某車型25%小偏置碰撞車體結構優化仿真研究

農天武，賈麗剛，林智桂，張驥超，劉家員

(1.上汽通用五菱汽車股份有限公司，廣西柳州 545007；2.寶山鋼鐵股份有限公司研究院，上海 201900；3.澳汰爾工程軟件(上海)有限公司，上海 200436)

0 引言

廣義的小偏置被定義為20%～40%之間的重疊[1]，近年來由于小偏置事故頻發且死亡率居高不下，人們逐漸認識到正面小偏置碰撞試驗的重要性，很多國家將小偏置碰撞試驗引入汽車被動安全開發中。

2012年，25%小偏置碰撞試驗首次被美國安全保險協會(Insurance Institute for Highway Safety,IIHS)引入到實驗法規，但是在最初試驗評估的幾款車型表現都較差。2014年，MUELLER等[2]曾對小偏置進行過深入研究，從設計的角度指出不同結構對小偏置試驗的影響。2015年，SAUNDERS等[3]研究了不同重疊面積的試驗方法，并得出不同類型車輛的研究報告，為后續的車輛開發提供了寶貴經驗。

從IIHS公布的測試車輛中收集240余款進行研究,結合某款SUV 25%小偏置測試的碰撞策略仿真研究，目標是既能順利通過法規又能符合輕量化和低成本的要求。對摸底試驗車進行對標仿真分析,找出不符合小偏置試驗的因素,針對其不足從碰撞策略上進行改進,對比不同的策略方案設計，將吸能+掠過策略作為最終的策略方案。

1 有限元模型簡述

1.1 有限元模型

摸底試驗車網格數量約為230萬(只對車體結構進行評估，不帶假人)，整車質量為1 914 kg，運用Altair的RADIOSS求解器作為仿真分析工具，分析有限元邊界條件基于IIHS法規的測試內容。

仿真的邊界條件設置如下：小重疊障礙碰撞測試是(25±1)%的重疊，初始速度設置為64.4 km/h。測試車輛與剛性屏障發生碰撞, 壁障的右邊緣重疊于車輛左邊中心線(25±1)%的車輛寬度[4],如圖1所示。

圖1 IIHS碰撞測試

1.2 有限元模型可靠性

仿真和試驗的A柱變形圖及B柱下端加速度曲線對比分別如圖2、圖3所示。變形圖顯示A柱的折彎位置一致；加速度曲線一致性較高，驗證了模型的準確度。

圖2 A柱變形對比

圖3 仿真與試驗B柱下端加速度-時間曲線

2 不同碰撞策略的仿真分析

對摸底試驗車進行分析發現，碰撞后的門環彎折、門檻梁破損較嚴重，評價等級為Poor，需要對車體傳力進行改進。對于縱梁的傳力，一種方式是通過保險杠橫梁經過吸能盒傳到縱梁，但是此種方式要求保險杠橫梁足夠長，這會影響到造型和行人保護的小腿保護，改動量較大；另一種方法是通過ShotGun前部與縱梁搭接處將力傳到縱梁上，此方案要求ShotGun前部搭接要足夠強。ShotGun傳力是小偏置碰撞的主要傳力路徑，并且不同策略的界定也是根據ShotGun的形式決定。

根據IIHS公布的測試車研究得到3種碰撞策略：吸能策略、掠過策略、吸能+掠過策略。同時，分析摸底車碰撞得出的不足之處和原因，同樣設置3種碰撞策略，最后將3種仿真結果進行對比。

2.1 25%小偏置碰撞理論

根據SAE J 224標準研究的汽車分區結構[5]，將汽車碰撞區域分為四大區域、9個小部分。其中前5個小部分為等效吸能區；第6部分為前風擋過渡區；第7、第8部分構成前乘員艙區；第9部分為后乘員艙區(分界線是前門鎖扣)，如圖4所示。

圖4 測試車輛的碰撞區域分類

區域一是等效區，從防撞梁到ShotGun前端段；區域二是前風擋過渡區，從ShotGun后端到前風擋段；區域三是安全區，乘員生存空間段。碰撞時各部分的能量變化是：

(1)

2.2 方案一：吸能策略

吸能方案相對容易改進，主要是加強各個吸能區域結構，因此很多主機廠只注重加強乘員艙，而忽略吸能的作用[5]。吸能策略的可行性較高，但在碰撞時容易產生很大的車身加速度，對于乘員的傷害會很大，必須配合較好的約束系統才能得到較高得分。由于小偏置碰撞時傳力主要經過ShotGun、門檻以及門環等部分，而門環是乘員艙重要的組成部分。為保證乘員艙的完整性，不能將門環作為吸能的主體，這也是小偏置測試中結構設計的難點。對于此次方案改進來說，很多改動受到限制，并且還要考慮到加工難度、成本等問題，因此主要從白車身和車門的局部進行改進。

考慮到ShotGun既要吸能又要有較好的剛度，將其厚度略微加大、材料不變；門環依然采用搭接焊，但是將材料提升的同時門環厚度加大，采用B1500HS材料，并在A柱內加入厚度為1.5 mm的加強板，提升門環的剛度。在門檻前端增加一Y向支撐板，這是因為在仿真結果中車輪在碰撞后期擠進門檻，造成側向侵入量過大，影響門檻處得分。

方案一相對于摸底車模型調整22塊結構件，整體質量增加25.2 kg。此方案在輕量化方面處于弱勢，其優勢是不需要單獨設計導向結構，主要是厚度和材料屬性的變化，改進實施性較好，如圖5所示。

圖5 方案一優化后的車身

2.3 方案二：掠過策略

在方案一的基礎上重新設計ShotGun的結構，采用帶有一定弧度的ShotGun，最大圓弧半徑為670 mm，單獨的導向結構可以使車輛在碰撞時掠過壁障，且這種策略的優勢是碰撞造成的乘客艙侵入量很小。IIHS公布的測試結果中，采用此種碰撞策略的測試車輛結構評分都是Good等級。

將白車身ShotGun的結構重新設計，發動機艙內部的部分結構件配合更改，例如將蓄電池進行90°旋轉；整個門環分為4段并采用先進的無縫激光拼焊工藝，提高焊接精度和門環的強度。方案二相對于摸底車模型調整20塊結構件，整體質量增加18.7 kg，如圖6所示。

圖6 方案二優化后的車身

2.4 方案三：掠過+吸能策略

對方案一和方案二進行整合，將其定義為掠過+吸能碰撞策略。由于ShotGun設計具有一定的導向和吸能作用，可吸收大部分能量，同時對乘員艙(門環)進行加強可抵抗沖擊力。合理地設計導向作用，在碰撞后期會產生滑移的作用。重新設計ShotGun的結構形式，如圖7所示。

圖7 方案三優化后的車身

同時將周圍緊密配合的鈑金件改進設計，例如減震塔、內封板等。門環采用不同厚度的激光無縫焊接技術保證車身的剛度，同時在A柱內增加加強板，且在A柱下門檻處增加兩個加強件。碰撞時兩個加強件可以抵住A柱內加強板的沖擊，使整個門檻梁得到加強，保證碰撞時A柱和門檻的完整性。方案三相對于摸底車模型調整了28塊結構件(包括原基礎改動部件)，整體質量增加12.3 kg。

同時，優化副車架的碰撞力傳遞路徑，改進設計理念是在有限的重疊面上分散碰撞的沖擊力，不同結構的傳遞路線如圖8所示。

圖8 優化后的副車架

3 優化模型分析結果及評估

3.1 侵入量對比結果

(1)圖9(a)為摸底車門框變形，圖9(b)為方案一門框變形，門框抵擋較強的沖擊，乘客艙保持較完整，但門檻前端處出現明顯的彎折，側向的侵入量較大，且上A柱上半部出現彎折。根據IIHS對小偏置測試的要求，輸出乘員艙侵入量的數值，如表1所示。上車體結構和下車體結構可以得到Good的評分，但是在上鉸鏈的測量點處得分僅為Accept，說明對乘員有一定的安全威脅。優化策略與預期目標有一定的差距，但是此方案比摸底車結果好，仍然有進一步的優化空間[6]。

圖9 門框變形

(2)對于方案二，掠過方案較好的避開了壁障的阻礙，從仿真結果看，可以輕松得到Good的評分。如圖9(c)所示，乘員艙幾乎不變形，只有A柱下端產生較小的彎折，此方案可以有效保證乘員艙完整性。碰撞中產生加速度較小，乘員傷害進一步減小。但此種碰撞策略在實際車輛事故中存在較大隱患，產生二次事故的概率較大。

(3)對于方案三，掠過+吸能的策略是方案一和二的結合體。將前兩種方案改良，能達到預期的效果，從表1數值看出，評分可以得到Good的安全等級。如圖9(d)所示，在小偏置碰撞試驗中，ShotGun潰縮變形起到吸能作用，當壁障達到乘員艙區域時，門框完全可以抵擋住剩余的沖擊力，可看出整個門環變形很小，且碰撞后車輛產生一定的轉角而停止，有效防止了二次碰撞傷害[7-8]。

表1 3種方案的侵入量對比

3.2 3種方案其他參數結果對比

由于此次是基于該款車型的小偏置碰撞優化，所以要保證盡可能少地改動車身結構，降低造車成本。各個方案的質量變化對比，如表2所示。

表2 3種方案質量增加量 kg

同時，對碰撞中的加速度進行評估，輸出白車身左側B柱下端加速度曲線, 如圖10所示。對比加速度曲線，方案一的加速度達到80g，嚴重超出經驗值；而方案二、三的加速度比較緩和且小于40g，是比較正常的碰撞狀態。

圖10 3種方案的加速度對比

從節約成本的角度出發，改款車要求降低更改費用，而且要考慮與其他零件的匹配問題。盡管掠過方式對于小偏置測試結果會更好，但與前端的大燈、發動機艙部件以及其他附件產生嚴重的干涉，要重新設計和改進更多的零件，導致成本升高。該款SUV車輛在改款時選用方案三作為改進策略，此方案優勢是改進的輕量化設計程度最高，且零件容易改制，其車輛結構評價達到Good等級。

4 結論

隨著國內C-IASI(中國保險汽車安全指數)法規試驗要求的不斷完善，小偏置碰撞測試將逐漸受到各大汽車廠家的重點關注。通過仿真測試研究，得到車輛結構評價從最初Poor等級提高到Good等級的最佳方案。

針對3種碰撞策略模型，運用Altair的RADIOSS求解器做不同方案的仿真分析。對于3種優化的碰撞策略，從耐撞有效性、改款適應性和輕量化的角度進行對比研究得出：(1)掠過策略在小偏置碰撞測試中最有效，但實施性較難且存在二次碰撞的風險。(2)掠過+吸能策略有效性次之，實施性適中。(3)吸能策略有效性相對較差，但實施性好。(4)車輛改款設計要綜合考慮其有效性和成本的問題，因此掠過+吸能的改進方案更占優勢，并且碰撞后的車身結構評價等級達到Good等級。