某SUV車型結構碰撞優化分析

摘? 要：本文探討了某SUV車型結構碰撞優化分析。根據某SUV車型“50公里/小時”正面剛性壁障碰撞結構摸底試驗，加速度與防火墻侵入量均滿足要求，但是底板結構碰撞效果不佳，需要繼續優化;原因分析為縱梁、副車架折彎，吸能不足;縱梁與底板連接處的Kick down區域結構太強。優化方案為降低Kick down區域多余的加強板，增大了底板與門檻處的焊點密度，該方案經過第二次碰撞試驗驗證有效，徹底解決了底板結構問題。

關鍵詞：正面碰撞;Kick down;焊點撕裂

汽車在國內已經漸漸成為了人們生活中的必需品，中國機動車的保有量已接近飽和狀態，每年汽車銷量的不斷攀升也使得交通事故的發生率逐年升高，正面碰撞形式在所有的交通事故中占比最高[1]，更有2020年，交通事故死亡人數為1.66萬人。各國均制定了強制法規來規范正面碰撞工況，國標有GB 11551-2014《汽車正面碰撞的乘員保護》[2]和GB/T 20913-2007 《乘用車正面偏置碰撞的乘員保護》[3]，同時，正面碰撞工況從2009年開始就是C-NCAP 管理規則中的重要考核工況[4]。

車輛發生正面碰撞時，會導致車身變形及車輛加速度的產生，進而引起乘員與車輛的相對運動。車身產生加速度，但碰撞的部分能量被車身前部的結構變形所吸收，約束系統裝置也可對乘員的運動加以控制，從而實現對乘員的保護。乘員受到損傷是由于防火墻侵入與車輛加速度的共同作用。若車身剛度過低，則隨著車身變形量的增大，防火墻的侵入量也變大，并導致儀表板和轉向盤等部件向后運動，在碰撞過程中與向前移動的乘員接觸，給乘員帶來嚴重的損傷。相反，若車身剛度過高，則碰撞過程中車輛加速度會變得較大，使安全帶對人體施加的作用力增大，導致發生胸部肋骨骨折。由于加速度導致的損傷和由接觸導致的損傷與車身剛度的關系正好相反?？梢姡喾N因素都會使得乘員的損傷風險上升。因此，為了同時緩解由加速度和防火墻侵入帶來的損傷，必須找到最優化的車身碰撞剛度[5]。

在碰撞安全開發過程中，主要是針對降低假人傷害值的開發與優化，前艙結構（縱梁等部件）在設計時要求足夠“軟”，讓車身盡可能地多吸收碰撞產生的能量，降低整車的加速度峰值，從而降低乘員的慣性力，同時也減輕了約束系統的壓力，起到降低乘員傷害值的目的;相反地，乘員艙（Kick down，門檻等部件）在設計時要求足夠“硬”，這樣能夠在碰撞中保證前艙內的發動機或者電機等剛性部件不會侵入到乘員艙，從而不會侵占乘員的生存空間，起到保護乘員的目的。所以在碰撞中保證乘員艙的結構完整性至關重要。

2 碰撞試驗后的結構問題

碰撞中的結構失效問題在前期的仿真過程中很難發現，即使在仿真中設置了一些失效定義，在沒有進行CAE對標之前，一般都是不準確的。在目前的仿真精度條件下，一些結構的失效預測只有通過經驗才能識別。本論文中提到的焊點撕裂，在前期的仿真過程中沒有被準確預測，在實車碰撞試驗中出現焊點撕裂問題。

本車輛在50km/h 的正面剛性壁障碰撞結構摸底試驗中，防火墻最大侵入量為80mm，主駕歇腳區域侵入量為68mm，左右B柱底部加速度峰值為38g，吸能盒完全壓潰，縱梁前端變形良好。侵入量和加速度均滿足結構要求目標，車身結構總體表現良好。但是底板與門檻焊接處焊點有撕裂現象，如圖1所示，試驗后門檻區域位置相對于中通道區域位置靠前，前排座椅安裝橫梁焊點開裂，座椅安裝橫梁扭曲，致使座椅發生扭轉運動，影響乘員運動姿態。乘員艙的完整性喪失，需要優化并解決。

3 原因分析及方案優化

從試驗后底板結構的表現來看，底板與門檻產生了相對位移，底板與門檻焊接處撕裂。

焊點撕裂原因分析：

車身設計本身存在缺陷，底板結構剛度過大（Kick down太強）;在碰撞中，底板結構與門檻結構受到的碰撞力相差太大，導致兩種之間產生了較大的相對位移，而底板與門檻的焊點密度太小，焊點連接力不足以支撐底板與門檻的錯位力，導致了焊點的撕裂。

經過對碰撞車身的拆解和勘察，所有的焊點撕裂均為母材撕裂，不存在虛焊現象;底板結構與門檻結構最大相對位移測量為20mm。并且存在焊點開裂現象，綜上判定，原因為底板結構的剛度過大，Kick down區域結構設計過強;底板與門檻結構焊點密度過低，焊點力過小。

針對焊點開裂的原因，制定了以下優化方案：

降低Kick down強度，原始的Kick down 區域板料有7塊，如圖2所示，板料名稱，所用材料牌號及料厚分別為：

（1）Kick down上蓋板（材料：590DP/料厚：1.5mm）;

（2）Kick down上蓋板加強板（材料：HC340LA/料厚：1.2mm）;

（3）底板（材料：DC03/料厚：0.65mm）;

（4）Kick down下蓋板（材料：780DP/料厚：1.5mm）;

（5）Kick down下蓋板加強板1（材料：HC340LA/料厚：1.2mm）;

（6）Kick down下蓋板加強板2（材料：HC340LA/料厚：1.2mm）;

（7）Kick down下蓋板加強板3（材料：HC340LA/料厚：1.2mm）。

減少Kick down 區域板材累計數量，由原來的7塊板材減少到5塊板材，如圖3所示，板料名稱，所用材料牌號及料厚分別為：

（1）Kick down上蓋板（材料：590DP/料厚：1.5mm）;

（2）底板（材料：DC03/料厚：0.65mm）;

（3）Kick down下蓋板（材料：780DP/料厚：1.5mm）;

（4）Kick down下蓋板加強板1（材料：HC340LA/料厚：1.2mm）;

（5）Kick down下蓋板加強板3（材料：HC340LA/料厚：1.2mm）。

增加底板與門檻的焊點密度，調整焊點與焊點之間的間距，以焊裝工廠規定的最小焊接間距為輸入，焊點間距由原始的50mm減小到30mm。

由于項目時間緊急，CAE模型沒有時間進行試驗對標，直接將優化方案代入CAE計算并與原始CAE結果對比，兩次CAE仿真B柱底部加速度曲線無明顯差異，優化后模型加速度峰值稍低;各結構碰撞監測指標如表1所示，從表1可以看出，前圍板等部位侵入量稍有增加，但是都在目標限制范圍內;剎車踏板，離合踏板，方向標等X向和Z向額跳動量均無改變。從優化后的CAE計算結果的結構和加速度波形表現來看，優化方案沒有產生新的結構問題，說明該方案可行，可以用于進行實車試驗。

4 優化方案試驗驗證

經過CAE仿真驗證，上述優化方案可以解決焊點撕裂問題，重新修改軟模模具，再次造車進行第二輪實車碰撞試驗。

為了消除碰撞試驗本身誤差的影響，規定第二輪試驗加速度傳感器的位置必須和第一輪的位置一致，第二輪的車身測量點的位置必須和第一輪試驗的位置一致，第二輪的數采設備編號必須和第一輪數采設備編號一致，第二輪的各種假人的編號的位置必須和第一輪試驗假人的編號一致，第二輪的碰撞試驗質量必須和第一輪碰撞試驗質量一致，碰撞速度設置也和第一輪一致。

優化前后碰撞試驗B柱下部加速度曲線峰值為42g，比優化前低（優化前43g），整體加速度曲線走勢好于優化前。圖4為優化前后碰撞試驗OLC對比，優化后的OLC（27.5g）要小于優化前（29g），優化后的結構更有利于約束系統的后期優化。

優化后碰撞試驗，車身底板完整，且變形較小，拆解碰撞車后檢查，底板與門檻連接區域無焊點撕裂，縱梁與門檻的之間的接連件與底板無焊點撕裂，前座椅前橫梁與后橫梁均無明顯變形，部分監測點位的三坐標儀測量值見表2，前圍板最大入侵量從80mm增大到90mm，踏板侵入和方向盤跳動都有5mm左右的增加，主駕和副駕前圍板歇腳區的入侵量均稍有所增大，所有的試驗結構指標都在可接受的范圍內。優化方案有效，第一輪碰撞試驗中的焊點撕裂問題被解決，優化方案已被用于量產車輛。

5 結論

綜上優化方案的試驗驗證，得出以下結論：

（1）縱梁，Kick down，門檻的剛度匹配的合理性至關重要，Kick down 區域的剛度設計不宜過強，縱梁與門檻之間的連接板結構合理，焊接間距不宜過大，控制焊點間距在30mm;

（2）碰撞中，底板與門檻之間會產生X向的沖擊力，沖擊力的大小根據門檻和底板剛度匹配程度會有所差異，底板結構與門檻的焊點連接力必須要大于此沖擊力，底板與門檻之間焊點密度不宜過小，可以控制焊點間距在30mm左右。

（3）Kick down設計需要有一定的強度，有利于減小乘員艙的侵入量，但是強度不能設計太高;總結為，對于A級車，Kick down區域的板材累計不宜超過5個，總料厚不宜超過6.05mm，鋼材以高強鋼板為主;并且適當降低Kick down 區域的強度，有利于降低車身加速度波形;有利于座椅的穩定性和假人姿態的保持，有利于乘員艙的完整性。

參考文獻

[1] 連勝利，張向亮，劉劍，等.汽車側面碰撞B柱結構優化設計[J].汽車實用技術，2015，（4）：l1-12.

[2] GB 11551-2014， 汽車正面碰撞的乘員保護[S].天津：中國汽車技術研究中心，2014.

[3] GB/T 20913-2007 乘用車正面偏置碰撞的乘員保護[S].天津：中國汽車技術研究中心，2007.

[4] C-NCAP管理規則（2021版）[M].天津：中國汽車技術研究中心，2021.

[5] 水野幸治，韓勇，陳一唯，等.汽車碰撞安全[M].北京：人民交通出版社，2016.

作者簡介：

趙鵬程（1985.10），男，漢族，籍貫湖北，中級工程師，碩士研究生，從事碰撞安全工作。