汽車相關部件對車頂強度試驗的影響研究

胡雷，范彬彬，王章平，張寶航，柳惠君，李月明

(吉利汽車研究院(寧波)有限公司，浙江杭州 311228 )

0 引言

汽車車頂強度試驗是考查車輛發生翻滾時車身結構強度的一項重要測試手段。在開發過程中，由于早期生產的車輛成本高、數量有限，為了節約資源，在進行汽車頂強度性能驗證時以白車身為主，造成仿真數據與實際試驗數據之間存在一定的差異。同時由于白車身與實車的差異，白車身車頂強度試驗與C-IASI車頂強度正式試驗結果存在差異，不同項目之間與C-IASI的車頂強度試驗結果差異的區間范圍較大。進一步分析發現，開發過程中的車頂強度試驗樣件安裝程度，樣件狀態不完全一樣，造成各項目與C-IASI試驗結果的差異波動較大。目前國內外各主機廠也進行了相關的研究分析。相關資料顯示影響車頂強度試驗車身變形的關鍵部位為A柱、B柱、頂蓋橫向等[1]，其中B柱及上橫梁對車頂抗壓性能的影響較大，A柱、頂蓋第一橫梁的影響次之，頂蓋第二橫梁對其影響較弱[2]。但在實際開發過程中，車門、天窗和前擋風玻璃在車頂強度試驗中對試驗結果的影響程度研究較少。

為縮短仿真計算時間，提高仿真與試驗之間的一致性，同時讓開發過程中的白車身的車頂強度試驗結果與整車的試驗結果更具有參考意義，本文作者基于白車身對多個車型項目進行仿真計算，研究在車頂強度試驗過程中，前擋風玻璃、天窗、車門等相關部件對車頂強度試驗結果的影響程度，并通過相關試驗，對影響因子進行驗證。根據驗證結果梳理出一個標準的企業車頂強度試驗開發測試方法流程。

1 C-IASI車頂強度試驗方法及評價方法

1.1 車頂強度試驗方法

如圖1和圖2所示，車輛完成準備工作后放置在門檻支撐系統上，并進行固定。使用長為1 829 mm、寬為762 mm的載荷壓板進行軸向加載。試驗前壓板縱軸前傾角需調節到水平向下 5°±0.5°(側視)，橫軸外傾角需調節到水平向下 25°±0.5°(前視)。加載壓板前緣中點位于試驗車輛頂部縱向中心線最前點之前(254±10)mm[3]。當一切準備工作就緒后，加載壓板以約5 mm/s的速度施加載荷直至加載位移不小于127 mm，并通過加載壓板上的力傳感器獲得力位移曲線。

圖1 右視圖

圖2 前視圖

1.2 車頂強度試驗等級評價方法

車頂強度等級基于試驗過程中在壓板位移量127 mm范圍內測得的峰值載荷與車重(整備質量狀態)之比(SWR)進行評價[4]。根據不同的SWR值進行評分評級。評級主要分為優秀、良好、一般和較差4種，具體評級見表1。

表1 車頂強度評級界限

2 車門、天窗和前擋風玻璃在車頂強度試驗中的影響

2.1 車頂強度仿真矩陣及仿真結果

將車門、天窗和前擋風玻璃作為車頂強度試驗過程對試驗結果影響的因素，并確定了4種工況進行頂壓仿真計算，如表2和表3所示，選用6個車型每個車型按照表2所示的4種工況進行車頂強度試驗仿真計算，并根據計算得到的載荷峰值與整備質量進行比值得出各車型的SWR值，結果如表3所示。

表2 測試方案匯總

表3 各項目仿真結果SWR值匯總

2.2 前擋風玻璃、天窗和車門在車頂強度試驗中的影響

車門對車頂強度試驗結果影響計算方法為：

天窗對車頂強度試驗結果影響計算方法為：

前擋風玻璃對車頂強度試驗結果影響計算方法為：

如圖3所示，通過數據可以看出，車門、天窗和前擋風玻璃對車頂強度試驗的SWR值存在一定影響。進一步對比看出，車門對車頂強度結果的影響較小，而前擋風玻璃和天窗對車頂強度試驗的影響都較為顯著。

圖3 各項目車門、天窗和前擋風玻璃影響占比

2.3 車頂強度試驗驗證

考慮到試驗的破壞性和不可重復性，搭載K1、C1、N1 3個車型項目分別驗證車門、天窗和前擋風玻璃對車頂強度試驗的影響，試驗矩陣見表4。

表4 車頂強度試驗矩陣

2.3.1 車門對車頂強度試驗結果的影響

如表5所示，K1車型Case1安裝車門、天窗、前擋風玻璃，車頂強度試驗后的載荷峰值為76.67 kN，其SWR值為4.35。Case2安裝天窗、前擋風玻璃，未安裝車門，試驗后的載荷峰值為76.54 kN，其SWR值為4.34。通過計算，該項目中沒有前擋風玻璃進行車頂強度試驗后的SWR值降低了0.2%，對試驗結果影響不明顯，與仿真的分析結果一致。K1車型車頂強度載荷曲線如圖4所示。

表5 K1車型車頂強度試驗結果

圖4 K1車型車頂強度載荷曲線

2.3.2 天窗對車頂強度試驗結果的影響

如表6所示，C1車型Case3安裝天窗和前擋風玻璃，車頂強度試驗后的載荷峰值為74.01 kN，其SWR值為4.89。Case4安裝前擋風玻璃，未安裝天窗，試驗后的載荷峰值為53.34 kN，其SWR值為3.52。通過計算，該項目中沒有前擋風玻璃進行車頂強度試驗后的SWR值降低了28%，對試驗結果影響明顯，也與仿真的分析結果一致。C1車型車頂強度載荷曲線如圖5所示。

表6 C1車頂強度試驗結果

圖5 C1車型車頂強度載荷曲線

2.3.3 前擋風玻璃對車頂強度試驗結果的影響

如表7所示，N1車型Case5安裝天窗和前擋風玻璃，車頂強度試驗后的載荷峰值為65.63 kN，其SWR值為4.06。Case6安裝天窗，未安裝前擋風玻璃，試驗后的載荷峰值為46.78 kN，其SWR值為2.89。通過計算，該項目中沒有前擋風玻璃進行車頂強度試驗后的SWR值降低了28.8%，對試驗結果影響明顯，也與仿真的分析結果一致。N1車型車頂強度載荷曲線如圖6所示。

表7 N1車型車頂強度試驗結果

圖6 N1車型車頂強度載荷曲線

3 結束語

文中根據C-IASI的車內乘員安全指數車頂強度試驗規程和評價規程，對車型車頂強度性能開發過程樣件安裝程度的試驗結果影響進行分析驗證。試驗結果表明，車門對車頂強度試驗的影響較小，前擋風玻璃和天窗對試驗結果影響較為明顯。基于此形成了內部的一個標準的驗證程序，即在車頂強度的開發驗證階段，需要安裝天窗和前擋風玻璃，不安裝車門。既降低試驗樣件成本，同時通過固化的內部測試標準持續積累試驗結果，并有利于與正式的車頂強度指數試驗結果比對分析，以獲得更加穩定的差異用于開發階段的預判。

由于各車型項目設計結構存在差異，受限于試驗資源，故只能定性地進行分析，未能對車門、天窗、前擋風玻璃之間的交互作用進行分析。