某車型正面碰撞性能提升

鈕嘉穎 黃穎 郭剛 丁玲 陳文

摘 要：本文針對某車型偏置碰中主駕小腿生存空間不足的問題，對前圍侵入量的3個關鍵影響因素進行優化，提出了提高機艙的吸能能力，提高前圍的抗變形能力和乘員艙強度的優化思路，通過對B柱加速度曲線、前圍侵入量、門框壓縮量3個指標進行評估，得出了最佳的優化方案。同時針對乘客安全氣囊保護效果較差的問題，對其支撐性、保護范圍以及與乘客接觸時刻進行優化，搭配減小安全帶限力值，來改善乘客胸部壓縮量。通過仿真和實車驗證，優化效果顯著，為后續項目的整車正面碰撞性能提升提供了一種有效的優化思路。

關鍵詞：正面耐撞性；胸部壓縮量；約束系統優化

中圖分類號：U467.1+4 文獻標識碼：A 文章編號：1005-2550（2019）01-0082-09

Abstract： In this paper， for the problem of insufficient drivers tibia living space of the 64ODB in a certain type of vehicle， the three key influencing factors of the front walls intrusion are optimized， and the optimization of the energy absorption capacity of the cabin， the anti-deformation ability and passenger compartment strength is improved. The optimization effect is evaluated by the three indexes of the acceleration curve of the B-pillar， the intrusion of the front wall and the compression of the door frame， and the best optimization scheme is obtained. At the same time， in order to solve the problem of poor passenger airbag protection， the support， protection range and contact time with passengers are optimized， and the seat belt limit force value is reduced to improve the chest compression of the passenger. Through simulation and crash test verification， the optimization effect is remarkable， which provides an effective optimization idea for the improvement of the frontal collision performance of the whole project.

Key Words： frontal crashworthiness； chest compression； restraint system optimization

1 前言

某車型開發中，為達成C-NCAP四星碰撞目標，制定正碰前排假人得分目標15.1，偏置碰前排假人目標14.2。仿真優化階段發現，正碰和偏置碰得分均無法達成既定目標，具體分析得分率，發現正碰和偏置碰中，乘客側胸部得分偏低，偏置碰中主駕側小腿得分偏低，導致整車得分偏低。

因為乘客胸部壓縮量主要受到車身加速度和約束系統保護效果的影響，正碰和偏置碰中車身加速度均小于40g，滿足性能目標。而通過仿真動畫發現，如圖1乘客胸部與儀表之間幾乎沒有氣囊進行緩沖，約束系統對胸部的保護效果較差，是導致乘客胸部得分偏低的主要原因，需要優化約束系統性能參數。

同時主駕小腿力主要受到其生存空間的影響，而偏置碰中前圍關鍵點侵入量較大，如圖2最大達到226mm>190mm，不滿足性能目標，致使小腿處沒有足夠的生存空間，是導致主駕小腿得分偏低的主要原因，需要優化車身耐撞性。

2 車身耐撞性優化

2.1 優化方案

影響前圍侵入量的主要因素有前圍的吸能大小、前圍的抗變形能力以及周邊支撐的強度[1]。所以，在碰撞能量一定的前提下，為了減小前圍侵入量，主要從以下3個方面進行改善：1.提高機艙的吸能能力，2.提高前圍的抗變形能力，3.提高乘員艙強度。

根據力傳遞路徑，提出優化機艙吸能能力的方案如下：①增加吸能盒、前縱梁截面尺寸，②前托架前部增加吸能結構，③提高吸能盒、前縱梁材料強度，增加shotgun外板料厚。同時④通過優化前縱梁根部與前圍搭接處傳力結構，和前圍加強板增加過渡特征，提高前圍抵抗變形能力[2]，⑤通過A柱加強板采用熱成型，提高乘員艙強度，具體方案如下：

2.2 正面偏置碰優化結果對比

為了更好地評估優化效果，針對2.1中提出的3個優化方案，進行40%正面偏置碰撞仿真，使用B柱加速度曲線、前圍侵入量、門框壓縮量[3]3個指標評估，在保證優化前圍侵入量的前提下，盡量優化加速度波形和門框壓縮量，具體仿真結果如下圖3-圖14：

2.3 優化方案選擇

根據2.2所述仿真結果可知：

1.與原狀態相比，優化方案的左、右側加速度波形和趨勢一致，峰值基本相當；

2.與原狀態相比，優化方案的前圍侵入變形一致，侵入量均不同程度地減小，特別是方案3，優化效果良好；

3. 與原狀態相比，優化方案的門框變形趨勢一致，壓縮量均不同程度地減小，特別是方案3，優化效果良好。

綜上，優化方案1、2略優于原狀態，優化方案3改善效果較為明顯，前圍侵入量、門框壓縮量減小約25%～30%，優化效果良好，建議選擇優化方案3。

2.4 正面100%剛性碰撞性能驗證

針對優化方案3，驗證100%剛性正碰的性能，使用B柱加速度曲線、前圍侵入量、門框壓縮量3個指標評估，具體仿真結果如下圖15-22：

在100%剛性正碰中，優化方案3的前圍侵入量更小，加速度峰值和門框變形量與原狀態相當，綜合來說對100%剛性正碰性能略有優化。

3 約束系統優化

乘客胸部主要受到安全帶和乘客安全氣囊的共同作用，但是受到儀表板型面影響，氣囊布置角度較為水平，囊袋展開形態不佳，保護范圍不足，僅保護乘客的頭頸部，乘客胸部與儀表之間幾乎沒有囊袋緩沖，則需要使用限力值較大的安全帶，以保證乘客不會前移太多而失去生存空間撞擊儀表板等環境件，從而導致乘客胸部壓縮量較大[4]。所以，需要優化乘客安全氣囊對胸部的保護效果，并且減小安全帶限力值，以優化乘客胸部壓縮量。

良好的氣囊保護效果是指氣囊在合適的時刻展開與乘客接觸，保護范圍覆蓋乘客頭頸胸，同時囊袋具有合適的軟硬度和支撐性，保證既能緩沖乘客的前沖使其不會擊穿氣囊撞上儀表，同時也不會給乘客很大的作用力導致較大的胸部壓縮量。

通過分析得出，影響乘客安全氣囊保護效果的參數如圖23所示，發生器壓力曲線影響囊袋內壓，排氣孔大小、數量以及囊袋材料特性影響泄氣速率，3個參數共同影響氣囊的支撐性和軟硬度；囊袋體積影響展開大小，袋型、有無拉帶影響展開形態，3個參數共同影響氣囊的保護范圍，囊袋折疊方式影響充滿時刻，與發生器點火時刻共同影響氣囊與乘客的接觸時刻。

為了優化氣囊保護效果，必須優化3大影響因素，根據經驗各選取其中1個常用優化參數來實現，最終確定優化排氣孔直徑、調整袋型和點火時刻[5]。綜上，形成優化矩陣如下。

如表6和如圖24-27所示，通過對乘客安全氣囊排氣孔直徑、袋型以及點火時刻的改善，優化后氣囊對乘員胸部起到了良好的支撐和緩沖效果。同時減小安全帶限力值后，乘客胸部壓縮量顯著降低，其中方案2的效果最好。

4 仿真結果

采用3.3中選定的約束系統優化方案，搭載2.3中選定的整車優化方案，進行帶約束系統的整車碰撞仿真，結果如下：

從仿真結果中可以看出，該車型的正面碰撞性能得到了有效的提升，優化后胸部壓縮量明顯減小，正碰壓縮量由29.9mm減至24.5mm，偏置碰壓縮量由30.7mm減至23.1mm，偏置碰小腿壓縮力也明顯減小，由4.02KN減至2.4KN，均已接近高性能限值。

5 實車驗證

將已進行仿真驗證的方案，搭載進行實車碰撞試驗，圖34-39為乘客胸部壓縮量和主駕小腿力的響應曲線與實車試驗曲線對比；針對C-NCAP 的評分規則，傷害指標的對比結果見表7，分值目標的達成情況見表8。

從圖34-39，表7和表8中可以得出，試驗曲線與仿真曲線的趨勢基本一致，實車試驗中假人傷害值的峰值出現時刻與仿真計算結果大致相同，而且傷害指標的誤差均在10%以內，試驗驗證了仿真模型的有效性，以及所得結論的正確性。

從表8中可以看出，通過胸部和腿部的優化，傷害指標顯著下降，正碰和偏置碰的得分均超過目標，整車碰撞性能得到了有效的提升。

6 總結

某車型正面碰撞仿真中，正碰和偏置碰得分均不滿足目標，正碰和偏置碰中，乘客假人胸部得分較低，偏置碰中主駕假人小腿得分較低，需要優化。同時經過分析發現，乘客側約束系統保護效果較差以及偏置碰前圍侵入量較大，是導致失分的主要原因。

前圍的吸能大小、前圍的抗變形能力以及周邊支撐的強度是影響前圍侵入量的主要因素，通過縱梁截面加大、增加前托架吸能結構、縱梁材料增強、前圍加強、A柱加強板熱成型等措施[6]，有效提高車體的正面耐撞性能：在偏置碰仿真中，前圍侵入量、門框壓縮量減小約25%～30%，加速度峰值基本不變，在正碰仿真中，前圍侵入量略有優化，加速度峰值和門框變形量基本不變。

乘客胸部主要受到安全帶和乘客安全氣囊的共同作用，乘客安全氣囊保護效果受到其支撐性、保護范圍以及與乘客接觸時刻的影響，同時發生器壓力、排氣孔大小、氣袋材料、體積、袋型、折疊方式、拉帶及點火時刻等是優化保護效果的常用參數，本文選擇對乘客安全氣囊袋型、排氣孔直徑以及點火時刻進行改善，優化后的氣囊對乘客胸部起到了良好的支撐和緩沖，搭配減小安全帶限力值，顯著提升了約束系統對胸部的保護性能。

最后通過仿真計算可知，該車型的正面碰撞性能得到了有效的提升，優化后胸部壓縮量明顯減小，正碰壓縮量由29.9mm減至24.5mm，偏置碰壓縮量由30.7mm減至23.1mm，偏置碰小腿壓縮力也明顯減小，由4.02KN減至2.4KN，均已接近高性能限值。同時通過實車碰撞結果驗證了仿真模型的有效性及結論的正確性：通過胸部和腿部的優化，傷害指標顯著下降，正碰和偏置碰的得分均超過目標，整車正面碰撞性能有效提升。

參考文獻：

[1]馬鐵柱.某車正面碰撞車身安全性能研究[D].吉林大學，2012.

[2]錢國強，管立君，林高澤，等.某車型正面碰撞車身結構安全性能優化[C]// 2010中國汽車工程學會年會論文集.2010.

[3]王慶才，李華香，史建鵬.乘用車正面碰撞性能優化仿真研究[J].汽車科技，2011（3）：24-26.

[4]王恒，王星磊，黃穎，等.某車型正面碰撞胸部性能提升及DAB支撐性影響因素研究[J]. 汽車科技， 2017（1）：79-83.

[5]賈艷麗.某車正面碰撞乘員側約束系統仿真及優化[D].遼寧工業大學，2014.

[6]隋軍，趙天麗，宋葉紅，等.某車型正面碰撞車身結構優化[J].汽車工程師，2013（3）：31-3.