一種車型的貫通式圓管側圍結構

鐘鎵濘，楊標麟，賈麗剛

一種車型的貫通式圓管側圍結構

鐘鎵濘1，楊標麟2，賈麗剛2

（1.湖南湖大艾盛汽車技術開發有限公司柳州分公司，廣西 柳州 545000；2.上汽通用五菱汽車股份有限公司，廣西 柳州 545007）

汽車在正面碰撞仿真分析過程中存在門框變形量較大的風險，該風險易導致假人損傷不滿足正面碰撞法規要求。對此進行結構優化，在側圍內部增加貫通式圓管結構，該方案成本較低且有效降低門框變形量與假人損傷值；最后將優化方案進行實車驗證，試驗結果與仿真分析結果一致，滿足正面碰撞國標要求；同時為該車型的正面碰撞開發積累了有效經驗，降低了汽車設計與制造成本。

正面碰撞；貫通式圓管；結構優化

汽車正面碰撞過程中，可通過優化前縱梁吸能結構[1]或增加shotgun、副車架等傳力路徑對車身結構進行優化。本文針對某款正在開發的乘用車正面碰撞工況，使用有限元仿真分析方法，參照《汽車正面碰撞的乘員保護》（GB11551—2014）的試驗要求[2]搭建有限元模型進行仿真分析，對分析結果進行優化，并按優化方案造車進行實車驗證。

1 搭建有限元仿真模型

在有限元計算中，搭建科學合理的模型是仿真計算成功的關鍵。針對不同的求解類型，有限元模型建立的側重點也略有不同[3]。在保證模型計算精度的前提下，為了提高工作效率，需盡可能縮短建模時間和求解計算的時間。參考國標正碰法規搭建有限元仿真模型：

1）在HyperMesh軟件中導入車身區域提供的STP格式模型，按照建摸規范對白車身、車門、動力總成、前后懸、儀表板骨架、轉向系統、制動系統和座椅等進行網格劃分，基準尺寸為8 mm，確保模型網格正交性良好，無網格交叉和滲透[4]，車身變形較大區域如吸能盒、防撞梁、大梁及封板采用5 mm網格。

2）根據車身鈑金的厚度及材料屬性信息對整車模型進行定義，為保證模型的計算精度及計算效率，大部分部件采用2#積分定義，變形較大區域則采用16#積分并用沙漏控制變形，材料曲線為真實應力應變曲線。

3）整車模型中，焊點和粘膠均采用六面體實體單元模擬，其中焊點材料為MATL100材料[5]；粘膠材料為MATL1材料，車身螺栓及二保焊采用rigidbody模擬。

4）正面壁障為剛性墻壁障，類型RWPlanar，位置布置在某乘用車最前端。

5）根據整車和壁障之間的實際接觸情況，在仿真分析里定義相應的接觸類型：其中包括整車內部的自接觸、壁障與車身的面面接觸、焊點或粘膠與鈑金的點面接觸以及玻璃與粘膠的點面接觸等。

2 載荷邊界條件

根據法規要求，剛性墻壁障固定于水平地面上，乘用車以(50±2) km/h的速度撞擊壁障，輸出控制卡片，包含計算時間、應力應變等參數便于后續結果查看[6]。調整好的有限元計算模型如圖1所示。

圖1 整車正碰模型

3 計算結果分析

模型計算完成后，需對計算結果進行檢查以確保計算的準確性，其中包括：鈑金件是否飛出、模型連接是否正確、模型五大能量曲線是否平穩，整車總能量應基本保持不變[7]。同時，為了提高仿真精度和穩定性，模型質量增加要小于5%。根據上述原則，得到光滑平穩的能量曲線，模型質量增加為3.15%，小于5%。說明仿真模型精度及準確性可行，可進行結果查看以及方案優化。

根據國標正碰評價標準（該標準是企業長期經驗積累形成，不適用于其他車型，僅供參考）查看車身加速度、回彈時刻、侵入量等如表1所示。

表1 正碰侵入量及侵入速度

測量位置度量目標值仿真結果 車身最大加速度L<45 g42.3 R<45 g45 回彈時刻L>60 ms52.9 R>60 ms52 整車動態壓潰量侵入量>500 mm440.3 前圍板侵入量侵入量<200 mm199.5 前圍腳踏板安裝點侵入量侵入量<100 mm95 擱腳板侵入量侵入量<50 mm45 管柱跳動量X<72 mm88.2 Z<60 mm5.8 門框變形量L<25 mm49.7 R<25 mm50.5

查看統計結果可知，該車型管柱向跳動量以及門框變形量超出目標值，如圖2、圖3所示，需進行優化。

圖2 車門外板變形圖

圖3 管柱X向跳動量圖

4 結構優化及實車驗證

根據仿真結果對車身進行優化，優化改進方向是通過在側圍增加貫通式圓管，提高側圍結構強度，進而減小門框變形量以及管柱向跳動量，仿真方案如圖4所示。

圖4 貫通式圓管

表2 優化方案描述

增加部件材料厚度/mm重量/kg 貫通式圓管H340LAD1.52.0

根據表2所示方案，重新建立仿真模型進行計算，仿真優化結果如圖5、圖6所示。優化方案門框變形量以及管柱跳動量改善明顯，滿足國標要求。因此，按照優化方案進行造車試驗驗證。

圖5 車門外板變形圖

圖6 管柱X向跳動量圖

最終試驗結果假人損傷如表3所示，假人損傷滿足要求，綜合結果滿足法規要求，試驗變形圖如圖7所示。

表3 假人損傷及其法規要求

部位測量項法規乘員傷害指標試驗結果 駕駛員側乘員側 頭部HIC36≤1 000635275 3 ms合成加速度/g≤8060.6144.21 頸部剪切力Fx/kN3.1@0 ms0.543@0 ms0.537@0 ms 1.5@25-35 ms 1.1@45 ms 張力Fz/kN3.3@0 ms2.078@0 ms0.942@0 ms 2.9@35 ms 1.1@60 ms 彎矩My/N.m≤5735.8234.23 胸部壓縮變形量/mm≤7531.529.6 VC/(m/s)≤1.00.190.1 大腿壓力/kN9.07@0 ms1.7250.988 7.58@10 ms3.6580.819 其它所有車門保持鎖止狀態，右側門均能正常打開 約束系統完好，松脫力<60 N 綜述滿足法規要求

圖7 試驗變形圖

5 結論

本文通過在側圍內增加貫通式圓管梁解決了某車型在開發過程中出現的門框變形量較大、管柱跳動量過大等問題，避免了試驗失敗又重新造車驗證的繁瑣流程，并得出以下結論：

1）此貫通式圓管結構燒焊在側圍鈑金空腔內，不影響原基準車型車身結構；

2）此結構提升側圍的強度，更有利于碰撞過程中對車身、車門以及乘員安全的保護；

3）此結構可相應降低A柱、B柱、門檻加強板的料厚，有利于輕量化設計；

4）本文的建模方法和優化思路可應用于同系列車型研究開發當中，以提高研發利用率。

[1] 劉博,高云凱,左文杰.車身結構件軸向壓潰性能的截面優化[J].汽車技術,2018(5):56-60.

[2] 全國汽車標準化技術委員會.汽車正面碰撞的乘員保護:GB 11551—2014[S].北京:中國標準出版社,2015.

[3] 梁卓,吳磊.客車側翻仿真全程計算方法的研究[J].廣西科技大學學報,2017(2):74-78.

[4] 農天武,黃惠星,吳磊,等.基于某新能源車后排安全帶固定點強度的車身局部結構優化[J].廣西科技大學學報,2020,31(4):112-117.

[5] 陳軍,成艾國,陳濤,等.Beam與Solid兩種點焊模擬方法對比研究[J].中國機械工程,2012(19):2388-2392.

[6] 劉晶,解維杰,彭丹,等.基于碰撞安全的復合材料尾門設計[J].汽車零部件,2021(3):6-11.

[7] 黃虎,劉新田,張佳俊.MPV汽車正面碰撞有限元分析[J].拖拉機與農用運輸車,2009,36(2):51-52.

A Kind of Through Tube Side Wall Structure for Vehicle Type

ZHONG Jianing1, YANG Biaolin2, JIA Ligang2

( 1.Liuzhou Branch of Hunan Huda Aisheng Automobile Technology Development Company Limited,Liuzhou, 545000, China; 2.SAIC GM Wuling Automobile Company Limited, Liuzhou 545007, China )

There is a risk of large deformation of door frame in the simulation analysis of frontal collision, which can easily lead to dummy damage not meeting the requirements of frontal collision regulations.The structural optimization is carry out by adding a through tube structure inside the side enclosure. The cost of the scheme is low and the deformation of the door frame and the dummy damage value are effectively reduced.Finally, the optimization scheme is verified in real vehicle, and the test results are consistent with the simulation analysis results, which meet the national standard of frontal impact.At the same time, it has accumulated effective experience in frontal collision development and reduced the cost of vehicle design and manufacturing.

Frontal collision; Through type round pipe; Structural optimization

U462.3

A

1671-7988(2023)11-82-04

鐘鎵濘（1995－），女，工程師，研究方向為汽車碰撞安全仿真與試驗，E-mail:390841282@qq.com。

柳州市科技計劃項目資助（2021AAA0103）。

10.16638/j.cnki.1671-7988.2023.011.014