汽車A柱上內飾板側氣簾爆破設計及仿真驗證

魏文華　劉亭亭

摘 要：研究了表面帶有針織布包覆的A柱上內飾板以及不帶針織布包覆的A柱上內飾板配備有側氣簾的結構設計，建立了A柱內飾板CAE力學仿真模型，驗證了在側氣簾爆破時A柱上內飾板受力破損情況，并提出改進建議，為A柱內飾板結構設計提供了理論分析依據。

關鍵詞：A柱內飾板;氣簾;二級卡扣;CAE;仿真

1 前言

隨著汽車安全[1]法規要求的不斷提高，保護駕駛員和成員頭部側面碰撞的側氣簾[2]設計愈來愈普遍，側氣簾布置在車身上邊梁和頂棚立柱之間[3]，然而側氣簾爆破時A柱上內飾板的破裂飛濺時有發生造成對車內人員的傷害[4]，各大主機廠在整車開發時期車輛側面碰撞或偏置碰撞試驗中，氣簾爆破A柱上內飾板破裂飛濺整改周期及費用都較大，需要做多輪整改碰撞驗證。為降低A柱上內飾板爆破飛濺風險，本文研究A柱上內飾板與頂棚的配合關系設計要求、二級卡扣的設計要求以及A柱上內飾板結構設計，最后建立A柱上內飾板氣簾爆破力學模型，通過CAE仿真分析氣簾爆破時，A柱上內飾板板卡扣座受力后二級卡扣能否正常打開以及A柱上內飾板本體破損情況并提出改進建議。

2 A柱上內飾板系統設計

2.1 A柱上內飾板與頂棚的配合要求

A柱上內飾板壓接頂棚要求盡量大，一般要求大于15mm，以便頂棚給A柱上內飾板盡量多的保護，側氣簾爆破時，氣簾拉帶[5]力作用在頂棚上而不直接切割A柱上內飾板，通過頂棚傳遞A柱上內飾板開啟力。

2.2 A柱上內飾板設計方案探討

2.2.1 表面帶包覆的A柱上內飾板

對于表面帶針織布包覆的A柱上內飾板側氣簾爆破，A柱上內飾板注塑本體與針織布通常采用低壓注塑工藝成型，便于滿足環保要求。A柱上內飾板本體材料選擇ABS，強度高，收縮率小，尺寸穩定，適用于中高檔車型，若選擇用PP材料做A柱上內飾板本體，則成本較低。ABS、PP材料優缺點對比見表1。

A柱上內飾板本體采用減弱槽設計，長度大于拉帶在A柱內飾板內的長度。當側氣簾發生爆破時，氣簾拉帶給A柱內飾板一個側面向下切向力，由于減弱槽在該處的弱化，A柱內飾板沿減弱槽形變打開（由于表面覆蓋有針織布，A柱內飾板本體在減弱槽處開裂粘連在針織布上而不脫落），拉帶從A柱內飾板與側圍上鈑金之間拉出，實現側氣簾展開的功能。

2.2.2 表面無包覆的A柱上內飾板

對于不帶針織布包覆的A柱上內飾板側氣簾爆破若用減弱槽的設計，氣簾爆破時，A柱上內飾板在減弱槽處破裂飛濺的風險非常大，因此本文研究采用二級卡扣設計。

（1）A柱上內飾板二級卡扣設計要求

二級卡扣即可以實現A柱上內飾板與車身的安裝固定功能，同時當受到氣簾拉帶（或氣簾）的外力作用下，一級卡接可以打開，A柱上內飾板張開一定距離，最后通過二級卡接將A柱上內飾板與鈑金拉住保證A柱上內飾板不脫落，氣簾拉帶從A柱上內飾板與前門框密封條處拉出實現側氣簾側面展開保護人體頭部免受傷害的作用。二級卡扣拉帶長度設計一般60mm，一級卡接打開力要求150N，如果一級卡扣打開力小，A柱上內飾板一級卡扣存在卡接不牢易松出的風險，若打開力太大，A柱上內飾板在側氣簾爆破時不易打開，受力面容易被氣簾拉帶割破產生飛濺。第二級卡接一端與A柱上內飾板固定，另一端與側圍鈑金固定，卡接力要求均大于300N，保證二級卡接在側氣簾爆破時不脫出鈑金或A柱內飾板，二級卡扣及裝配固定結構如圖1所示。

（2）A柱上內飾板結構設計

由于側氣簾拉帶布置在A柱上內飾板內部，氣簾爆破時側氣簾拉帶對A柱內飾板爆破力分解為Y向力FY和Z向力FZ，FY與A柱上內飾板安裝方向一致，使A柱上內飾板一級卡接可打開，FZ對A柱上內飾板剪切作用，該力的作用面存在易破損飛濺的風險。

因此，初步構想在二級卡扣座與拉帶之間設計內飾板加強座，模具通過滑塊抽芯實現，防止A柱上內飾板由于拉帶的作用力而產生破裂。A柱上內飾板結構設計及受力分析如圖2所示。

3 A柱上內飾板CAE仿真驗證

3.1 A柱內飾板材料特性表2（選用某PP材料）

3.2 A柱上內飾板仿真模型

仿真模型[6]建立力學條件：設定側氣簾拉帶爆破力400N，作用力方向平行與XZ平面，均勻分布作用在A柱上內飾板加強座受力面上，建立力學模型要求如圖3所示。

仿真結果1：

最大拉伸變形發生在A柱上內飾板加強座與二級卡扣座連接處，變形強度為44.3MP，如圖4所示。

A柱上內飾板二級卡扣座Y向受力為68.8N，仿真結果如圖5所示。

結論：A柱內飾板卡扣座Y向力FY等于二級卡扣一級卡接力，即一級卡接打開力68.8N，小于150N，A柱內飾板一級卡扣不能打開，而且卡扣座受力后拉伸變形44.3MP大于材料允許拉伸變形20MP，A柱內飾板將產生爆破破裂。

解決方案：在加強卡扣座與二級卡扣安裝座之間增加導向斜筋設計，增大爆破力Y向分力FY便于二級卡扣正常打開，并且便于氣簾拉帶沿著導向加強筋滑出A柱上內飾板，如圖6所示。

力學模型建立：為驗證A柱內飾板的正常彈開，設定氣簾拉帶爆破力800N，作用力方向平行于XZ平面，均勻作用在導向加強斜筋上。

仿真結果2：

A柱內飾板上二級卡扣Y向受力175N，如圖7所示。

加強座與二級卡扣座連接處最大拉伸變形35MP，如圖8所示。

結論2：仿真結果二級卡扣Y向作用力175N大于一級卡接力150N，二級卡扣可以正常打開，A柱上內飾板最大變形在二級卡扣與導向加強斜筋交接處，該處設計數據以R10圓角處理，但軟件劃分網格存在2mm誤差，該理論相切處產生了網格突變，造成應力集中，仿真失真較大，因此該處拉手強度超標不做考察，仿真分析滿足爆破設計要求。

4 結束語

本文重點研究了設計有二級卡扣結構形式A柱內飾板爆破受力，通過假設側氣簾爆破時氣簾拉帶作用在A柱上內飾板上的不同作用力大小，分析A柱內飾板二級卡扣在側氣簾拉帶作用力下能否正常開啟以及塑料件拉伸變形與材料許用最大變形比較分析破裂情況，該方法可用于指導A柱上內飾板設計時結構優化。

參考文獻：

[1]張紅剛.汽車側氣簾結構設計安全性論述[J].交通安全 201605，54-57.

[2]GB 19949.1-2005 道路車輛安全氣囊部件.第1部分：術語[S].

[3]馮靜. 側氣簾系統試驗中的開發研究[J]. 2014 北京汽車，5-9.

[4]陳鐘洲，周大永，劉衛國 等.側面安全氣簾的設計與開發技術[J].農業裝備與車輛工程 2011（7），7-10.

[5]程勇、陳曉東、張勁.汽車側面安全氣簾關鍵開發技術[J].2008 汽車工程，156-159.

[6]葛如海，王德寶，胡滿江，張學榮，陳曉東側氣簾開發與試驗驗證研究[J].車輛與動力技術，2013（2）.