車門側面碰撞過程中車門與B柱變形的一致性分析

吳石 趙洪偉

摘 要：為了準確研究碰撞過程中車門和B柱的之間的一致性，更好的分析汽車側面碰撞過程中前后門的變形對B柱形變形的影響，首先根據整車側面碰撞模型信息，采用LS-DYNA對有限元模型進行求解;然后選取車身側圍結構中B 柱上對應假人不同位置點、以及左前門、左后門的位置點，對B柱、前后門侵入量和侵入速度進行動態分析;最后，分析了車門變形與B柱變形過程中的能量變化情況。仿真結果表明，在側面碰撞過程中，侵入速度以及侵入量的變化趨勢相同，侵入速度隨時間變化曲線呈現余弦型變化，侵入量隨時間變化曲線呈現γ型，同時，在整車側面過程中，前后門侵入量侵入速度越大，對B柱影響越大，這為優化門結構和提高門的裝配質量提供了基礎。

關鍵詞：側面碰撞;侵入量;侵入速度;能量變化;一致性

DOI：10.15938/j.jhust.2020.05.015

中圖分類號： TH164;TG501

文獻標志碼： A

文章編號： 1007-2683（2020）05-0106-07

Abstract：In order to accurately study the consistency between the door and the B-pillar during the collision process and better analyze the influence of the deformation of the front and rear doors on the B column deformation during the side collision of the door. Firstly， based on the vehicle side collision model information， the finite element model is solved by LS-DYNA. Then the position of the corresponding position of the dummy on the B-pillar in the body side structure and the position of the left front door and the left rear door are selected to dynamically analyze the intrusion and intrusion speed of the B-pillar and front and rear doors. Finally， the energy changes during the deformation of the door and the deformation of the B-pillar are analyzed. The simulation results show that in the process of side collision， the change trend of intrusion speed and intrusion amount of the door and the B-pillar is the same， the intrusion velocity shows a cosine-type change with time， and the intrusion amount shows a γ-type change with time. In the side process of the vehicle， the greater intrusion speed of the front and rear door intrusion ， the greater influence on the B-pillar， which provides a basis for the optimization of the door structure and the improvement of the assembly quality of the door.

Keywords：side collision; intrusion volume; intrusion velocity; energy change; consistency

0 引 言

隨著汽車保有量的增加，人們越來越重視出行的交通安全，降低道路交通安全事故中的傷亡率，有關碰撞分析一直是研究的熱點問題。在充分研究并借鑒其他國家 NCAP發展經驗的基礎上，結合我國汽車標準、技術和經濟發展水平，中國汽車技術研究中心正式制定了C-NCAP（中國新車評價規程）。由于汽車側面碰撞發生率僅次于汽車正面碰撞的發生率，國內各大汽車企業、研究院以及高校陸續展開對車身側面碰撞的相關試驗研究。

2004年國內奇瑞轎車進行了側面碰撞試驗，為我國歷史上的第一次側面碰撞試驗[1];成艾國、周利輝建立了整車側面碰撞的有限元模型并進行了試驗驗證，在此基礎上建立了很多參數化模型，然后將試驗設計技術[2]、BP神經網絡[3]和多目標遺傳算法[4]相結合來對車身側圍關鍵部件常用的高強度鋼板材料和板料厚度進行優化設計，使得兩者達到合理的配置[5];朱敏， 姬琳等從側面碰撞時 B 柱部件的侵入形態、侵入量及侵入速度[6]這三個安全性指標入手，使用LS-DYNA求解優化B柱結構改善抗撞性[7]，為提高汽車側面碰撞安全性能提供了一定參考[8]。

國外Lesari D等通過研究側碰中乘員的損傷情況，發現側面碰撞中側圍的侵入量很大程度上決定乘員損傷的嚴重程度[9];Chin-Hsu Lin對廂式貨車有限元模型的安全氣囊展開時間與實車試驗時的展開時間進行對比，發現可以通過提高有限元模型的精度來提高仿真結果的可靠性[10];Sinha， Kaushik研究了汽車受到可移動變形壁障車[11]側面撞擊時碰撞側前后車門的撞擊力分布情況，并在此基礎上分析了車身的抗撞性能[12];Pratap Daphal等探討改進側面碰撞試驗與CAE的結構性相關性[13]。

側面碰撞過程中車門和B柱是主要受力部件，侵入速度和侵入量綜合影響著側面碰撞時的安全狀況，而當前考慮車門以及B柱的侵入速度和侵入量關系的研究較少。本文的研究內容是借助相關有限元分析結果，對側面碰撞過程中車門與B柱變化的趨勢進行分析。根據側面結構變形情況，分析各零部件的吸能情況。對后處理結果進行分析，選取車身側圍結構中B柱上對應假人不同位置點的侵入量、侵入速度和變形模式等指標來評價整車結構的抗撞性能;在受撞側左前門、左后門分別取16個、15個測點，對前后門侵入量和侵入速度進行分析對比。

1 車門及B柱模型的建立及參數設置

本文中所使用的研究對象是某新型轎車，本文研究的部分為汽車前后門及B柱，車門及B柱的結構數字模型如圖1所示。

1.1 幾何清理簡化及網格劃分

汽車車身主要從剛度和慣性兩個方面影響車身的抗撞性[13]，因此對相關鈑金結構進行必要的簡化處理，使有限元模型要能夠反映出實際的結構特性[14]。在網格劃分方面，本次模型采用10mm*10mm的基準尺寸劃分，主要使用四邊形單元，較少的使用三角形單元，以避免汽車碰撞過程有限元仿真出現的沙漏現象[15]。沙漏的出現表明單元發生了變形，但是單元的應力和應變沒有發生變化，這種變形只能在理論上產生。控制沙漏能可以采用全積分單元、細化網格、改變加載等方式。

1.2 施加接觸及控制參數設置

在整車碰撞分析中的對于移動變形壁障車與整車之間的接觸及輪胎與地面間的接觸，均采用自動面面接觸，使用關鍵字* AUTOMATIC_SURFACE TO SURFACE *進行設置;對于整車自身接觸和MDB自身接觸均采用自動單面接觸，使用關鍵字*AUTOMATIC_SINGLE_SURFACE*進行設置;對于焊點的接觸，使用關鍵字*TIED_SHELL_EDGE_TO_SURFACE*（固連接觸）進行設置。面面接觸時需要確定主從面，原則是凸面、細網格、剛度大、面積大等特征的做主面，與之接觸的做從面[16];另外，定義的邊界條件包括MDB 的初始速度及全局的重力加速度，得到整車側面碰撞模型如圖2所示，具體整車側面碰撞信息如表1所示。

在汽車碰撞進行模擬時，由于涉及單元的單點積分、時間積分的中心差分法、時間步長控制等一些基本方程，因此采用顯式非線性有限元方法，并且在單元計算中采用單點高斯積分，可以極大地節省數據存儲量和運算次數，同時采用*HOURGLASSCONTROL*進行設置總體附加剛度和粘性阻尼來控制沙漏能。單元內任意點的坐標用節點坐標插值表示為：

式中：φj為參數坐標（ξ，η，ζ）表示的形函數;m為該單元的節點數;xji為節點j的i（i=1，2，3）方向坐標。

2 B柱及車門的碰撞分析

2.1 B柱侵入量和侵入速度

B柱作為汽車側圍結構中的重要承力部件，由于其各截面形狀復雜，在各截面處抵抗彎曲的能力是不同的，若分布不合理，在撞擊中會產生受彎失穩[17]。因此，通常選取車身側圍結構中 B 柱上對應假人不同位置點的侵入量、侵入速度和變形模式[18]等指標來評價整車結構的抗撞性能。本文選用 B柱內板對應假人頭部（Head）、肩部（Beltline）、胸部（Rib）、H 點、門檻位置的最大侵入量、侵入速度作為安全性評價指標[19]。

在車身數模中，將左右B柱外板加強板單獨顯示，B 柱外板加強板從上到下依次對應假人頭部、肩部、胸部、H 點、門檻梁位置，并在相應位置設置剛度很小的拉壓彈簧（10-10N/mm），可以準確表達左右側B 柱內板間距離的變化[20]，如圖3所示，以此來對應假人頭部、肩部、胸部、H 點、門檻梁位置處的最大侵入量。

根據B柱變形量隨侵入時間的相對變化曲線如圖4所示，以向外為正方向，在側碰過程中，B柱在Y方向的侵入量最大。從圖4中可知，所測各點的變化趨勢大致相同，在碰撞發生后，測點的侵入量快速增加，隨著結構件產生變形以及能量的傳遞，在55 ms前后侵入量達到最高，之后隨著部件塑性變形的回彈，侵入量有所減小，最后趨于穩定。

B柱在對應假人胸部位置的侵入速度是影響肋骨變形量和背板力的一個重要指標，GB20071-2006 中要求計算胸部的粘性指標 VC（Viscous Criterion），其含義是假人胸部肋骨形變速度與其形變量的相乘數值。粘性指標的公式如下：

肋骨的形變量與 B 柱的侵入量成正比，而肋骨的形變速度與 B 柱的侵入速度呈正相關。所以，除考慮 B 柱Y方向的侵入量外，B柱內板侵入速度也是側碰中重要的輸出參數，避免由于侵入速度太大對車內人員的人身安全構成威脅。本次仿真結果B柱侵入速度如圖5所示。

從圖5可以看出，在碰撞發生后侵入速度快速上升，隨著結構件產生變形以及能量的傳遞，在15ms前后，侵入速度達到峰值，隨后逐漸減小。其中門柱上部點曲線出現負位移和負速度值，原因是門柱上部和車頂橫梁的連接過于脆弱，導致猛烈的撞擊使得門柱上端發生翹曲，而不是內凹，所以就出現相反方向的位移和速度。

各參考點的侵入量和侵入速度與目標設定的B柱最大侵入量、侵入速度對比如表2所示。結果顯示不是所有考察點都滿足要求，其中B柱中段最大侵入量為306.3mm，最大侵入速度為9.5m/s，遠遠超過設定的限值。侵入量在55ms達到最大值，侵入速度，在15ms前后，侵入速度達到峰值，隨后逐漸減小。

2.2 前后門侵入量和侵入速度

該部分主要針對側圍中前后門侵入量以及侵入速度進行分析，與B柱類似，在受撞側左前門、左后門分別取16個、15個測點，如圖6所示。

本次設定左前后車門最大侵入量目標值均為150mm、最大侵入速度均為7.5m/s，具體侵入量圖、侵入速度圖如圖7至圖10所示。可知，部分測點不滿足要求，其中最大侵入量出現在左后門測點1，值為303.7mm（目標值150mm）;最大侵入速度也為此處，值為10.1m/s（目標值7.5m/s）。侵入量在55ms達到最大值，趨勢與B柱相同均呈γ型變化，侵入速度，在20ms前后，侵入速度達到峰值，隨后逐漸減小，趨勢與B柱相同，均呈余弦函數變化。

3 車門變形與B柱變形能量分析

通過侵入速度以及侵入量的分析，在撞擊力一定的基礎上，車門的侵入量越大，會導致B柱的變形也越大。在側面碰撞過程中，B柱的變形程度與成員的損傷有著直接的關系，由采樣點可以看出，B柱內部的加強部分剛度越高，侵入速度越慢，變形較小，但能量吸收效率會越低。為了更加直觀的分析B柱和車門的變形，基于形態位移云圖對碰撞過程中B柱和車門的變形進行了分析。

可變形的移動壁障（MDB，mobile deformable bar-rier），撞擊車輛時主要與 B柱、前后車門和門檻梁等車身部件發生直接接觸，一般截取0ms、20ms、40ms、60ms、80ms、100ms這六個時刻的整車變形時序圖，如圖11所示。由仿真時序圖可知，側面碰撞的變形區域集中出現在碰撞側的前后車門、碰撞側的門檻梁、碰撞側的車頂側邊梁、地板以及碰撞側的 A柱、B柱、C 柱等區域，而汽車前部發動機艙、后部行李箱、非碰撞側側圍以及車頂蓋等部位發生的變形則相對較小，并且在碰撞的過程中，發生變形的車身各板件會發生不同程度的回彈現象。

由于碰撞中汽車是通過結構吸能來緩沖撞擊的，所以了解碰撞中結構內能的變化情況是非常重要的，特別是單個部件內能的變化情況和各零件吸能多少的比較。在側面碰撞受力情況下，車身的B柱區域、車門結構在碰撞力的傳遞和吸收碰撞能量方面起著十分關鍵的作用。側圍主要吸能結構的吸能情況如圖12所示。

由圖12可看出，在撞擊開始后，汽車側圍包括車門、B柱等都發生變形，首先在B柱4點位置產生屈曲，對未產生屈曲部分影響為零，MDB模型碰撞過程中，當40ms時車門相關吸能部件以及B柱加強板等吸能部件吸能達到峰值。車門變形影響B柱的變形量，至100ms時變形量過大，如圖11（d）所示，會導致乘員艙空間嚴重減小。當車輛發生側面正接觸碰撞時，車門的侵入速度、侵入量越大，對B柱影響越大，造成的受損變形越大。

4 結 論

通過對側面碰撞的模型分別選取B柱（12個點）和車門（受撞側左前門、左后門分別取16個、15個測點）進行了侵入量和能量分析，得到如下結論：

1）B柱的侵入速度及車門侵入速度變化曲線呈現余弦型變化，B柱的侵入量及車門侵入量變化曲線呈現γ型變化，碰撞過程中B柱與車門侵入量及侵入速度變化具有一致性;

2）側圍的碰撞仿真結果表明，當車輛發生側面正接觸碰撞時，車門變形影響B柱的變形量，車門的侵入速度、侵入量越大，對B柱影響越大;

3）當最大侵入速度為7.5m/s時，碰撞發生后100ms時變形量過大，車內成員空間被明顯壓縮，說明該車型側圍強度以及剛度不足，對抗侵入能力較差。

參 考 文 獻：

[1] 田國紅，孫立國，齊登科. 汽車被動安全側碰方面的研討[J]. 汽車實用技術，2015（10）：44.

TIAN Guohong， SUN Liguo， QI Dengke. Discussion on Passive Safety Side of Automobile[J]. Automobile Applied Technology，2015（10）：44.

[2] ZHOU C， ZHANG Z， LIU F， et al. Sensitivity Analysis for Probabilistic Anti-resonance Design of Aeronautical Hydraulic Pipelines[J]. Chinese Journal of Aeronautics，2019， 32（4）：182.

[3] 呂雪軍，李國平，胡力，等. 基于BP神經網絡的FTS輸出控制[J]. 振動與沖擊，2019， 38（7）：85.

LU Xuejun， LI Guoping， HU Li， et al. FTS Output Control Based on BP Neural Network[J]. Journal of Vibration and Shock，2019， 38（7）：85.

[4] 周利輝，成艾國，陳濤，等. 基于BP神經網絡的側碰多目標優化設計[J]. 中國機械工程，2012， 23（17）：2122.

ZHOU Lihui， CHENG Aiguo， CHEN Tao， et al. Multi-objective Optimization of Side Impact Based on BP Network Mode[J]. China Mechanical Engineering，2012， 23（17）：2122.

[5] 朱敏，姬琳，葉輝. 考慮側碰的汽車B柱加強板材料性能梯度優化[J]. 吉林大學學報（工學版），2011， 41（5）：1210.

ZHU Min， JI Lin， YE Hui. Optimization of Yield Stress Distribution in B Pillar Reinforcement Panel Regarding Side Crashworthiness[J]. Journal of Jilin UniversityEngineering and Technology Edition）， 2011， 41（5）：1210.

[6] 王帥，廉哲滿. 基于正交實驗法汽車B柱側面碰撞仿真分析[J]. 機械工程師，2018（3）：77.

WANG Shuai， LIAN Zheman. Simulation Analysis of Automobile B Column Side Based on Orthogonal Experiment[J]. Mechanical Engineer， 2018（3）：77.

[7] 胡遠志，甘順，劉西. 某微型面包車正面碰撞變形控制與結構耐撞性優化[J]. 科學技術與工程，2018（18）：105.

HU Yuanzhi， GAN Shun， LIU Xi. Deformation Control and Structure Crashworthiness Optimization for a Certain Minivan in the Event of a Frontal Collision[J]. Science Technology and Engineering， 2018（18）：105.

[8] LESARI D， RAMET M， HERRY-MARTIN D. Injury Mechanisms in Side Impact[C]// SAE World Congress. USA， 1978.

[9] LILEHKOOHI A H， FAIEZA AA， SAHARI B B， et al. Effect of Material on Crashwort-hiness for Side Doors and B Pillar Subjected to Euro NCAP Side Impact Crash Test[J]. Advanced Science Letters， 2013， 19（2）：359.

[10]SINHA K， KRISHNAN R， RAGHAVENDRA D. Multi-objective Robust Optimization for Crashworthiness During Side Impact[J]. International Journal of Vehicle Design， 2006， 43（1/4）：116.

[11]TEMEL S， VURAN M C， LUNAR M M R， et al. Vehicle-to-barrier Communication During Real-world Vehicle Crash Tests[J]. Computer Communications，2018， 127（9）：172.

[12]PRATAP D， SACHIN L， SARANG K， et al. A Study on Improvements in Side Impact Test vs CAE Structural Correlation[C]// Symposium on International Automotive Technology 2013， January 9/12. Campus Pune. India， 2013：25322.

[13]SHI L， HAN Y， HUANG H， et al. Analysis of Pedestrian-to-ground Impact Injury Risk in Vehicle-to-pedestrian Collisions Based on Rotation Angles[J]. Journal of Safety Research， 2017， 64（2）： 37.

[14]邊弘曄，李鶴，聞邦椿. HyperMesh有限元前處理關鍵技術研究[J]. 機床與液壓， 2008， 36（4）：160.

BIAN Hongye， LI He， WEN Bangchun. Study on the Key Techniques of Finite Element Preprocessing Based on HyperMesh[J]. Machine Tool and Hydraulics， 2008， 36（4）：160.

[15]李兢，王桂錄，衛勇. 海纜側壓仿真中的沙漏控制研究[J]. 機械強度， 2017（6）：229.

LI Jing， WANG Guilu， WEI Yong.Research of Hourglass Modes Control in the Simulation of the Squeezing of Ocean Cable[J]. Journal of Mechanical Strength， 2017（6）：229.

[16]余飛，宋景喆，羅會信. 基于HyperMesh的一次減速器的模態分析[J]. 機械設計與制造， 2007（2）：146.

YU Fei， SONG Jingzhe， LUO Huixin. Modal Analysis of 1st Reducer Based on Hypermesh[J]. Machinery Design and Manufacture， 2007（2）：146.

[17]魯后國， 李鐵柱， 闞洪貴. 基于仿真分析的汽車B柱側面碰撞性能設計[J]. 機械設計與制造， 2017（7）：220.

LU Houguo， LI Tiezhu， KAN Honggui. Performance Improvement of the Automotive Body B-pillar Based on Simulation Analysis[J]. Machinery Design and Manufacture， 2017（7）：220.

[18]LEI Q.， BHAGWANT P， TAHA S. Safety Evaluation of Freeway Acceleration Lanes Based on Crashes and Simulated Conflicts. Canadian Journal of Civil Engineering， 2018， 45（1）：51.

[19]鄭何妍，盧耀輝，趙智堂，等. 汽車整車結構側面耐撞性有限元數值模擬[J]. 裝備環境工程， 2017， 14（12）：45.

ZHENG Heyan， LU Yaohui， ZHAO Zhitang， et al. FEM Numerical Simulation of Side Crashworthiness for Vehicle Structure[J]. Equipment Environmental Engineering， 2017， 14（12）：45.

[20]丁海建，季鈺榮，周會鋒. 基于整車試驗的前排雙假人側面碰撞工況預研[J]. 上海汽車， 2017（9）：59.

DING Haijian， JI Yurong， ZHOU Huifeng. Pre-research on the Side Collision Conditions of the Front Double Dummy Based on Vehicle Test[J]. Shanghai Auto， 2017（9）：59.

（編輯：王 萍）