車用防撞桿碰撞性能快速評估系統及其應用*

任鵬飛，李金柱，張 賽

（1.中國汽車技術研究中心有限公司，天津 300300；2.中汽研（天津）汽車工程研究院有限公司，天津 300300）

0 引言

新能源車側面安全面臨較大的挑戰。C-NCAP 管理規則2021 年版[1]中，規定新能源汽車（含純電動汽車和插電式混合動力汽車）需要進行側面柱碰撞實驗，碰撞角度為75°，碰撞中心對準假人頭部中心，碰撞速度為32 km∕h，對假人傷害值進行評價，如圖1所示。側面柱碰對車門防撞桿的抗撞性能提出了更高的要求。

圖1 側面柱碰撞實驗Fig.1 Side pole impact test

防撞桿的碰撞性能為主要性能約束。新型防撞桿設計出來以后，往往需要進行防撞桿試制，并進行裝車來驗證其碰撞性能。在側面柱碰工況中，防撞桿作為關鍵傳力路徑，抵抗變形吸能，將碰撞力傳至A、B 柱。提升防撞桿的抗撞性能，能有效地提升側面柱碰結構耐撞性能。如何快速對新型防撞桿進行碰撞性能評估，是各新材料研發部門、新工藝研究機構以及新結構研究中關注的重要問題。

在新工藝研究領域，蘇鵬[2]通過高頻強化的方法對防撞桿進行加工，提高了其力學性能；夏曉宇[3]針對轎車車門高強度鋼制防撞桿的熱處理工藝進行了研究改進，通過金相組織、硬度和三點彎曲下壓試驗評估了熱處理工藝對材料性能的影響。在防撞桿新材料研究領域，高大威[4]采用22MnB5 替代原車防撞桿材料進行了基于車門的剛度、結構安全的多學科優化，搭建了側面柱碰靜態擠壓模型，防撞桿質量得到了降低，性能指標均有提高。在防撞桿結構優化領域，胡浩[5]以防撞桿的靜態擠壓強度作為優化目標，針對防撞桿結構進行了優化，提升了防撞桿的平均反力。

由于整車側柱碰工況模型計算時間過長，為了提升防撞桿的優化迭代效率，防撞桿研究主要集中在靜態剛度和將碰撞過程等效為靜態工況兩方面。王彬花[6]針對某車型搭建了E-NCAP 側面柱碰工況仿真分析模型，由于整車計算時間過長，采用靜態加載力模擬碰撞工況的防撞桿受力，對防撞桿進行拓撲優化。代立宏[7]搭建了整車側碰仿真模型，研究了防撞桿的截面形狀對碰撞性能的影響。

整車碰撞仿真模型對技術工程師要求過高，且搭建模型、調試模型需要較長時間。進行整車碰撞實驗成本過高，且其驗證周期偏厚，不符合正向開發理念。基于此本文提出基于子系統對防撞桿進行碰撞性能評估，采用虛擬模型、臺車沖擊實驗等方式對防撞桿碰撞性能快速評估。

1 整車級別防撞桿吸能特性統計分析研究

管狀防撞梁在汽車中應用廣泛，無論防撞桿結構形式如何，主要作用是在側面碰撞中抵抗變形、吸收能量。以管狀防撞桿為例進行研究，旨在統計出防撞桿的抗撞性能，與防撞桿的結構形式低相關。

針對新能源車輛，C-NCAP 管理規則中規定需進行側面柱碰撞實驗[1]，防撞桿在側柱碰工況中起著關鍵吸能作用，防撞桿與剛性柱基本為硬接觸，防撞桿的抗撞性能對整車的側柱碰性能起著關鍵作用。市場上，不同車型的整備質量不同，防撞桿的結構設計也不同，新能源SUV 車型由于電池包重量的增加，在家用車領域整備質量處于中上，其對防撞桿的碰撞性能要求更高，針對SUV車型防撞桿進行抗撞性能統計，具有普適性。

本文中以5款在研新能源SUV車型為統計對象，5款車型均進行了側柱碰結構標定，對防撞桿的吸能特性進行統計分析，意在得到防撞桿的吸能指標。

1.1 防撞桿變形研究

圖2～3 所示為某款車型防撞桿變形局部圖，由圖可知，防撞桿在側柱碰中變形較大，與上邊梁、門檻一同吸收碰撞能量。

圖2 防撞桿變形Fig.2 Deformation of side impact bar

圖3 防撞桿相對位移Fig.3 Relative displacement diagram

5款車型防撞桿的吸能量及平均值如表1所示。由表可知，5 款SUV 車型前車門防撞桿在側柱碰工況中的平均吸能量為2 022 J。

表1 防撞桿吸能量統計表Tab.1 Energy absorption statistics of side impact bar

防撞桿在受到沖擊后，主要表現的為折彎變形，且折彎位置兩側的防撞桿基本變形不大，為統一評估防撞桿的抗彎吸能能力，確定5 款車型均使用距離相同約為900 mm 的兩個支點，測量每個車型的防撞桿相對于參考點的相對最大位移量，統計如表2所示。由表可知，5款車型防撞桿在側柱碰工況中相對位移平均值為92.6 mm。

表2 防撞桿侵入量統計表Tab.2 Statistics of intrusion amount of side impact bar

1.2 防撞桿關鍵位置斷裂情況

在5款車型實車碰撞中，5款車型防撞桿均未發生斷裂，且均滿足側柱碰結構指標要求，考慮到乘員保護性能優先，將防撞桿不斷裂作為防撞桿的碰撞性能指標。

1.3 防撞桿性能綜合評估指標

綜上分析，以統計的5 款車型平均值作為參考，防撞桿碰撞性能簡化指標為：支點間距900 mm，相對位移在90 mm以內吸能量不低于2 022 J，且不發生斷裂。

2 子系統工況等效

側柱碰工況中，整車以一定的速度沖擊固定的柱狀避障，采用臺車安裝沖擊柱避障，以一定初速度沖擊施加約束的防撞桿，在系統簡化時需要確認以下邊界條件。

2.1 防撞桿約束定義

如圖4 所示，整車中防撞桿受力變形，在接觸位置折彎，兩端安裝板受到防撞桿的拉力呈現平動和轉動現象。

圖4 防撞桿受力變形Fig.4 Stress and deformation of side impact bar

設沖擊方向為X向，防撞桿軸向為Y向，則防撞桿子系統模型中的約束可等效為一端約束平動，釋放繞X、Z軸轉動自由度，即：1 235；另一端釋放軸向運動自由度，即約束X、Z向運動，釋放Y向自由度，釋放所有方向轉動自由度，即：13。如圖5所示。

圖5 防撞桿約束Fig.5 Schematic diagram of side impact bar restraint

2.2 沖擊能量確定

臺車配重1 290 kg，速度為7 km∕h，碰撞能量約為2 433 J，大于2 022 J.

2.3 沖擊柱尺寸確定

NCAP 管理規則2021 年版中所用圓柱避障直徑尺寸為250 mm，考慮到防撞桿約束點之間的間距縮短，為保護實驗中夾具重復利用，將沖擊圓柱尺寸直徑設定為140 mm。子系統示意圖如圖6所示。

圖6 臺車沖擊防撞桿Fig.6 Trolley impact side impact bar

3 試驗結果與討論

3.1 基于虛擬模型防撞桿碰撞性能快速評估

在進行防撞桿碰撞仿真分析過程中，需對新材料進行力學性能仿真卡片開發，主要包括屈服強度、抗拉強度和斷裂參數的表征，然后再進行子系統仿真驗證。

鋁合金、高強鋼、錳合金等輕量化材料在防撞桿結構研究及應用較多，高強鋼、合金等均可采用DYNA 求解器中GISSMO 卡片來表征其失效行為，本文將以某高強鋼為例進行研究。

3.1.1 金屬材料力學性能卡片開發

在整車側面柱碰工況中，防撞桿受到高速沖擊，需要考慮應變率強化效應，以及應變率對失效參數的影響[8]。基于虛擬模型防撞桿碰撞性能快速評估的關鍵就在于新材料的力學性能卡片開發。

將材料的力學性能分為彈塑性和斷裂失效兩部分[9]，材料的彈塑性主要是通過彈性模量、泊松比以及應力應變進行表征；斷裂失效與單元的應力狀態有關[10]，LSDYNA 材料模型中GISSMO 失效模型應用比較廣泛。GISSMO 失效模型綜合考慮單元在不同應力三軸度和羅德角狀態下的損傷積累，當累計損傷參數D達到上限1后，則認定單元失效。

（1）彈塑性表征

通過設計靜態拉伸、高速拉伸試驗，獲得材料的不同應變率下的工程應力應變曲線。并基于swift+HS 硬化準則公式對曲線進行外延，基于逆向標定確定最終的材料真應力真應變曲線。處理完并外延以后的靜態工況真應力應變曲線形式如圖7所示。

圖7 材料外延示意圖Fig.7 Schematic diagram of material epitaxy

（2）斷裂參數表征

MMC斷裂模型依賴于應力三軸度和Lode角系數，為三維的應變失效空間[11]。其中應力三軸度是靜水壓力與Mises等效應力的比值，簡化后的失效表達式如下：

式中：為等效斷裂應變；η為應力三軸度；為羅德角系數；A、c1、c2、n為需要擬合的參數。

通過仿真計算獲得單元的應力狀態，如應力三軸度、羅德角參數，依據損傷準則對GISSMO 失效參數進行逆向標定[12]，使得仿真樣件級斷裂位移精度在90%以上，如圖8所示。

圖8 仿真標定曲線Fig.8 Simulation calibration curve

3.1.2 防撞桿碰撞模型搭建

防撞桿模型采用殼網格，網格尺寸為5 mm，采用SECTION-SHELL 屬性，材料采用MAT24 號卡片，輸入材料密度、彈性模量、泊松比、以及應變率效應曲線。

約束等效：為了與子系統沖擊實車實驗工況邊界保持一致，防撞桿兩側約束參考夾具設計輸入邊界，即一邊約束全部自由度，另一邊釋放軸向自由度，約束如圖9所示。

圖9 防撞桿虛擬模型約束Fig.9 Constraint diagram of virtual model of side impact bar

臺車模型：依據實際臺車尺寸對臺車進行建模，車架采用剛體材料，并依據實車進行配重，在質心位置添加加速度傳感器。初速度定義為7 km∕h，沖頭與臺車剛性連接，沖頭為MAT-20 剛性材料；搭建完側臺車模型如圖10所示。

圖10 臺車沖擊示意圖Fig.10 Schematic diagram of trolley impact

防撞桿與沖擊避障建立面面接觸，添加控制卡片，主要包括時間步長、沙漏控制和接觸控制參數，提交DYNA求解器進行求解。

3.1.3 防撞桿碰撞性能評估

（1）模型可信性分析

臺車配重1 290 kg，以初速度7 km∕h 對準防撞桿中心，臺車初始能量為2 433 J；與防撞桿接觸后，動能降低內能升高，如圖11 所示為臺車的能量曲線等，從圖中可以看出，碰撞過程中能量曲線平滑無突變，總能量與沙漏能波動較小，且沙漏能較小，在總能量5%以內，滿足碰撞性能分析要求。

圖11 能量曲線Fig.11 Energy curve

（2）防撞桿變形分析

圖12所示為不同時刻的防撞桿變形。

圖12 防撞桿變形歷程Fig.12 Deformation history of side impact bar

（3）防撞桿碰撞性能評價

如圖13～14 所示，臺車以2 433 J 能量沖擊防撞桿，沖擊過程仿真結果可信，沖擊仿真過程中，防撞桿未發生斷裂，防撞桿最大位移約為70 mm，未超過90 mm；依據防撞桿碰撞性能指標判定該材料防撞桿滿足碰撞性能要求。

圖13 防撞桿最大位移Fig.13 Maximum displacement

圖14 防撞桿變形量Fig.14 Displacement of side impact bar

3.2 子系統防撞桿子系統實驗及碰撞性能評估

3.2.1 沖擊實驗邊界

臺車配重1 290 kg；沖擊柱尺寸與仿真模型一致；防撞桿約束與仿真模型一致，臺車對準防撞桿中心位置，沖擊速度7 km∕h；在沖擊臺車質心位置布置加速度傳感器，測量沖擊臺車加速度變化；另布置相應攝像記錄碰撞過程。

3.2.2 實驗結果及評價

對該材料防撞桿沖擊實驗后防撞桿變形如圖15～16所示。由圖可知，防撞桿在沖擊過程中發生折彎變形，在沖擊過程中未發生斷裂失效，經測量，防撞桿相對位移約為68 mm，小于90 mm，滿足防撞桿碰撞性能要求。

圖15 防撞桿內側未發生失效Fig.15 Deformation of side of side impact bar

圖16 防撞桿大變形未斷裂Fig.16 Bending deformation of side impact bar

3.3 虛擬模型與實驗模型對比

3.3.1 變形對比

如圖17 所示，防撞桿收到臺車沖擊，中部折彎變形，與實驗變形一致，且均為發生明顯斷裂。

圖17 仿真與實驗對比Fig.17 Comparison between simulation and experiment

3.3.2 加速度對比

如圖18所示，在仿真模型中輸出臺車質量點的加速度與實際臺車加速度曲線趨勢基本一致。

圖18 加速度對比Fig.18 Comparison of acceleration curves

綜上，基于虛擬模型進行防撞桿碰撞性能評估，關鍵在于材料力學性能的表征，在DYNA 求解器中，針對金屬、非金屬等均有相應的材料卡片；依據材料卡片的參數進行相應材料實驗并進行卡片的開發與標定，將防撞桿材料、結構代入虛擬模型，即可對防撞桿進行碰撞性能評價。

4 結束語

基于對多款車型車門防撞桿的碰撞性能統計分析，提出了車用防撞桿碰撞性能快速評估方法，包含基于虛擬模型防撞桿碰撞性能評估及臺車沖擊防撞桿碰撞性能評估方法，具體結論如下。

（1）統計5款SUV 車型側柱碰工況中防撞桿的吸能、變形、是否開裂等情況，總結出防撞桿碰撞性能評價指標，針對子系統進行相應等效研究，提出防撞桿沖擊子系統模型邊界條件以及子系統防撞桿碰撞性能評價指標。

（2）針對某高強鋼進行DYNA 材料卡片開發，主要包括屈服強度、抗拉強度和斷裂參數以及應變率效應參數，獲得較精準的力學性能卡片；建立防撞桿沖擊虛擬模型，經分析，模型能量變化穩定，沙漏能較小，沖擊壁障以高于2 022 J 能量沖擊防撞桿，防撞桿未開裂，相對位移70 mm，滿足防撞桿抗撞性能指標要求。

（3）依據虛擬模型，進行了防撞桿沖擊子系統試驗，試驗加速度曲線與仿真模型加速度曲線趨勢基本一直，試驗中防撞桿未發生斷裂，相對位移68 mm，滿足防撞桿碰撞性能指標要求。