某車型側(cè)面柱碰工況安全性能分析及優(yōu)化

李根，李學(xué)言，楊帥，郝毅

(中國汽車技術(shù)研究中心有限公司，天津 300300)

0 引言

隨著我國汽車工業(yè)的飛速發(fā)展、汽車保有量大幅提升，車輛交通安全也成為重要的公共安全問題。常見車輛碰撞工況主要包括正面碰撞、側(cè)面碰撞、翻滾、追尾以及行人碰撞等，其中側(cè)面碰撞占比約為28%，且死亡率高達(dá)34%[1]，其重要原因是車輛側(cè)面的碰撞吸能空間較小，當(dāng)車輛與剛性較大的柱狀物發(fā)生碰撞時(shí)，往往車身變形程度很大，使車內(nèi)乘員發(fā)生嚴(yán)重二次碰撞，直接影響乘員的生命安全[2]。目前歐洲ECE法規(guī)以及Euro-NCAP中均包含側(cè)面柱碰工況的考查[3]，國內(nèi)也已在2014年發(fā)布了《汽車側(cè)面柱碰撞的乘員保護(hù)》征求意見函[4]，且在2021版C-NCAP中也將要推出側(cè)面柱碰測試工況，同時(shí)國內(nèi)各大汽車主機(jī)廠以及相關(guān)科研單位在車輛研發(fā)過程中對車輛側(cè)面柱碰工況中的安全性能也給予了空前的重視。

本文作者針對某車型在Euro-NCAP側(cè)面柱碰工況中出現(xiàn)的側(cè)面結(jié)構(gòu)變形過大，前門、B柱入侵量和入侵速度過大，車身側(cè)面?zhèn)髁β窂讲煌晟频惹闆r，提出了結(jié)構(gòu)優(yōu)化方案，改善了側(cè)柱工況的結(jié)構(gòu)變形基礎(chǔ)，最終減小了乘員傷害。

1 側(cè)面柱碰工況車身結(jié)構(gòu)及乘員傷害問題分析

1.1 側(cè)面柱碰工況簡介

側(cè)面柱碰工況示意如圖1所示。

碰撞速度：32 km/h，方向與車輛縱向?qū)ΨQ面成75°；

前排試驗(yàn)假人： WS 50%男性；

后排試驗(yàn)假人：無；

試驗(yàn)壁障：直徑254 mm剛性柱；

壁障定位方式：壁障中心線對準(zhǔn)前排假人頭部質(zhì)心。

圖1 側(cè)面柱碰工況示意

1.2 安全性能問題分析

根據(jù)側(cè)面柱碰工況建立該車型整車結(jié)構(gòu)耐撞性以及駕駛員位約束系統(tǒng)仿真分析模型。其中整車結(jié)構(gòu)耐撞性模型中[5]，對整車賦予32 km/h初速度，其速度方向與車輛縱向?qū)ΨQ面成75°，以結(jié)構(gòu)耐撞性模型為基礎(chǔ)，建立約束系統(tǒng)仿真模型，對結(jié)構(gòu)耐撞性分析結(jié)果中的前門、B柱、地板等區(qū)域提取速度曲線作為約束系統(tǒng)模型的邊界條件[6]。仿真模型如圖2所示。

圖2 仿真模型

對上述模型進(jìn)行仿真分析可得：

(1)車身結(jié)構(gòu)分析

整體來看，車身與壁障接觸區(qū)域變形程度較大，其中駕駛員側(cè)門檻、車門、B柱以及前地板等區(qū)域變形明顯，車身側(cè)面整體支撐強(qiáng)度較弱，且地板Y向傳力路徑不完善導(dǎo)致中通道變形嚴(yán)重，整體車身結(jié)構(gòu)耐撞性較差。關(guān)鍵區(qū)域結(jié)構(gòu)變形如圖3所示。

左前門內(nèi)板與駕駛員傷害部位對應(yīng)區(qū)域的入侵量及入侵速度如圖4所示。

統(tǒng)計(jì)前門入侵情況如表1所示。

圖3 關(guān)鍵區(qū)域結(jié)構(gòu)變形

圖4 車門內(nèi)板入侵量及入侵速度曲線

表1 前車門內(nèi)板Y向入侵量及入侵速度峰值統(tǒng)計(jì)

由前門入侵情況可知：3個(gè)考查區(qū)域的入侵量及入侵速度整體較為接近，入侵狀況嚴(yán)重，其中入侵量最大值為331.94 mm，入侵速度最大值為11.93 m/s。

左B柱內(nèi)板與駕駛員傷害部位對應(yīng)區(qū)域的入侵量及入侵速度如圖5所示。

圖5 左B柱內(nèi)板入侵量及入侵速度曲線

統(tǒng)計(jì)B柱入侵情況如表2所示。

表2 B柱內(nèi)板Y向入侵量及入侵速度峰值統(tǒng)計(jì)

由B柱入侵情況可知，頭部區(qū)域位置較高，入侵情況相對較小，胸、腹、骨盆3個(gè)區(qū)域入侵情況較為接近，其中入侵量最大值為277.6 mm，入侵速度最大值為9.82 m/s。因B柱沒在壁障直接碰撞區(qū)域，其入侵情況相對前門較小，但前門入侵情況也一定程度受B柱強(qiáng)度的影響，需保證B柱自身強(qiáng)度。

根據(jù)該車型當(dāng)前狀態(tài)結(jié)構(gòu)變形與入侵狀況可知，由于門檻、B柱、前座椅橫梁以及中通道等區(qū)域整體強(qiáng)度不足，Y向支撐能力欠佳，導(dǎo)致與乘員傷害部位對應(yīng)的車門及B柱區(qū)域入侵程度較大，最終會(huì)進(jìn)一步影響乘員傷害。

(2)乘員傷害分析

對約束系統(tǒng)模型進(jìn)行仿真分析可得該結(jié)構(gòu)狀態(tài)下駕駛員各部位傷害統(tǒng)計(jì)如表3所示。

表3 側(cè)面柱碰工況駕駛員傷害結(jié)果統(tǒng)計(jì)(優(yōu)化前)

該車型當(dāng)前結(jié)構(gòu)狀態(tài)下駕駛員傷害問題部位集中在胸腹區(qū)域，結(jié)合車身結(jié)構(gòu)狀態(tài)可推斷:過大的前門Y向入侵造成了駕駛員胸腹部位傷害較大，其中胸部區(qū)域壓縮量過大，失分嚴(yán)重，且腹部壓縮量余量很小，臨近罰分。

結(jié)合側(cè)面柱碰工況特點(diǎn)以及該車型在碰撞中的結(jié)構(gòu)變形與乘員傷害狀態(tài)可知，該工況中車輛與剛性柱發(fā)生直接碰撞，絕大部分能量需要從車輛碰撞區(qū)域通過相應(yīng)的Y向傳力路徑吸收，對車身局部區(qū)域的強(qiáng)度要求很高，當(dāng)該區(qū)域Y向支撐強(qiáng)度不足時(shí)，將直接導(dǎo)致碰撞區(qū)域的入侵過大，從而進(jìn)一步消耗乘員的生存空間，造成乘員傷害，且一般乘用車的側(cè)面乘員空間往往小于側(cè)面柱碰工況的入侵量，所以對于側(cè)面柱碰工況，側(cè)面結(jié)構(gòu)強(qiáng)度的提升會(huì)更為直接地影響乘員傷害情況。

2 結(jié)構(gòu)優(yōu)化分析

2.1 優(yōu)化方案

通過對整車側(cè)面柱碰結(jié)果分析，對車身結(jié)構(gòu)中不足處進(jìn)行相應(yīng)優(yōu)化：

(1)地板傳力路徑

在中通道與前座椅橫梁搭接區(qū)域增添兩個(gè)幾字形加強(qiáng)件，其材料為HC340/590、厚度為1.4 mm，使車身地板區(qū)域的Y向傳力路徑貫通，如圖6所示。

圖6 中通道區(qū)域加強(qiáng)優(yōu)化方案

(2)前座椅安裝橫梁

前座椅前安裝橫梁材料由HC340/590提升為HC420/780，厚度保持1.4 mm不變；前座椅后安裝橫梁材料保持BR1500HS不變，厚度由1.2 mm提升為1.4 mm。

(3)門檻

門檻內(nèi)板材料由HC420/780提升為BR1500HS，厚度由1.4 mm降低為1.2 mm；門檻外板材料由HC420/780提升為BR1500HS，厚度由1.6 mm降低為1.4 mm；并在門檻內(nèi)與前座椅后橫梁搭接區(qū)域添加支撐件，該件材料為HC340/590，厚度為1.6 mm，如圖7所示。

(4)B柱

向下延伸B柱內(nèi)加強(qiáng)板，提升B柱下段自身強(qiáng)度，如圖8所示。

圖7 門檻區(qū)域加強(qiáng)方案 圖8 B柱區(qū)域加強(qiáng)優(yōu)化方案

2.2 優(yōu)化結(jié)果分析

對該車型進(jìn)行以上結(jié)構(gòu)優(yōu)化，并提取結(jié)構(gòu)仿真結(jié)果進(jìn)行約束系統(tǒng)驗(yàn)證，分析其結(jié)構(gòu)入侵差異及乘員傷害情況。

(1)結(jié)構(gòu)耐撞性分析

前門入侵優(yōu)化結(jié)果如表4所示,B柱入侵優(yōu)化結(jié)果如表5所示。

表4 前門入侵情況優(yōu)化結(jié)果統(tǒng)計(jì)

經(jīng)車身結(jié)構(gòu)優(yōu)化，前門、B柱的乘員傷害對應(yīng)區(qū)域入侵量和入侵速度峰值均有明顯降低，優(yōu)化率基本為20%～30%。以上結(jié)構(gòu)優(yōu)化方案對提升車身側(cè)面支撐強(qiáng)度、減小入侵程度效果明顯，進(jìn)一步保障了乘員生存空間。

(2)乘員傷害分析

提取優(yōu)化后結(jié)構(gòu)變形，更新約束系統(tǒng)模型的邊界條件，驗(yàn)證乘員傷害優(yōu)化情況，如表6所示。

表6 優(yōu)化后側(cè)面柱碰工況駕駛員傷害結(jié)果統(tǒng)計(jì)與對比

分析乘員傷害情況，每個(gè)考查部位傷害均有不同程度降低；其中胸、腹部壓縮量減小程度明顯，胸部壓縮量有效優(yōu)化率為18.97%，略有罰分，腹部壓縮量有效優(yōu)化率為15.93%，余量大幅提升，沒有罰分風(fēng)險(xiǎn)，頭和骨盆部位也有明顯改善。

經(jīng)對車身結(jié)構(gòu)進(jìn)行優(yōu)化分析，車身關(guān)鍵區(qū)域結(jié)構(gòu)變形以及車門、B柱的側(cè)面入侵等方面優(yōu)化效果明顯，提升了乘員的生存空間，改善了碰撞環(huán)境，最終實(shí)現(xiàn)了減小乘員傷害的目的。

3 結(jié)論

針對某車型在側(cè)面柱碰工況中存在的結(jié)構(gòu)問題進(jìn)行了分析，結(jié)合有限元仿真方法提出并驗(yàn)證了結(jié)構(gòu)優(yōu)化方案的有效性，最終改善了車身整體變形，降低了乘員傷害，也為后期其他車型的側(cè)面柱碰工況安全性能開發(fā)提出了優(yōu)化思路及建議。可以得出以下幾點(diǎn)結(jié)論：

(1)側(cè)面柱碰工況中，大幅的側(cè)面入侵使乘員生存環(huán)境極其惡劣，良好的車身結(jié)構(gòu)狀態(tài)對保障乘員安全尤為重要；

(2)通過完善車身側(cè)面?zhèn)髁β窂揭约疤嵘T檻、B柱、前座椅橫梁強(qiáng)度等方案，可有效改善車身整體變形，降低前門及B柱的側(cè)面入侵程度，最終降低乘員傷害。