某乘用車側面碰撞安全性仿真分析

王天博 田國富 王濤

摘? 要：為研究某乘用車型在發生側面碰撞時是否滿足國家安全標準，以有限元仿真為基礎，對該乘用車進行側面碰撞安全性分析。首先搭建整車側面碰撞模型并設置計算參數;然后將模型的k文件導入到LS-DYNA軟件中進行仿真計算;最后利用后處理軟件觀察整車碰撞時序圖及B柱的變形模式，并參照國家側面碰撞相關法規，發現該乘用車型存在B柱侵入量及侵入速度過大的問題，影響了汽車側面碰撞的安全性。

關鍵詞：某乘用車;有限元仿真;碰撞;B柱

中圖分類號：U467.13? ? 文獻標識碼：A? ? 文章編號：1005-2550（2021）01-0082-05

Abstract： In order to study whether a passenger car meets the national safety standard in the event of a side impact， the side impact safety analysis of the passenger car is carried out based on finite element simulation. Firstly， a vehicle side impact model is built and calculation parameters are set. Then the k file of the model is imported into LS-DYNA software for simulation calculation; Finally， the post-processing software is used to observe the collision timing diagram and deformation mode of B-pillar， and referring to the relevant national standard on side collision， it is found that the passenger car has the problem of excessive invasion volume and invasion speed of B-pillar， which affects the safety of side collision.

Key Words： Passenger Car; Element Simulation; Impact; B-pillar

前? ? 言

我國是汽車大國，按照公安部交管局的統計，截至2020年上半年，全國汽車保有量為2.7億輛，機動車保有量達3.6億輛[1]。中國道路交通建設如社會經濟一樣飛速發展，但由于一些公民本身缺少對法律的認知，且日常生活安全意識不強，導致道路交通事故頻繁發生。

圖1顯示2019年我國交通事故受傷人數較2018年同比增長6.4%[2]。雖增速有所減緩，但依舊導致275125人傷亡，損失巨大。

相對于其他碰撞方式而言，側面碰撞在交通事故中造成的傷亡人數較多，損失較為慘重，因此提高汽車在發生側面碰撞的安全性，對降低我國的交通事故致死率起著重要作用[3]。早期的碰撞試驗是通對實車碰撞來進行，需耗費大量的金錢和時間。隨著社會的發展和科技的進步，工程師開發了有限元分析法[4]，通過計算機仿真的方式，來模擬汽車的碰撞試驗，此舉可顯著降低汽車的設計成本，縮短研發周期。

1? ? 側碰有限元模型

1.1? ?整車有限元模型的建立

本文研究的側面移動壁障碰撞是C-NCAP（中國新車評價規程）中評測的主要碰撞工況之一[5]。仿真實驗時，被測車輛靜止不動，可移動壁障代替對方車輛，并以固定速度和方向撞擊被測車輛。

使用軟件HyperMesh打開某款乘用車的幾何模型，并對模型進行幾何清理、網格劃分等必要的前處理工作，對該乘用車白車身等區域劃分2D網格，對發動機等零部件劃分3D網格，Quads殼單元角度控制在45°至135°之間，Trias三角形單元角度控制在20°至120°之間，以保證計算精準度，得到該乘用車的CAE模型，該模型共包含958281個2D單元，25230個3D單元，如圖2所示。

1.2? ?MDB有限元模型

依據我國GB20071-2006的要求，創立MDB可移動壁障的有限元模型，該模型由移動的臺車和蜂窩鋁吸能塊兩部分組成。其中吸能塊部分（由六個蜂窩鋁組成）劃分實體網格，移動臺車的部分選用剛性材料，并在最外層附加殼單元，以保證碰撞時的精度，最終形成如圖3所示的MDB有限元模型。

1.3? ?MDB整車側碰模型

參照GB20071法規搭建整車MDB側碰模型。按法規要求可移動壁障的中心對準該乘用車前排座椅的R點，壁障的下邊緣與地面的距離為300mm，最終形成如圖4所示的MDB整車側面碰撞模型，并對該模型施加13889mm/s（50km/h）的碰撞速度，120ms的碰撞時間。在仿真計算過程中為保障計算精度，增加的質量與總質量的比值（percentage increase）要小于5%[6]，因此需要對計算的時間步長做出調整，以保證最優的計算結果。本仿真實驗將DT2MS（時間步長）調整為-7.5e-7，TSSFAC（時間步長縮放系數）設定為0.9。在設置完參數之后，將此模型以k文件的形式提交到計算軟件LS-DYNA中計算，計算時長大約10小時。

2? ? 側面碰撞的仿真分析

2.1? ?側碰模型的驗證

LS-DYNA在碰撞仿真分析過程中采用了質量縮放的方法來提高計算的效率，但在實車碰撞過程中，需要符合質量守恒定律。增加過多的質量將會使仿真的結果失去真實參考意義，要保證質量增加量與總體質量的比值不大于百分之五。在后處理軟件HyperView中查看質量增加曲線，如圖5（a）所示，圖中顯示其增加的質量約為19kg，遠小于模型總質量（約2.057t）的5%，所以該計算結果可靠。

圖5（b）為能量變化曲線，從圖中能夠看出，隨著碰撞的進行，總能量基本保持不變;而動能逐漸減小，內能不斷增大。整個碰撞過程中系統的動能轉換成系統的內能，但總能量保持不變，遵循能量守恒定律。從圖中可以看出，總能量約為88KJ，其中沙漏能最大值約為0.5KJ。參照李晨、陳昌明等人的研究可知，為使沙漏能對計算結果影響不明顯，保證仿真與真實碰撞結果較吻合，沙漏能與總能量的比值不能超過5%[7]。根據圖中的數據計算可知，沙漏能與總能量的比值約為1.7%，小于總能量的5%，證明該仿真結果可靠。

2.2? ?變形時序圖

變形時序圖能夠反映該乘用車在側碰仿真過程中不同時刻的變形情況。在計算中由于步長設置較小，所以只截取整車在0ms、30ms、60ms、90ms、120ms的變形圖。從圖6中可以明顯看出，在0ms-30ms時，左側車身結構發生向內凹陷的變形，與此同時，MDB的吸能塊發生壓縮變形，此時車身其他部位的變形并不明顯;在30ms-60ms時，左側車身變形劇烈，吸能塊逐步被完全壓縮;在60ms-90ms時，碰撞力達到峰值，車體結構的變形量也在這一時間段內達到峰值，吸能塊完全壓縮，車身左側變形充分，導致右側變形;90ms-120ms碰撞持續，車和壁障向相同的方向移動。

2.3? ?碰撞速度分析

該乘用車與可移動壁障的碰撞速度曲線如圖6所示，在t=0s時刻，MDB的初始速度為13889mm/s，即50km/h。隨著碰撞的進行，MDB的速度因為受到車體的阻礙而持續下降;同時，車體的速度因為受到MDB的撞擊而持續增加。大約在t=0.66s時刻，二者曲線相交，此時兩者移動速度相同;然后MDB的移動速度繼續下降，車體的移動速度繼續增加。當MDB的移動速度小于該乘用車的移動速度時，該乘用車與MDB分離。

2.4? ?B柱變形分析

2.4.1 侵入量分析

當汽車受到側面撞擊時，防撞桿能通過分散力的方式，顯著削弱碰撞側的變形程度，從而減少對車內乘員的傷害。當側碰發生時，前門將力通過前側門防撞桿傳遞到A柱和B柱，后門將力通過后側門防撞桿分散到B柱和C柱?？梢夿柱是側碰過程中的關鍵部件，其侵入量對車內乘員的安全起著重要作用，因此在側面碰撞仿真分析中，觀察B柱侵入量可以作為一個重要的側碰安全性評價因素。

本文選取四個參考點，從上到下依次對應車內乘員身體的四個位置：頭部、胸部、腹部和骨盆。四個參考點均位于撞擊側的B柱內板上，同時沿Y方向在非撞擊側的B柱內板上對應選取四個參考點，兩組參考點之間的相對位移，即可代表四個位置在發生側面碰撞時的真實侵入量。具體測量點的分布情況及B柱的侵入量如圖8所示：

由侵入量曲線能夠看出，除了對應著車內乘員頭部位置的節點之外，其他三個部位的侵入量曲線的最大值，都超過了該車型B柱與座椅之間150mm的裝載距離。

2.4.2 侵入速度分析

B柱產生大小不同的侵入量因占據了乘員的生存空間而造成傷害，但其伴隨著的在每個點不同的侵入速度，對乘員的損傷更是關鍵性的[8]。GB20071標準中，還對胸部傷害粘性指標做出了規定，粘性指標由侵入速度和相對擠壓變形量二者相乘獲得，可由以下公式進行計算[9]。

由公式可見，粘性指標除了與侵入量有關外，還與侵入速度的大小有關，因此，也必須將侵入速度作為一個重要的研究對象。由上一節可知，侵入量是位移和時間的函數，所以利用后處理軟件將侵入量曲線求導，即可獲得對應節點的侵入速度曲線，如圖9所示：

根據張學榮、蘇青祖等人的研究發現，當把側面結構的侵入速度控制在8000mm/s以下時，能夠較好的滿足側面碰撞發生時車內乘員安全性能的要求[10]。由圖中可以看出，除了頭部以外，胸部、腹部和骨盆三個部位的侵入速度都超過了8000mm/s。

3? ? 結論

本文依照GB20071-2006《汽車側面碰撞的乘員保護》及C-NCAP（中國新車評價規程）等標準，采用有限元仿真的方法，對路面上的某款乘用車型進行側面碰撞的仿真實驗，對下述幾個方面進行詳解：

（1）使用后處理軟件獲得質量增加曲線和能量變化曲線，通過計算增加質量與總質量、沙漏能與總能量的比例，證明了該仿真結果的可靠性。

（2）以動態的型式輸出變形時序圖，觀察了不同時刻的碰撞變形程度，進一步展示了該乘用車側面碰撞的情況。

（3）分析了側碰發生時B柱的變形模式：B柱的侵入量及侵入速度，結果顯示肩部、腹部和骨盆的侵入量大于標準值150mm，侵入速度大于8000mm/s的安全值，值得進一步優化。

此結論對B柱的優化及汽車側面碰撞的試驗均有著重要的指導意義。

參考文獻：

[1]中國新聞網.中國汽車保有量2.7億輛大咖支招停車難[R].北京：中國新聞網，2020.

[2]法治視界.2019中國交通安全事故死亡人數、事故產生原因及預防對策分析[R].西安：陜西法制網第一資訊，2020.

[3]楊媛婷，郭世勇，葛超.基于LS -DYNA某國產SUV側面碰撞仿真分析[J]凱里學院學報.2015，33（3）：113-114.

[4]李博聞.有限元分析方法在汽車碰撞研究中的應用[J].天津汽車.2008（3）：40-42.

[5]趙秀強.某型轎車側面碰撞計算機仿真分析[D].沈陽：東北大學，2012：4-6.

[6]劉菲.基于側面碰撞某SUV B柱輕量化優化[D].武漢：武漢理工大學，2018：30-31.

[7]李晨，陳昌明.轎車保險杠橫梁的碰撞安全性研究[J].設計研究.2007，（6）：20-23.

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[9]鐘陽.SUV側面碰撞仿真分析及B柱優化設計研究[D].廣州：華南理工大學，2010（6）：32-33.

[10]張學榮，蘇清祖.側面碰撞乘員損傷影響因素分析[J].汽車工程.2008，30（2）：147-149.