基于C-IASI小偏置碰的車體抗撞性研究

吳純福 陳楓 葉寶文 耿富榮

摘 要：本文基于中國保險汽車安全指數（C-IASI）正面25%偏置碰評價規程，對某MPV車型小偏置碰分析評價結果為“Poor”的基礎模型進行抗撞性優化研究。基于碰撞理論及框架傳遞路徑分析的基礎上，對車身結構進行相關設計與優化，從而提升傳遞路徑能量吸能效率和提升抵抗變形的能力。仿真分析結果表明，車體結構評級由“Poor”提升到最高評價等級“Good”，為后續提高碰撞安全性能車型開發提供了設計參考和借鑒。

關鍵詞：小偏置碰;傳力路徑;結構優化

中圖分類號：U467.14 文獻標識碼：A

0 引言

為進一步提升車輛的正面碰撞保護性能，中國C-IASI在參考美國IIHS的基礎上2017年發布正面25%偏置碰撞試驗規程，2020年增加乘員側考評，這給車身安全設計提出更高的要求和挑戰[1]。

本文根據小偏置碰的評價規程，基于碰撞理論及框架傳遞路徑分析的基礎上，對某MPV車型小偏置碰分析評價結果為“Poor”的基礎模型進行優化設計研究。

1 試驗及評價規程說明

小偏置碰工況車輛與壁障示意如圖1所示。測評等級分“Good”、“Acceptable”、“Marginal”和“Poor”4個等級。鑒于仿真模型分析與實際碰撞試驗存在一定誤差，故設定仿真評級目標值高于實驗目標值，仿真等級分布圖如圖2所示。

2 碰撞有限元模型建立

采用Hypermesh軟件建立整車碰撞分析模型，計算求解器為LS-DYNA。車身網格單元類型為Shell，單元尺寸10 mm。輪胎、下擺臂、轉向節等部分要求按照實際情況精細化建模，并設置失效。小偏置碰仿真模型如圖3所示。該模型按照模型重量為2 150 kg，計算時間為200 ms[2]。

3 基礎模型結果分析

3.1 車體入量及評價等級

該MPV車型小偏置碰結果如圖4所示，分析得知，車體侵入量下車體綜合評價為M，上車體綜合評價為P，整體綜合評價P。

3.2 整車關鍵區域分析

如圖5所示，上短梁壓潰，輪轂失效壓潰;上A柱折彎，變形較大;門檻前端壓潰;地板橫梁扭轉變形[3]。

如圖6所示，防撞梁碰撞壁重疊不足，吸能盒壓饋不充分，縱梁無壓饋折彎變形;副車架吸能盒與縱梁不在車寬25%范圍內，前端結構設計不滿足小偏置要求。

上邊梁壓潰充分，但“Y”向支撐力不足，沒有充分帶動主縱梁參與變形吸能。

乘員艙內前地板上縱梁蓋板變形大，A柱侵入量明顯且前圍板橫梁變形大，門檻折彎變形程度大，地板縱梁折彎變形大;左前門折彎變形明顯，車門開啟風險高。

4 優化方案及結果分析

4.1 小偏置碰性能提升開發策略

根據小偏置碰整車變形和關鍵區域變形結果分析，并結合主要傳遞路徑受力模式，如圖7所示。將從如下三個方面對相關結構進行優化[4]。

（1）增大車體與碰撞壁重疊量，提升防撞梁、縱梁、副車架等參與吸收更多能量，重點優化副車架傳遞路徑1和主縱梁傳遞路徑2。

（2）增強上邊梁吸能結構，并提升其“Y”向支撐力，充分帶動主縱梁參與變形吸能，主要優化上邊梁路徑3。

（3）加強乘員艙前部結構，優化乘員艙前部路徑4[5]。

4.2 增大車體與碰撞壁重疊量

首先優化前副車架傳力通道，把前副車架Y向外擴（約125 mm），增加與小偏置碰壁障重疊量，如圖8（a）所示。然后再優化前防撞梁與前縱梁路徑，把前防撞梁兩端Y向加寬80 mm，前縱梁Y向外撇（2°，形成倒八字形梁結構）30 mm，增加與小偏置碰壁障重疊量，如圖8（b）所示[6]。

如圖9分析結果表明，該方案可有效提高前副車架、前防撞梁等截面力，并提升吸能和傳力效率。

從變形對比分析，優化后前副車架、前縱梁壓潰和折彎更充分，如圖10所示;從截面力水平對比分析，優化后副車架、縱梁比基礎結構截面力分別提升約46%、35%，如圖11所示[7];從吸收能量對比分析，前副車架和縱梁吸能分別提升約33%和50%，如圖12、圖13所示。

4.3 增強上邊梁吸能結構和“Y”向支撐力

如圖14，上邊梁材料和結構優化，上邊梁前部Y向靠外約40 mm，并中上邊梁中、后部分別增加與左縱梁、右側上邊梁的連接支撐結構梁，在后部增加Y型支撐，同時將內、外板材料由340LA提升至420/780DP，提高上邊梁吸能和傳力效率。

分析結果表明，該方案可有效帶動上邊梁及其周邊結構參與吸能，從而提升前機艙吸能和傳力效率，如圖15所示。

從變形對比分析，優化后上邊梁壓潰和折彎更充分，并帶動其周邊部件變形吸能，如圖16所示;從截面力水平對比分析，其結構優化后截面力相應提升，如圖17所示;從吸收能量對比分析，上邊梁吸能提9 600 kJ，吸能比例提升34%，如圖18所示：

4.4 加強乘員艙前部結構

如圖19，A柱上邊梁上部、中部增加加強板，門檻外板、門檻內板增加加強板。門檻及周邊結構增加熱成型支撐件，提升乘員艙前部整體剛強度。

分析結果表明，該方案提升乘員艙前部整體抗變形能力，如圖20、圖21所示。

通過圖22截面力對比分析，A柱、門檻截面力相對基礎都有一定的提升。通過圖23、圖24對比分析A柱及門檻梁吸能下降明顯，前門框及門檻變形量明顯減少。

4.5 車體綜合方案優化

結合以上所有方案對車身進行綜合優化分析，分析結果如圖25所示，車體侵入量下車體評價Good，上車體評價Good，整體評價Good。如圖26所示，機艙前縱梁、上邊梁、副車架等吸能充分，A柱、門檻結構基本保持完整[8]。

5 結束語

本文以某MPV車型小偏置碰分析評價結果為“Poor”的基礎模型為研究對象，基于碰撞理論及框架傳遞路徑分析的基礎上，對車身結構進行相關設計與優化，仿真分析對比，車體結構評級由“Poor”提升到最高評價等級“Good”。

通過研究對比表明：通過增大車體與碰撞壁重疊量;通過增強上邊梁吸能結構，并提升其“Y”向支撐力;通過加強乘員艙前部結構等方法可提升整車的小偏置碰安全性能，為后續高碰撞安全性能車型開發提供了有效的設計參考和借鑒。

參考文獻：

[1]Insurance Institute for Highway Safety（IIHS）. IIHS Small Overlap Test，IIHS secretary[S].2012.

[2]郭正輝，朱西產.汽車安全新挑戰——小偏置正面碰撞[J]. 汽車與配件，2013（4）：44-45.

[3]肖峰，陳曉峰.IIHS小偏置碰撞位移導向策略與結構評估方法[J].汽車安全與節能學報，2013（4）：322-333.

[4]賈麗剛，呂俊成，林智桂，等.某SUV小偏置碰撞仿真機車體結構優化[J].機械設計與制造，2017（1）：91-93+96.

[5]鄭明銀，施云翔，王鏑.基于SOF碰撞性能改善的車身結構優化設計[C].2015中國汽車工程學會年會論文集，2015：828-830.

[6]王鵬.25%正面小偏置碰撞下某車型車身結構和約束系統仿真研究[D].重慶理工大學，2016.

[7]汪俊，李雪玲.IIHS正面小偏置碰撞試驗及發展趨勢研究[J].汽車工程學報，2017（6）：7.

[8]陳可明，樂中耀，李雪玲.國內車輛小偏置正面碰撞試驗現狀[J].汽車技術，2016（5）：5.