面向輕量化的某車型正面碰撞安全性研究

孫倬 宋博

（本鋼板材股份有限公司研發院，本溪 117000）

1 前言

通過車身輕量化減輕整車質量是降低整車油耗的有效手段。同時，汽車保有量的增加和復雜多樣的路況對車輛自身的安全性能提出了更高的要求[1-8]。

在保證車身安全性的前提下進行輕量化設計是新車型開發過程中的重要任務，本文對A 柱加強板、車身前縱梁內外板進行輕量化設計及強度升級，參考中國新車評價規程（China New Car Assessment Program，C-NCAP）[9]50 km/h 正面100%重疊剛性墻碰撞要求，應用LS-DYNA 軟件對白車身進行正面碰撞分析，獲取各參考點的碰撞分析結果，并對比優化前、后的碰撞分析結果，驗證方案的有效性。

2 有限元模型建立

準確的白車身有限元模型是保證分析結果正確的前提。有限元模型的建立過程包括幾何建模、網格劃分、材料賦予、載荷施加等。

圖1所示為某車型白車身的正面碰撞仿真分析模型，白車身質量為307.9 kg，組件數量為296個，節點數量為553 354 個，網格數量為498 793 個，網格基本尺寸為10 mm。焊點設置為Hexa 多邊形焊點，焊縫采用二維面網格焊縫，使用REB2剛性螺栓。

圖1 白車身的正面碰撞仿真分析模型

3 輕量化材料

針對該車型進行車身輕量化設計，分別選取前保險杠橫梁、前縱梁內外板、A柱加強板進行材料升級替換和厚度減薄，如圖2所示，優化方案和輕量化效果如表1所示，實現質量減輕6.224 kg。

表1 零件優化質量對比

圖2 材料升級零件示意

在試驗室中利用Zwick 100 kN 電子拉伸試驗機測得6 種材料的基本力學參數，如表2 所示，其中Rp0.2為屈服強度，Rm為抗拉強度，n為加工硬化指數。

表2 單向拉伸力學性能指標測試結果

4 材料正面碰撞性能優化

依據《C-NCAP 管理規則（2018 年版）》，設置正面碰撞速度為50 km/h，并設置剛性地面和剛性壁障，接觸方式為*AUTOMATIC_SINGLE_SURFACE和*AUTOMATIC_SURFACE_TO_SURFACE，工況設置具體如圖3 所示。對于整車碰撞仿真，主流的材料屬性有MAT1、MAT20、MAT24、MAT100 等，本文碰撞仿真使用的是MAT24 材料卡。設定邊界條件和求解控制參數后，導入LS-DYNA 軟件中進行求解。用HyperView 和Hypergraph 后處理器分別對優化前、后的整車的正面碰撞情況進行分析，對整車能量變化曲線、加速度曲線和部件侵入量進行整體評價。

圖3 工況設置

4.1 可信性驗證

仿真模型需進行可信性分析，本文的考察重點為計算過程中的能量變化和沙漏能占比。

白車身結構質量增量如圖4 所示，質量最大增量為4.6%，且質量增量穩定，模型質量增量檢驗合格。碰撞過程中的能量變化是評判仿真結果是否可信的重要依據。白車身結構在碰撞過程中的動能、內能、沙漏能和總能量曲線如圖5 所示。由圖5可知，碰撞過程滿足能量守恒定律，白車身零部件系統的動能與內能相互轉化，沙漏能的變化較小。能量曲線無異常，總能量守恒，動能轉換為白車身勢能的過程曲線平滑無缺陷，沙漏能占比低于3%，計算結果具備可信性。

圖4 質量增量

圖5 碰撞能量曲線

4.2 加速度曲線

車身受力與加速度呈正相關，因此正面碰撞過程中需考察整車的加速度。為充分反映整車的加速度變化情況，選取B 柱內側安全帶卷收器下方的某個點（該區域穩定，試驗狀態下傳感器安裝在此處）作為整車加速度計算點。B 柱下端參考點加速度曲線如圖6所示，在正面碰撞過程中，原始參考點最大加速度為71.3g，材料優化后最大加速度為63.9g，B 柱加速度顯著降低，這是因為前保險杠橫梁及前縱梁優化后材料強度更高，在形變過程中吸收能量更加充分。

圖6 B柱下端考察點加速度曲線

4.3 侵入量

車身變形量反映了車體被損壞的程度與車身的抗碰撞能力。在整車正面碰撞過程中，考慮到乘員艙的被動安全性，需重點關注的部件為A 柱和前圍板。

選擇左側B 柱鎖鉤后側某參考點，選擇同水平高度下A 柱平面上的碰撞點作為測點，測量A 柱加強板侵入量，如圖7 所示，隨著時間的推移，在正面碰撞過程中，A 柱加強板開始侵入乘員艙，在第0.049 s 時侵入量達到最大值，隨后車身結構產生回彈，A 柱侵入量減小。A 柱加強板優化后侵入量降低8.97%，優化效果明顯。

圖7 A柱加強板考察點侵入量曲線

同時，前排乘員的腿部需依靠前圍板保護，因此選取駕駛員腿部及足部區域參考點，前圍板侵入量曲線如圖8所示，可以看出，優化后目標車型對應駕駛員腿部、足上部及足下部的前圍板部分侵入量有所降低，降幅分別為15.9%、9.9%、8.8%，因此，優化后的白車身碰撞安全性更佳。

圖8 前圍板侵入量曲線

零件優化前、后結構耐撞性變化情況如表3 所示，由表3可知，優化后正面碰撞性能大幅提高。

表3 材料優化前、后耐撞性變化情況

4 結束語

本文針對某車型白車身，建立了正面碰撞有限元分析模型，并進行了模型的可信性驗證，分析結果表明：

a.正面碰撞模型的最大質量增量為4.6%，沙漏能占比低于3%，表明計算結果具備可信性。

b.A柱加強板熱成形鋼PHS1500替代傳統高強鋼、前縱梁內外板使用DP780 替代B410LA、前保險杠橫梁使用QP980替代QSTE500TM后，侵入量降低8.97%，優化效果明顯。前圍板部分各參考點的侵入量有所降低，降幅分別為15.9%、9.9%、8.8%，因此優化后的白車身碰撞安全性更佳。

c. 優化后總質量減輕6.224 kg，有效實現輕量化的同時，提高了白車身碰撞安全性。