某車型敞篷版結構耐撞性的仿真分析研究

關鍵詞：敞篷;車身結構;碰撞

0 引言

敞篷車目前基本由國外汽車廠商壟斷，國內自主品牌偶有嘗試[1]。碰撞安全性方面，雖然敞篷車能夠抵抗正面和側面碰撞的過度侵入，但國內設計領域相對空白。本文嘗試開展相關的結構耐撞性研究。

1 敞篷車結構安全特點

傳統車型具有完整的環形傳力結構，發生碰撞時，可以迅速地將碰撞力傳遞出去。敞篷車消減車頂結構，A柱、B柱、C柱及兩側結構互相缺乏連接，無法形成框架結構，變成孤立的懸臂梁結構[2]。

車輛發生正面碰撞時，主要傳力路徑從防撞梁、吸能盒、前縱梁和彎梁傳遞至地板縱梁及A 柱等;上邊梁及頂棚框架在正面碰撞中相對縱梁雖然傳力較少，但也承擔著傳遞載荷的要求。敞篷版車型的A 柱上邊梁取消后，必將增大A 柱和彎梁等的傳力壓力。

側面碰撞時，壁障撞擊B 柱和側門，原型車可以迅速地將碰撞力通過車頂傳遞至另一側。敞篷版則無法通過車頂傳力，必須加強B 柱防翻轉。所以必須考慮如何通過B 柱、門檻、座椅橫梁、地板橫梁、A 柱和車門結構等將力進行分散，從而對側面形成有效支撐，降低侵入量，對乘員提供有效保護。

目前國內法規對敞篷車暫無頂壓強度要求，頂部抗壓強度只能通過加強A 柱結構，提供有效支撐力。傳統版和敞篷版車型，頂蓋等在后面碰撞過程中為非主要傳力路徑，敞篷版車型后防撞梁、后吸能盒何后縱梁等主要傳力結構不變，后面碰撞結構耐撞性差異較小。

2 碰撞安全性分析

2.1 整車有限元模型

以某量產車型為基礎，以車門門框腰線為邊界，通過消減車身頂蓋、天窗、上邊梁、B 柱、C 柱、D 柱何車門等部件，設計變更為敞篷版車型。評估以上變動對正面碰撞和側面碰撞結構耐撞性的影響。

本文以原型車和敞篷版分別建立有限元模型[3]。研究碰撞性能，根據GB 11551-2014《汽車正面碰撞的乘員保護》和GB20071-2006《汽車側面碰撞的乘員保護》，分別建立正面碰撞和側面碰撞模型（圖1）。

2.2 正面碰撞

敞篷版較原型車缺少頂棚、A 柱上邊梁等部件，傳力載荷將更多地被A 柱下段、彎梁、地板縱梁和中通道縱梁等分擔。從圖3正面碰撞前端結構變形圖來看（圖2），原型車與敞篷版正面碰撞變形模式基本一致。原型車由于后端支撐較強，前縱梁前端潰縮和折彎等程度略篇大。

A 柱上邊梁及頂蓋為非主要傳力路徑，綜合正面碰撞結果匯總為表1，兩者結果都可以接受。同時，可以考慮對A 柱適當加強，增強A 柱抗扭能力，提升傳遞效率，使門檻和地板縱梁等分擔更多的載荷。

2.3 側面碰撞

原型車具有完整的籠式車身結構，敞篷版取消車頂等部件后，變成一個半開放式的車身框架。所以敞篷版最大的挑戰就在側面碰撞，特別是B 柱的承載能力，提升B 柱的抗翻轉能力至關重要。

原型車與敞篷版整車側面變形如圖3 所示。原型車整體侵入較小，上邊梁未見明顯變形;B 柱區域變形均勻，未發生彎折失穩現象;前、后門侵入量有限，拉手等區域未見異常變形;整體變形較小。

敞篷版車型從側面碰撞內部變形圖可以看到（圖4），B 柱翻轉侵入量非常大，前、后門無有效支撐，整體侵入較大。詳細數據見側碰B 柱指標對比（表2）和側碰前門指標對比（表3）。原型車與敞篷版的A 柱、C 柱和地板等區域變形模式相近，差異不大。這說明敞篷版車型在側面碰撞過程中，傳力路徑被截斷后，無法有效進行側碰力的傳遞，需要重新規劃傳力路徑，進行結構優化設計。

2.4 結構優化設計

新增左、右B 柱連接結構，在2 個B 柱間增加雙排管梁連接。這樣B 柱、座椅橫梁和雙排管梁整體形成環形加強結構，相當于用雙排管梁替代原車型的頂棚支撐，為敞篷版新增一條主傳遞載荷路徑。

對比敞篷版和優化方案仿真結果，優化方案減少了側碰車身侵入。根據表1 和表2 計算結果看出，B 柱指標點和前門指標點（圖5）等指標均明顯降低，側面結構耐撞性可滿足GB 性能開發的要求。

3 結束語

原型車具備完整車身結構碰撞傳力路徑，而敞篷版半開放式懸臂結構對結構耐撞性影響很大。針對該車型的正面、側面碰撞分析，總結如下。

（1）正面碰撞，敞篷版結構耐撞性指標比原型車有所降低，整體影響可以接受。后續可以對A 柱結構適當加強，提升地板縱梁、門檻梁傳力載荷。

（2）側面碰撞，敞篷版結構耐撞性能非常差。B 柱懸臂梁結構翻轉嚴重，無法對車門形成有效支撐，需要通過重新規劃傳力路徑、優化結構以及提升材料牌號等方法，提升側面結構耐撞性能。