某車型小偏置碰撞車體耐撞性提升策略

張悅,畢思剛,王建勛,劉彥博,沙磊

一汽奔騰轎車有限公司，吉林長春 130013

0 引言

正面碰撞是一種非常高發(fā)的交通事故類型。據統(tǒng)計，正面25%偏置碰撞工況的死亡人數占正面碰撞死亡人數的22%。為促進車輛此類事故保護性能的提升，2012年，美國公路安全保險協(xié)會(IIHS)發(fā)布了一項新的測試工況：小重疊正面碰撞安全性評估碰撞試驗規(guī)程。

2018年，中國保險汽車安全指數(C-IASI)參考IIHS，發(fā)布了正面25%偏置碰撞試驗(下面簡稱“小偏置碰”)為中國保險汽車安全指數規(guī)程——車內乘員安全指數中的一個試驗工況。在同年9月份公布了首批測試結果，12款測評車型中僅有3款車獲得了G的評價。截至2021年10月，C-IASI公布的73款車中只有36款獲得G評價。分析測試結果發(fā)現，車輛結構是導致整體成績差的主要原因。

目前，國內外專家為如何提高小偏置碰撞試驗車輛結構做了大量研究工作。本文總結了目前提高小偏置車輛結構評價等級的設計策略，根據某車型的小偏置試驗結果對標修正仿真模型，分析并設計優(yōu)化方案。通過仿真分析手段驗證優(yōu)化效果，通過結果可得，車輛結構由較差(P)提升為優(yōu)秀(G)。此外還研究了懸架與轉向系統(tǒng)失效對車輛結構等級評價結果的影響。

1 正面25%偏置碰撞規(guī)程

1.1 小偏置碰撞試驗及評價規(guī)程

壁障結構尺寸如圖1所示。

圖1 壁障結構尺寸

根據C-IASI中正面25%偏置碰撞試驗規(guī)程，車輛試驗質量應比整備質量大150～200 kg，試驗速度為(64.4±1)km/h，試驗壁障為剛性壁障，高1 524 mm，寬1 000 mm，具體尺寸如圖1所示，壁障固定于車輛牽引方向駕駛員側地面上。

車輛以25%±1%的重疊率正面撞擊固定剛性壁障，車輛與壁障碰撞位置如圖2所示。

圖2 車輛與壁障碰撞位置

根據C-IASI中正面25%偏置碰撞評價規(guī)程，評價分為車輛結構、假人傷害、約束系統(tǒng)和假人運動3個方面。車輛結構是小偏置碰撞的基礎，假人傷害和約束系統(tǒng)與假人運動是車輛結構與約束系統(tǒng)共同作用下得到的結果。因此文中只研究車輛結構評價項，總體評價結果見表1。

表1 總體評價結果

1.2 小偏置碰撞車輛結構等級評定

車輛結構等級用侵入量測量值進行評價，并且根據乘員艙結構完整性的定向觀察結果對等級進行修正，侵入量測量位置如圖3所示。所有測量點被劃分成兩個區(qū)域：乘員艙上部和乘員艙下部，乘員艙上部包括轉向管柱、A柱上鉸鏈、上儀表板和左下方儀表板；乘員艙下部包括A柱下鉸鏈、左側擱腳板、左側足板、制動踏板、駐車制動踏板和門檻。

圖3 車輛侵入量測量位置

乘員艙侵入量等級評定參考值如圖4所示。若無定性的觀察結果導致等級降低，且下部或上部侵入量測量值都位于標記為優(yōu)秀的區(qū)域，那么該區(qū)域結構等級為優(yōu)秀;若侵入量測量值落入不同的評級范圍內，則結構等級為測量值位于區(qū)域最多的一級，但結構等級不得比最差測量值所在等級高出一級;若測量結果一半在同一個等級區(qū)域，另一半在另一個等級區(qū)域，則結構等級為較低區(qū)域等級,邊界值上的侵入量將視為較好的等級;若無定性的觀察結果導致等級降低，則車輛結構等級為乘員艙下部和上部分類等級中差的等級。

圖4 乘員艙侵入量等級評定參考值

2 車體仿真分析

2.1 車身變形分析

某車型小偏置碰撞試驗結果如圖5所示，在碰撞過程中，剛性壁障先與車身外蒙皮接觸，隨后接觸到前保險杠橫梁外側，傳統(tǒng)碰撞吸能傳力路徑沒有起到相應作用。傳力路徑一：吸能盒-縱梁，由于壁障與前保險杠橫梁重疊率極小，縱梁沒能參與碰撞；傳力路徑二：shotgun-A柱-乘員艙，此車型shotgun結構較為薄弱。車輪受到了較大的沖擊。車輪向后擠壓A立柱和門檻梁，由圖5可以看出，乘員側結構產生劇烈變形。

圖5 某車型小偏置碰撞試驗結果

2.2 車輛結構評價結果

乘員艙侵入量等級評定結果如圖6所示，乘員艙上部評級為較差(P)，乘員艙下部評級為優(yōu)秀(G)，無定性的觀察結果導致等級降低，車輛結構等級為較差(P)。由圖可以看出，乘員艙上部A柱上鉸鏈、上儀表板兩點侵入量為較差，轉向管柱、左下方儀表板兩點侵入量為一般，最終乘員艙上部評級為較差。分析原因為：左側輪胎在小偏置碰撞中偏轉姿態(tài)朝向A立柱中下端，壁障載荷通過輪輞傳遞到A立柱。乘員艙下部除A 柱下鉸鏈侵入量是良好，其余侵入量均為優(yōu)秀。分析原因為：IP管梁左側與A立柱上端結構搭接，A立柱強度不夠，導致轉向管柱測點、左A立柱焊接失效，從而A柱下鉸鏈測點侵入量只獲得良好等級。拆車結果與分析一致，IP管梁變形情況如圖7所示，P管梁左側變形較大，下方儀表板測點以及上儀表板測點侵入量較大。A立柱焊接失效如圖8所示。

圖6 乘員艙侵入量等級評定結果

圖7 IP管梁變形情況

圖8 A立柱焊接失效

2.3 車身變形仿真與試驗對標

(1)文中采用Hypermesh軟件建立碰撞分析模型，計算求解器軟件為LS-DYNA，鈑金件網格單元類型為Shell，單元尺寸為10 mm，按實車情況賦材料，其中車身鈑金件材料類型為MAT 24，有限元模型如圖9所示。仿真與試驗后掃描車體對標結果如圖10所示。仿真與試驗加速度對標結果如圖11所示。

圖9 有限元模型

圖10 仿真與試驗后掃描車體對標結果

圖11 仿真與試驗加速度對標結果

(2)小偏置碰撞壁障按 C-IASI試驗規(guī)程中給出壁障尺寸建立，賦 MAT20 號剛體材料。

(3)該模型按照C-IASI試驗要求，整車碰撞速度為 64.4 km/h，碰撞計算時間 100 ms，壁障右表面相對汽車中心面偏置 25%整車寬度。

為準確對標仿真模型，文中根據實車碰撞出現的失效情況，定義了5組零件試驗，8組材料試驗。零件及材料試驗清單見表2。

表2 零件及材料試驗清單

圖12為仿真與試驗乘員艙侵入量對標結果。

圖12 仿真與試驗乘員艙侵入量對標結果

由圖12可知，仿真對標車輛結構與試驗基本一致：車身上鉸鏈、下鉸鏈、轉向管柱侵入量與試驗接近；門檻侵入量仿真對標高于試驗，主要原因是由于試驗中門檻前端材料碎裂導致門檻向侵入較小，仿真無失效材料庫，無法完全模擬；由于IP位置處于臨界位置，IP位置測量點與試驗相比，出現評級不同，但整體侵入量誤差在可接受范圍。

2.4 結果分析

小偏置碰撞車輛結構評價較差的原因有以下幾點：

(1)受到的能量沖擊更大：傳統(tǒng)可變形壁障在測試中會變形且吸收一部分能量，而小偏置碰撞使用的壁障為剛性壁障，不能變形吸能。輪胎受力更早和更大，前圍板和門檻梁更易變形，導致輪胎入侵乘員艙更嚴重。

(2)車體吸能結構未參與碰撞：壁障與車體之間重疊量變小，導致傳統(tǒng)結構設計的用于潰縮吸能的前縱梁很難參與發(fā)揮作用，如圖13所示，參與吸能的路徑基本由Shotgun承擔，難以達到吸能要求。

圖13 縱梁變形情況

(3)主要受力結構強度不足：A立柱、上A柱前端及門檻前端結構強度不足。

3 車輛結構優(yōu)化

3.1 車輛結構優(yōu)化思路

行業(yè)上小偏置車輛結構優(yōu)化策略主要有兩種：

(1)提高機艙變形吸能能力及乘員艙抵抗能力。這種理念是發(fā)動機艙內的結構吸收大部分的能量，當壁障或輪胎撞擊門檻或乘員艙時，不會引起乘員艙較大的入侵量和整車旋轉，從而維持乘員艙的穩(wěn)定性和保護駕駛員安全。策略思路是增加碰撞力的傳遞路徑或增加變形吸能部位；壓潰至乘員艙時，車輛繞碰撞壁發(fā)生旋轉。本田雅閣、福特探險者、福特Focus、斯巴魯傲虎、奔馳C、Mazda3、豐田卡羅拉等車型采用的是這種策略。

(2)懸架與轉向系統(tǒng)失效。該策略是設置懸架和轉向系統(tǒng)在碰撞的早期失效，破壞碰撞力(由壁障到輪胎到門檻)的主要傳遞路徑，避免了A柱和門檻梁受到車輪的集中載荷作用，減小剛性壁障對乘員艙的沖擊。雪佛蘭科邁隆、林肯大陸采用的是這種策略。

結合以上優(yōu)化思路，此車型在提高機艙變形吸能能力及乘員艙抵抗能力的優(yōu)化方案基礎上，研究了懸架與轉向系統(tǒng)失效的優(yōu)化效果。

3.2 車輛結構優(yōu)化方案

3.2.1 提升機艙變形吸能能力

原車體有兩條縱向傳力路徑，傳力路徑一：吸能盒-縱梁,保險杠-前縱梁；傳力路徑二：“shotgun”-A柱-乘員艙。優(yōu)化前縱梁與壁障之間重疊率不足5%，剛性壁障避開了前縱梁，能量通過薄弱的“shotgun”(原“shotgun”的向長度較短，且截面積較小)直接傳到A柱和門檻。

優(yōu)化方案為：延長shotgun向長度，增大截面寬度，通過大的加強板結構與縱梁前端相連，如圖14所示;在碰撞前期，“shotgun”就可以參與吸能，將重疊率提高17%，如圖15所示;吸收分散能量，其料厚及材料見表3。

圖14 提升機艙變形吸能能力方案

圖15 優(yōu)化后車體與壁障重疊率

表3 增加結構料厚及材料

3.2.2 提升乘員艙抵抗能力

原車主要受力結構強度不足，上A柱前端折彎，A立柱、門檻變形較大，導致乘員艙侵入量較大。優(yōu)化思路為A柱折彎處加強，提升A柱強度，同時對車體A柱門檻結構薄弱部位進行加強。優(yōu)化方案主要從兩方面入手，一方面是新增加強件，另一方面是優(yōu)化結構及材料厚度。

門環(huán)處增加受力結構如圖16所示，其料厚及材料見表4，A柱上端折彎區(qū)增加A柱上加強件，A立柱內側增加加強板，門檻增加加強板延伸至車身后部。

圖16 門環(huán)增加受力結構

表4 門環(huán)受力結構料厚及材料

防火墻內部增加加強件，前圍上部加強件、A柱與前圍連接加強件、輪罩加強件、前圍擋下板加強件、前輪罩與A柱加強件，抵抗車輪對乘員艙的侵入，為了防止地板變形，地板處增加加強件，如圖17所示。其料厚及材料見表5。

圖17 門環(huán)防火墻區(qū)域增加受力結構

表5 防火墻內部結構料厚及材料

優(yōu)化原有結構，A柱上邊梁加強件截面增大，材料增厚；A柱上邊梁內側加強件前端向前延長，增加焊接面積，頂棚橫梁與A柱連接件向下延長，A立柱外加強件向后延長，中通道下加強件向前延長，地板下加強件向后延長、縱梁搭接件結構優(yōu)化，材料厚度不變。寬大的A柱下部及加強門檻、扭力盒、前地板的方式減少乘員艙的侵入量,如圖18所示。其料厚及材料見表6。

圖18 A柱及門檻材料優(yōu)化

表6 A柱及門檻材料結構料厚及材料

4 優(yōu)化結果分析

4.1 車輛結構等級仿真結果

結構優(yōu)化后仿真模型碰撞后結果如圖19所示。由圖可知，優(yōu)化后的車輛結構A立柱、上A柱前端及門檻前端保持良好，門檻梁變形較小，抵抗住了剛性壁障的沖擊。

圖19 結構優(yōu)化后仿真模型碰撞后結果

優(yōu)化前后乘員艙侵入量結果對比如圖20所示。由圖可知，乘員艙上部A柱上鉸鏈，上儀表板侵入量明顯減小，轉向管左下方儀表板侵入量減至優(yōu)秀范圍，乘員艙上部侵入量平均減少了62.3%，乘員艙上部評級由較差(P)變?yōu)閮?yōu)秀(G)；乘員艙下部A柱下鉸鏈，侵入量減至優(yōu)秀范圍，乘員艙下部侵入量平均減少了22.8%，總體評價結果由原來的較差(P)變?yōu)閮?yōu)秀(G)。

圖20 優(yōu)化前后乘員艙侵入量結果對比

4.2 懸架與轉向系統(tǒng)失效研究

在提高機艙變形吸能能力及乘員艙抵抗能力的優(yōu)化方案的基礎上，進一步研究了懸架與轉向系統(tǒng)失效對車輛結構侵入量的影響。在仿真模型中，對擺臂球頭、轉向拉桿球頭以及減震連接點設置失效連接，其模型碰撞后結果如圖21所示。

圖21 懸架與轉向系統(tǒng)失效模型碰撞后結果

懸架與轉向系統(tǒng)失效乘員艙侵入量結果對比如圖22所示。由圖可知，A柱、門檻受到車輪的集中載荷作用減小，侵入量總值減小19%。

圖22 懸架與轉向系統(tǒng)失效乘員艙侵入量結果對比

5 結束語

本文以某車型為研究對象，對C-IASI 正面25%偏置碰撞工況下車輛結構評價等級進行研究，總結目前行業(yè)上小偏置車輛結構優(yōu)化策略，并設計適合某車型的提升機艙變形吸能能力和提升乘員艙抵抗能力的優(yōu)化方案，將車輛結構評價結果由較差(P)提升為優(yōu)秀(G)。進一步研究了懸架與轉向系統(tǒng)失效對車輛結構侵入量的影響，仿真分析結果表明，懸架與轉向系統(tǒng)失效可以進一步減小車輛結構侵入量。