

2.1 模型檢查

按照能量守恒定律，柱碰總能量在每個(gè)能量中間平衡的轉(zhuǎn)化維持不變。經(jīng)過(guò)HyperGraph后分析平臺(tái)能夠得到柱碰仿真過(guò)程中的能力轉(zhuǎn)變曲線，如圖1所示。曲線圖清晰顯示各能力曲線平滑，沒有發(fā)生顯著變化，能量轉(zhuǎn)化穩(wěn)定，總能量不變。柱碰中能量占總能量的比重以及模型質(zhì)量的提高比如表1所示，各種數(shù)據(jù)都符合規(guī)定，說(shuō)明了仿真模型的有效性。

圖1 汽車側(cè)向柱碰能量曲線

表1 能量信息

2.2 側(cè)向位置變形情況

本實(shí)驗(yàn)中主要試驗(yàn)的是汽車碰撞的側(cè)向位置總體損壞狀況和門檻梁、B柱、車門、車門防撞桿損壞情況。從實(shí)驗(yàn)中能夠獲得，在汽車側(cè)向碰撞試驗(yàn)中，車輛損壞嚴(yán)重的部位主要分布在剛性柱寬度大小的狹窄區(qū)域，整個(gè)側(cè)面區(qū)域變成“V”型，底板、門檻梁、前排左車門以及車門防撞桿出現(xiàn)了嚴(yán)重侵入扭曲。

2.3 出現(xiàn)侵入量分析

研究分析該汽車側(cè)向碰撞的仿真畫面能夠得出，車門內(nèi)板擠壓扭曲嚴(yán)重令駕駛?cè)松眢w的重要部位受到損害，門檻梁位置以及前排底板扭曲令駕駛?cè)斯桥枋艿綋p害，因而駕駛?cè)烁共俊⒗吖恰⒐桥枨秩肓孔鳛樵u(píng)估該汽車側(cè)向碰撞性能的主要指標(biāo)。柱碰中每個(gè)測(cè)試點(diǎn)的侵入量如表2所示。

表2 車門變形最大侵入量

以門檻上相對(duì)的假人r點(diǎn)為核心向上或向下移動(dòng)210mm作為一系列測(cè)試點(diǎn)，每個(gè)測(cè)試點(diǎn)在部分坐標(biāo)系下的變形量如表3所示。

表3 門檻測(cè)試點(diǎn)Y向最大變形量

3 側(cè)向結(jié)構(gòu)優(yōu)化

側(cè)向柱碰時(shí)車輛側(cè)面構(gòu)架產(chǎn)生嚴(yán)重變形，與汽車?yán)锍丝蜎_撞致使乘員受傷乃至死亡，車輛在配置保護(hù)氣囊等安全設(shè)施的同時(shí)，還必須優(yōu)化車輛構(gòu)架的剛度特別是側(cè)面構(gòu)架的強(qiáng)度。本文著重進(jìn)行了根據(jù)門檻梁組件和車門防撞桿構(gòu)造強(qiáng)度質(zhì)量的構(gòu)造改良與優(yōu)化設(shè)計(jì)。

3.1 門檻梁總成優(yōu)化改良

（1）門檻梁靜力學(xué)分析。門檻梁彎曲性能不好致使在出現(xiàn)撞擊時(shí)擠壓變形嚴(yán)重，選取門檻梁組件以及側(cè)面局部結(jié)構(gòu)，限制截面區(qū)域的全部自由度，開展彎曲性能測(cè)試分析，限制模態(tài)分析，獲得的數(shù)據(jù)成為下一步拓補(bǔ)改良的參考值。（2）門檻梁總成拓補(bǔ)改良及設(shè)計(jì)。運(yùn)用Optistruct組件對(duì)門檻梁組件開展拓補(bǔ)改良設(shè)計(jì)，變量為門檻梁主體與側(cè)面板組成的空間所分離的實(shí)體solid模型，目標(biāo)函數(shù)為平均應(yīng)變量最小，限制為彎曲性能測(cè)試下加載點(diǎn)Y向偏移不大于1.2mm，一期模態(tài)頻率值大于原始模型的1.3倍即112Hz，體積比為0.4。拓補(bǔ)改良效果為，在材質(zhì)密度較為集中的區(qū)域，放置強(qiáng)化板（厚度設(shè)置為1.3mm，材質(zhì)的抗壓強(qiáng)度為320MPa），優(yōu)化了門檻梁組件的截面特性。（3）門檻梁主體改善外形及設(shè)計(jì)。改善外形重點(diǎn)是對(duì)平板構(gòu)架開展概念設(shè)計(jì)，找出最優(yōu)強(qiáng)化筋分布，進(jìn)而增加構(gòu)架強(qiáng)度。對(duì)門檻梁主體開展改善外形設(shè)計(jì)，改善變量為門檻梁主體，目標(biāo)函數(shù)為平均應(yīng)變量最小，限制為彎曲性能測(cè)試下加載點(diǎn)的偏移下降18%，一期模態(tài)頻率值提高18%。改善外形效果為，根據(jù)云圖和工程經(jīng)驗(yàn)改良強(qiáng)化筋，深度5mm，角度65°。為了方便門檻梁主體起筋，去除一個(gè)門檻梁強(qiáng)化板，另一個(gè)強(qiáng)化板縮短。

3.2 車門防撞桿優(yōu)化改良

對(duì)車門防撞桿開展改善外形設(shè)計(jì)，模仿側(cè)向沖擊力的情況，加載750N集中力，限制連接板兩側(cè)全部自由度，實(shí)驗(yàn)區(qū)域?yàn)榧t色區(qū)域，限制為加載力情況下加載點(diǎn)偏移下降18%，二期模態(tài)頻率加強(qiáng)18%，目的為應(yīng)變量最小。改善外形效果為，根據(jù)云圖和工程經(jīng)驗(yàn)改良強(qiáng)化筋，深度4mm，角度為55°。

3.3 材料改良

增加側(cè)向的強(qiáng)度對(duì)于車輛構(gòu)架變形有很大的幫助，高硬度鋼板有較高的吸能性功能，本文在構(gòu)架改良的同時(shí)對(duì)門檻梁和車門防撞桿開展了超高硬度鋼板的運(yùn)用，車門防撞桿材質(zhì)抗壓強(qiáng)度為550MPa，門檻梁主體材質(zhì)抗壓強(qiáng)度為440MPa，運(yùn)用的超高硬度鋼板抗壓強(qiáng)度為940MPa。

4 改良后的柱碰性能驗(yàn)證

4.1 改良前后變形對(duì)比

根據(jù)結(jié)果可以得出，改良后的汽車側(cè)向柱碰門檻梁前部變形彎曲程度較改良前減小，車門防撞桿彎曲變形較小，該汽車的耐撞功能獲得有效提升。

4.2 改良前后側(cè)向侵入量對(duì)比

根據(jù)2、3章節(jié)，對(duì)改良后的車門各個(gè)測(cè)試點(diǎn)開展最大侵入量測(cè)試，改良前后各個(gè)測(cè)試點(diǎn)侵入量對(duì)比如表4所示，能夠發(fā)現(xiàn)改良后車門各個(gè)測(cè)試點(diǎn)的侵入量顯著減少，明顯改善了乘客的生存空間。

表4 改良前后車門各測(cè)試點(diǎn)最大侵入量對(duì)比

5 結(jié)語(yǔ)

本文在只改良門檻梁和側(cè)門防撞桿的情況下令柱碰的有關(guān)侵入量有所下降，因此推測(cè)參考文中所述的改良方法對(duì)側(cè)向構(gòu)架的其他重要組件開展優(yōu)化改良，應(yīng)該會(huì)更加明顯的改善柱碰的侵入量和變形方式。

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