基于正面40%重疊的不同撞擊速度下汽車車體耐撞性分析及優化改進

摘要：為研究汽車與40%重疊率壁障在不同撞擊速度下的耐撞性及主要影響因素，基于GB 11551—2014法規，并聯合HyperWorks、LS—DYNA軟件構建正面碰撞模型進行模擬分析，提取整車系統能量時間曲線及仿真過程中沙漏能、界面滑移能的時間曲線驗證了模型的精度。通過分析不同撞擊速度下車體B柱下端加速度變化、前圍板縱向侵入量變化，確定了危險工況。通過整車在正面碰撞過程中主要承力部件的分析，分析了不同剛度、不同部件對車體耐撞性的影響及敏感性，進而確定上邊梁、縱梁以及門檻梁的最終剛度，并進行仿真模擬，得出優化后的車體加速度時間曲線、前圍板縱向侵入量時間曲線，并將結果與初始參數下的曲線進行了對比。結果表明：優化后的B柱下端加速度、前圍板縱向侵入量最大值及出現時間均優于原始指標，優化后車體耐撞性有所提高。研究結果可為整車的結構改進提供理論依據。

關鍵詞：正面碰撞；40%重疊率；車體耐撞性；有限元仿真；結構優化

中圖分類號：U461.91 收稿日期：2024-08-28

DOI：10.19999/j.cnki.1004-0226.2024.12.011

1 前言

汽車在發生正面重疊率碰撞時其前排乘員艙的生存空間和車體受到沖擊加速度是影響乘員損傷的主要原因，對此，以往的研究人員做了大量的分析與研究。

一部分研究者通過假人對車體耐撞性進行了分析與研究。武和全等[1]分析了汽車正面撞擊速度為50 km/h下后排不同坐姿乘員的損傷生物力學，結果表明乘員損傷最嚴重的坐姿是左傾15°，因此，使用3+2點式安全帶能有效減輕乘員頭部損傷。彭旭東等[2]基于C—NACP正面碰撞工況搭建碰撞分析模型及實車試驗，分析了碰撞過程中后排家人的損傷情況，基于此提出了優化方案，此項研究為后排假人損傷的優化提供參考。黎和俊等[3]對NASS-CDS數據進行了分析，得出女性乘員的頭部和腹部損傷最為嚴重，身體其他部位的損傷相對較輕。葉凡等[4]基于ECE R129法規，通過利用Hybrid Ⅲ 6YO假人模型構建胸部動力學方程，并分析了正面碰撞過程中撞擊力對假人胸部加速度的影響，結果表明假人模型所受到的頸部力與安全的肩帶力對胸部加速度的影響較大。

另一部分研究者對車體的耐撞性直接進行了研究分析。蔣珂[5]基于C-NCAP的正面40%重疊可變形壁障碰撞試驗對某純電動SUV進行測試，通過改善車身前端吸能機構、提升乘員艙剛度對車身結構進行優化，優化方案可提升碰撞安全性能。孫偉[6]聯合Hyper Mesh和LS—DYNA軟件建立MPDB有限元模型并進行50%重疊率的仿真，分析了關鍵部件的沖擊加速度、侵入量，并對兩車的相容性進行優化，將優化后的數據與優化前的數據進行比較，結果發現優化方法可行。趙世婧等[7]通過分析前縱梁壓潰失效、折彎失效等影響吸能過程的因素，對前縱梁進行結構的優化設計。劉翔等[8]利用HyperWorks仿真軟件建立了車輛正面100%碰撞有限元模型。通過后處理軟件提取了加速度、前圍板侵入量及A柱上部折彎角等參數的數據，以此評估正面碰撞中車體的耐撞性能。

以上研究方法為汽車正面重疊偏置碰撞提供了相應的研究基礎。本文基于40%重疊率對不同撞擊速度下的車體耐撞性進行了分析。

2 模型的構建及仿真結果分析

2.1 模型的構建及有效性驗證

以某SUV車輛作為仿真分析模型，構建某SUV汽車的整車模型，并設置接觸參數。根據GB 11551—2014規定，在車輛正面碰撞測試中，試驗車輛（以下通稱子彈車）以50 km/h的速度、重疊率為40%撞擊靜止于前方的壁障，如圖1所示。

通過HyperWorks、LS—DYNA軟件后處理，提取仿真數據，整理得出本次正面系統能量時間曲線以及碰撞過程中沙漏能、界面滑移能時間曲線，如圖2所示，可以看出在仿真模擬碰撞過程中求解較穩定，能量守恒，沙漏能在5%以內，所以整個仿真碰撞模型是有效的。

2.2 仿真結果分析

2.2.1 乘員艙加速度分析

B柱與門檻梁相交的位置剛性較高，故選擇此處安裝加速度傳感器以測定正面撞擊過程中加速度波動情況[9]。子彈車分別以速度為36 km/h、50 km/h、64 km/h撞擊40%重疊率的剛性壁障，提取并整理仿真數據，得出的加速度時間特性曲線如圖3所示。從圖3可以看出，隨著碰撞速度的增大，曲線波動的幅度逐漸變大，并且在64 km/h時撞擊加速度存在最大值18.5 g，對應的撞擊危險時間為55～95 ms之間，之后3種速度工況下沖擊加速度曲線逐漸趨于穩定狀態。綜上，當撞擊速度為64 km/h時車體處于危險狀態。

2.2.2 前圍板變形的分析

在碰撞法規中，前圍板變形量大小也是影響車體耐撞性的主要評價指標，因為前圍板侵入量的大小嚴重影響前乘員艙的生存空間，所以有必要對其進行分析。圖4所示是車體在撞擊過程中不同時刻下的前圍板位移云圖，相應各工況下時間-侵入量曲線圖如圖5所示。

可以看出，由于汽車前部存在散熱器、發動機等主要部件，使得車體在發生正面撞擊時存在較大的緩沖空間，所以曲線從0時刻開始沒有較大的變化量，但是隨著撞擊的進行，車體前部主要部件壓縮到極限時，前圍板開始變形，出現的時間是75 ms，此后，隨著撞擊速度的不同，曲線的斜率不盡相同。可以看出，最大侵入量與撞擊速度成正比，當撞擊速度為64 km/h時，前圍板侵入量存在最大值，整個曲線走勢符合實際要求。

3 汽車車體結構耐撞性的改進措施

3.1 改進措施中的參數調整

根據仿真過程中車體變形情況分析可知，車輛發生40%重疊碰撞時，車輛前艙中的前縱梁和上邊梁是主要的吸能部件，其通過折彎變形可吸收碰撞能量［10］。因此，本文對汽車前部主要吸能部件的剛度在不同狀態下進行仿真，研究主要吸能部件剛度調整后對B柱下端加速度和前圍板侵入量這兩項評價指標的影響。

首先做以下定義：a.設置上邊梁厚度以調整其剛度的大小，進而分析不同剛度條件下對車體耐撞性的影響；b.調整縱梁厚度以改變其剛度的大小，并分析對耐撞性的影響；c.門檻梁作為乘員艙下部主要的關鍵支撐部件及傳力通道，在研究剛度變化對車體耐撞性影響時可將其作為一個整體，可通過調整材料厚度來實現剛度的變化。

以上三個影響因素主要通過碰撞側B柱下端最大加速度a及前圍板的侵入量d來進行考查。定義完成上面的三個影響因素之后，要給出對影響因素的調整策略[10]。

在建立的車輛40%重疊正面碰撞模型中，通過仿真結果得到車輛以64 km/h的初始碰撞速度發生重疊為40%正面碰撞時耐撞性最差，選擇這種工況作為初始模型通過調整部件厚度來優化車體結構的耐撞性。

首先調整上邊梁的厚度，縱梁和門檻梁的厚度不變，只研究上邊梁整體厚度調整后對整車車體耐撞性的影響。然后分別用同樣的方法調整縱梁和門檻梁的厚度改變其剛度，找出這三個影響因素對B柱下端最大加速度和前圍板侵入量的影響。

表1是調整的三個部件整體厚度的變化，各部件厚度均是由參數組1到參數組3依次遞減，其中參數組2是三個影響因素的初始模型中部件材料厚度。

3.2 各評價指標影響參數分析

3.2.1 B柱下端加速度影響參數分析

在正面碰撞工況下車體結構的耐撞性可以用加速度響應來衡量，若加速度過大還會影響乘員生存空間，因此可用加速度響應這一指標來判斷車體結構優化時的優化效果。圖6是各部件剛度調整后對子彈車B柱下端加速度amax值的影響結果。從圖6中可以看出，上邊梁剛度的調整對車體受到沖擊時的amax值的影響不是很明顯。但是縱梁和門檻梁的剛度調整會使得加速度響應變得比較敏感，縱梁整體剛度的減小使得車體的沖擊加速度最大值amax整體趨勢減小，門檻梁剛度的增加會使車體的amax值增加。

3.2.2 前圍板侵入量影響參數分析

圖7為主要吸能部件剛度調整后對子彈車車體前圍板侵入量峰值的影響結果。從圖中可以看出，門檻梁剛度對車體前圍板dmax的影響不明顯，車體前圍板dmax隨著上邊梁剛度的減小逐漸減小，隨著縱梁剛度的減小逐漸下降，但是厚度值太小，會導致變形量又有回升。

4 結構優化

4.1 結構剛度匹配設計

結構改進的主要目標是減小車體B柱下端加速度和前圍板侵入量，來保證乘員艙在發生碰撞事故時不會出現大的變形，從而有效保證乘員生存空間。根據仿真結果分析可知，上邊梁剛度對B柱下端加速度和前圍板侵入量的影響不是很明顯，可適當減小其剛度。縱梁剛度的調整對B柱下端加速度和前圍板的影響都相對比較明顯，但是剛度太大或太小都會增加沖擊加速度和前圍板侵入量，因此通過比較分析，可對縱梁剛度不做改進。門檻梁剛度的調整對前圍板侵入量的影響不大，但是降低門檻梁剛度對優化車體的B柱下端加速度效果很明顯，因此可降低門檻梁的剛度。表2是根據分析結果對上邊梁、縱梁及門檻梁的板厚作出的調整情況。

4.2 優化改進結果對比

圖8是仿真模型未調整吸能部件厚度時的B柱下端加速度曲線與仿真模型按照表2吸能部件厚度調整以后所得到的車體B柱下端加速度曲線對比圖。從圖中加速度曲線對比可以看出，車體B柱下端加速度amax值的出現時間延遲，并且最大值amax降低，其最大值列于表3，可以看出改進后車體B柱下端加速度amax的值降低了23.38%。說明車體耐撞性的提高可通過調整剛度來實現，為乘員提供更多的生存空間。

圖9為按照4.1節中各部件厚度調整方案進行優化以后所得到的前圍板侵入量時間曲線和未調整厚度時的前圍板侵入量時間曲線對比圖。

從圖中侵入量時間曲線可以看出，前圍板侵入量最大值dmax有所減小，其最大值列于表3，可以看出改進后車體前圍板侵入量dmax的值降低了38.45%。

5 結語

a.本文聯合HyperMesh軟件和LS-DYNA求解器研究了某SUV汽車在40%重疊率不同碰撞速度下與壁障的正面碰撞，提取撞擊過程中的整車系統能量、沙漏能、界面滑移能時間曲線，驗證了模型的有效性。通過對不同撞擊速度下車體B柱下端加速度、前圍板侵入量進行了分析，得出最危險工況是撞擊速度64 km/h。

b.選取對正面40%重疊率撞擊下影響車體耐撞性較大的上邊梁、縱梁、門檻梁等三個部件進行分析，通過改變以上三種零部件的剛度（以改變厚度的方式改變剛度）分析車體的耐撞性，分析不同零件剛度對B柱下端加速度、前圍板侵入量的影響敏感性。

c.得出了影響車體耐撞性的三個零件的主次順序、影響方式，并確定了各零部件剛度的取值范圍，以此進行仿真模擬并與初始參數下的仿真結果進行了比較，得出優化改進后的參數值對車體耐撞性更高。

參考文獻：

[1]武和全，周惠來，李羿輝，等.汽車正面碰撞中后排不同坐姿乘員損傷生物力學分析[J].汽車安全與節能學報，2023，14（6）：688-697.

[2]彭旭東，肖森，劉宸甫，等.汽車正面碰撞后排小體位假人傷害研究及優化[J].汽車工程學報，2024，14（2）：275-286.

[3]黎和俊.汽車正面碰撞中不同體征乘員的損傷響應差異研究［D］.煙臺：煙臺大學，2020.

[4]葉凡，王丙雨，韓勇，等.正碰下6歲兒童乘員的胸部運動學方程與損傷風險分析[J].汽車安全與節能學報，2022，13（4）：617-624.

[5]蔣珂.基于40%偏置碰撞的車身結構優化[J].農業裝備與車輛工程，2022，60（6）：141-145.

[6]孫偉.某SUV正面碰撞安全性能研究[D].大連：大連交通大學，2024.

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[8]劉翔，劉俊杰，羅方贊.車輛正面碰撞中的耐撞性能仿真分析[J].汽車實用技術，2019（9）：149-152.

[9]胡遠志，曾必強，謝書港.基于LS-DYNA和HyperWorks的汽車安全仿真與分析[M].北京：清華大學出版社，2011.

[10]許鵬善.汽車小重疊正面斜角碰撞時車體結構的耐撞性分析及優化改進[D].蘭州：蘭州交通大學，2017.

作者簡介：

許鵬善，男，1989年生，講師，研究方向為汽車被動安全性。