轎車側(cè)面碰撞乘員艙分區(qū)剛度優(yōu)化與匹配研究*

胡玉梅,姜亞洲，禹慧麗，崔泰松,楊芳霞

(1.重慶大學(xué)，機械傳動國家重點實驗室，重慶 400044; 2.汽車噪聲振動和安全技術(shù)國家重點實驗室，重慶 400039)

前言

基于安全需求，汽車側(cè)面碰撞安全研究一直是國內(nèi)外汽車被動安全性研究的熱點。良好的車體結(jié)構(gòu)抗撞性能為乘員生存空間提供了有力的保證，而車體結(jié)構(gòu)抗撞性與乘員艙剛度密切相關(guān)。在側(cè)面碰撞過程中，乘員艙剛度的分配決定了車身的變形和側(cè)面部件如車門B柱內(nèi)板等的侵入速度和侵入量，因此對整車乘員艙剛度的匹配優(yōu)化具有重要的實際意義。

國內(nèi)外汽車安全技術(shù)研究人員針對乘員艙剛度做了大量研究。文獻[1]～文獻[4]中通過優(yōu)化側(cè)圍結(jié)構(gòu)(如B柱、防撞桿和門檻等部件)，文獻[5]中通過在車身側(cè)面采用高強度鋼，以及文獻[6]和文獻[7]中利用提高車門剛度等來加強側(cè)面剛度以改善側(cè)面結(jié)構(gòu)抗撞性；文獻[8]中研究了側(cè)面碰撞車體結(jié)構(gòu)與乘員傷害的關(guān)系，并在此基礎(chǔ)上得到了側(cè)面碰撞車體結(jié)構(gòu)抗撞性的評價參數(shù)；文獻[9]中通過提取轎車相應(yīng)部分的慣性特性和剛度特性建立了整車側(cè)面碰撞參數(shù)化模型，并針對側(cè)面結(jié)構(gòu)抗撞性進行了剛度參數(shù)的優(yōu)化。此研究主要用于概念設(shè)計階段的轎車側(cè)面結(jié)構(gòu)抗撞性設(shè)計；文獻[10]中通過調(diào)整乘員艙部分構(gòu)件厚度研究了構(gòu)件的剛度對乘員損傷的影響等。

綜上所述，雖然目前國內(nèi)外對車身側(cè)面碰撞的研究很多都與剛度有關(guān)，但對從乘員艙剛度的優(yōu)化和車身側(cè)面不同區(qū)域剛度的匹配對側(cè)面結(jié)構(gòu)抗撞性能或乘員傷害指標的影響等方面進行的研究較少。本文中將乘員艙側(cè)面被撞區(qū)域劃分為6個區(qū)域，得出各分區(qū)剛度的匹配關(guān)系和分區(qū)剛度與乘員傷害指標的關(guān)系。

1 側(cè)面碰撞乘員艙分區(qū)剛度的定義

目前，在汽車碰撞安全法規(guī)中，不管是強制性的國家法規(guī)，還是有著更高要求的NCAP，都只是對作為最終指標的假人傷害指標作了明確規(guī)定，而對于車體側(cè)面結(jié)構(gòu)抗撞性并沒有提出詳細的規(guī)定。但車體侵入速度和侵入量與乘員傷害指標有直接的關(guān)系，文獻[11]中的研究結(jié)果表明，肋骨變形量與B柱腰線處的侵入速度可以用線性關(guān)系表示，侵入速度每增加1m/s，則肋骨變形量相應(yīng)增加4.7mm；而侵入量、侵入速度與車身結(jié)構(gòu)不同區(qū)域的剛度及其相互之間的匹配直接相關(guān)。因此，在進行車體結(jié)構(gòu)抗撞性結(jié)構(gòu)設(shè)計時，如果通過不同區(qū)域的剛度及其相互之間的匹配關(guān)系來評價車體側(cè)面結(jié)構(gòu)抗撞性的改善情況，就顯得比較方便。

由于乘員艙各區(qū)域在側(cè)面碰撞過程中所起的作用不同，有必要將整車側(cè)面與移動壁障相接觸的區(qū)域進行分區(qū)來研究，如圖1所示，將車身側(cè)撞區(qū)域劃分為6個區(qū)域來考慮。

但是，如何評價車體側(cè)面不同區(qū)域的剛度及其相互之間的匹配，目前沒有相關(guān)文獻報道。參考文獻[12]中的啟示，以側(cè)面碰撞過程中乘員艙所承受的側(cè)面壓縮力與其壓縮變形量的關(guān)系曲線(稱為剛度曲線)來描述乘員艙分區(qū)剛度。圖2為分區(qū)2的乘員艙剛度曲線，現(xiàn)以它為例對乘員艙分區(qū)剛度進行說明。

圖2中Fp為乘員艙受到壓縮力的最大值；Δp為乘員艙壓縮力最大時的變形；F0是為描述乘員艙剛度曲線經(jīng)過(Fp，Δp)點后的穩(wěn)定區(qū)間所設(shè)定的一個值，F(xiàn)0=αFp，α為小于1的比例系數(shù)(本文中取α=0.9[10])；Δ0為乘員艙受到的壓縮力從Fp降至在曲線最低點之前最后一次到F0時的乘員艙變形；Δp′則為壓縮力保持較大值的變形區(qū)段，Δp′=Δp-Δ0；Δmax為碰撞過程中乘員艙最大擠壓變形；Δend為碰撞結(jié)束后乘員艙變形。

2 車身側(cè)圍的分區(qū)剛度水平

為實現(xiàn)對乘員艙各分區(qū)剛度的匹配與優(yōu)化，有必要先了解乘員艙分區(qū)剛度水平和乘員傷害情況。為此建立了包含車身結(jié)構(gòu)、發(fā)動機和底盤結(jié)構(gòu)的某自主品牌轎車有限元模型，并按國家相關(guān)標準的要求，利用VPG提供的符合ECER95標準的移動變形壁障作為側(cè)面碰撞的撞擊車，如圖3所示。

2.1 模型驗證

按照C-NCAP可變形移動壁障側(cè)面碰撞試驗的要求和構(gòu)建的側(cè)面碰撞有限元模型，提交Ls-dyna計算，并進行分析以驗證模型的準確性。圖4為轎車撞擊側(cè)的試驗與仿真對比,計算結(jié)果如圖5所示。

由圖4和圖5可知，該車側(cè)撞有限元模型具有較高精度，分析結(jié)果可靠，可有效指導(dǎo)側(cè)撞安全設(shè)計。

2.2 車身側(cè)圍分區(qū)剛度水平分析

原車乘員艙分區(qū)剛度曲線如圖6所示，分區(qū)剛度評價參數(shù)如表1所示。

FP/NΔp/mmΔp′/mmΔmax/mm分區(qū)164962551244626555分區(qū)235666610-323016033分區(qū)3515817486-175620730分區(qū)4204832216954223327分區(qū)5122455903-359915869分區(qū)6906612952-462421685

由圖6和表1可見，對車身側(cè)面剛度貢獻大的區(qū)域主要為分區(qū)4、5和6，而分區(qū)1、2和3“相對較弱”，側(cè)面剛度呈現(xiàn)上弱下強的趨勢。其中，分區(qū)2剛度最弱，容易造成乘員胸部處侵入速度增加。據(jù)文獻[11]中的換算方法，可得駕駛員的肋骨平均變形量為35.45mm，其C-NCAP評分計算胸部分值為1.31分，說明該轎車側(cè)撞安全性能較差，須進行改進和優(yōu)化。

3 側(cè)撞分區(qū)剛度優(yōu)化與匹配研究

為達到合理優(yōu)化分區(qū)剛度改善側(cè)面結(jié)構(gòu)抗撞性的目的，采取正交試驗法[13-14]對車身的側(cè)面撞擊區(qū)結(jié)構(gòu)進行優(yōu)化，并選擇車身側(cè)面碰撞主要承載結(jié)構(gòu)，如B柱內(nèi)外加強板、門檻加強板、前后車門防撞桿、地板橫梁及其內(nèi)部加強板、后地板橫梁和車頂橫梁等關(guān)鍵構(gòu)件作為乘員艙分區(qū)剛度優(yōu)化的試驗設(shè)計對象。

3.1 側(cè)撞安全性能車身評價指標

在正交試驗中，須采用試驗?zāi)繕擞脕砗饬吭囼炐Ч欢谥袊萝嚢踩u價程序(C-NCAP)中，假人的胸部評分指標是評價整車側(cè)面結(jié)構(gòu)抗撞性的非常重要的指標。因此本文中以對應(yīng)假人胸部處的B柱侵入速度和B柱中部侵入量作為正交試驗的優(yōu)化目標，來說明分區(qū)剛度的優(yōu)化對側(cè)面抗撞性的影響。

3.2 設(shè)計變量及水平

根據(jù)其承受載荷的特點，可將所研究的關(guān)鍵構(gòu)件分為承受軸向撞擊力的構(gòu)件和承受橫向撞擊力的構(gòu)件。其中，受橫向撞擊力的構(gòu)件分別為：B柱內(nèi)外加強板、門檻加強板和前后車門防撞桿。受軸向撞擊力構(gòu)件分別為：地板橫梁及內(nèi)部加強板、后地板橫梁和車頂橫梁等。考慮到影響側(cè)面碰撞的因素較多，并結(jié)合乘員艙構(gòu)件在碰撞中的受力特點，將主要承受軸向撞擊力的車身橫梁類構(gòu)件和主要承受橫向撞擊力的車身側(cè)圍立柱等構(gòu)件，分組進行優(yōu)化。這一方面有助于有針對性地研究它們對側(cè)面剛度的貢獻，另外也提高正交優(yōu)化的效率。這些構(gòu)件分組優(yōu)化的設(shè)計變量如表2所示。

對于每個設(shè)計變量取3個水平，其中材料屈服強度的3個水平為152、340和587MPa[15]；構(gòu)件厚度的3個水平為原板厚和原板厚±0.3mm。根據(jù)試驗設(shè)計變量的數(shù)量，分別選擇L18(21×37)和L18(37)正交試驗安排表。正交試驗安排表和試驗結(jié)果如表3和表4所示。表中v與v′為B柱腰線處侵入速度，i與i′為B柱腰線處侵入量。

表4 受軸向撞擊力的構(gòu)件正交試驗表

3.3 試驗結(jié)果分析

根據(jù)表3和表4利用極差分析法來對試驗結(jié)果數(shù)據(jù)進行分析和評價，如圖7所示。

圖7中，yjk為第j(j=a～h或a′～g′)個因素、第k(k=1,2,3)個水平所對應(yīng)的試驗指標和；由yjk的最大值或者最小值可以判斷j因素的最優(yōu)水平，各因素的最優(yōu)水平組合即最優(yōu)組合。Rj反映了第j因素水平變動時試驗指標的變動幅度。Rj越大，說明該因素對試驗指標影響越大，因此也越重要。

表5和表6為受橫向撞擊力的構(gòu)件分別選取B柱侵入速度與B柱中部侵入量作為安全性指標得到的正交試驗結(jié)果。

表5 B柱侵入速度之和正交試驗結(jié)果 m/s

表6 B柱侵入量之和正交試驗結(jié)果 mm

由表5可知，在試驗范圍內(nèi)的優(yōu)化方案①為：a2 b3 c3 d3 e3 f3 g1 h2；受橫向撞擊力的構(gòu)件對于胸部位置B柱侵入速度影響程度大小排列為：d>b>c>e>f>g>h>a。

由表6可知，在試驗范圍內(nèi)的優(yōu)化方案②為：a2 b3 c3 d3 e3 f3 g3 h2；受橫向撞擊力的構(gòu)件影響程度大小排列為：b>d>f>e>a>c>h>g。

表7和表8為受軸向撞擊力的構(gòu)件分別選取B柱侵入速度與B柱中部侵入量作為安全性指標得到的正交試驗結(jié)果。

表7 B柱侵入速度之和正交試驗結(jié)果 m/s

表8 B柱侵入量之和正交試驗結(jié)果 mm

由表7可知，在試驗范圍內(nèi)的優(yōu)化方案③為：a′1 b′3 c′3 d′1 e′2 f′2 g′2;受軸向撞擊力構(gòu)件按影響程度大小排列為：b′>e′>f′>c′>a′>d′>g′。

由表8可知，在試驗范圍內(nèi)的優(yōu)化方案④為：a′3 b′3 c′3 d′3 e′3 f′2 g′3；受軸向撞擊力構(gòu)件按影響程度大小排列為：b′>e′>c′>f′>a′>g′>d′。

優(yōu)化方案的組合有很多種，綜合成本和效果兩方面考慮，本文中擬出兩種較優(yōu)且典型的優(yōu)化方案，其中優(yōu)化方案1主要關(guān)注在低成本的條件下可能的優(yōu)化效果；優(yōu)化方案2主要關(guān)注得到一個較好的優(yōu)化效果須付出的成本代價。各方案具體參數(shù)如表9所示。

表9 乘員艙優(yōu)化方案具體參數(shù)

3.4 優(yōu)化結(jié)果對比和分區(qū)剛度匹配研究

經(jīng)整車側(cè)面碰撞仿真分析，得到原車和優(yōu)化方案1、2對應(yīng)的B柱腰線處侵入速度，B柱上、中、下部位的侵入量如表10所示。

表10 優(yōu)化前后B柱侵入信息對比

據(jù)文獻[11]中換算，得到的肋骨評價變形量以及通過C-NCAP評分評估駕駛員的胸部傷害計算方法的分值，如表11所示。

表11 乘員傷害指標換算值

由表10和表11不難看出，通過B柱侵入速度、侵入量和換算后的肋骨變形量對比，經(jīng)過方案1、2優(yōu)化后的B柱腰線處侵入速度和B柱侵入量均大幅減少，對應(yīng)胸部分值均有增加，改善了側(cè)面碰撞中車體的結(jié)構(gòu)抗撞性能，降低了對人體的沖擊載荷，并減少了側(cè)面碰撞中假人的損傷。原車和優(yōu)化方案1、2中側(cè)面結(jié)構(gòu)各分區(qū)剛度對比如圖8所示。

由圖8可以看出，各分區(qū)剛度基本滿足“增加Fp，減小Δp與Δmax，并兼顧對Δp′的考慮”的改善要求，方案1、2對應(yīng)的各區(qū)剛度均有不同程度的加強，有效提高了車身側(cè)面剛度，尤其側(cè)面最大侵入量Δmax值較原車減幅較大，沒有造成乘員艙嚴重變形。

為便于評價分區(qū)剛度相互之間的關(guān)系，參考圖2，若定義各分區(qū)剛度曲線壓縮力峰值下的剛度為K分區(qū)=Fp/Δp，則圖8中各曲線對應(yīng)的分區(qū)剛度如圖9所示。

由圖9可以得出如下結(jié)果。

(1) 各分區(qū)剛度明顯分為兩組，即4區(qū)、5區(qū)、6區(qū)為高剛度水平組；而1區(qū)、2區(qū)、3區(qū)為低剛度水平組。

(2) 對于每一條曲線，它們都呈現(xiàn)中間高、兩邊低的“山峰”形狀；對于高剛度水平組，其“山峰”的高度h1約為120N/mm;對于低剛度水平組，其“山峰”的高度h2約為30N/mm；且兩組曲線“峰頂”的剛度值近似存在固定關(guān)系，即KAi-KBi≈150N/mm。

(3) 方案1和方案2對側(cè)撞性能的改善體現(xiàn)為各剛度曲線同步上升，表明若要改善車體結(jié)構(gòu)抗撞性以減少乘員損傷，則所采取的結(jié)構(gòu)改進措施應(yīng)能使剛度曲線同步上升。上升的幅度越高，改善效果越好。

(4) 參考圖9再結(jié)合表11可進一步推算出“峰頂”剛度K分區(qū)2、K分區(qū)5與乘員胸部得分的關(guān)系，如圖10所示。例如，若要使乘員胸部分值達到4分，則相應(yīng)的分區(qū)剛度K分區(qū)2、K分區(qū)5大小分別約為：89N/mm、240N/mm，對應(yīng)的整個分區(qū)剛度曲線如圖11所示。

而要達到這兩根曲線的剛度，應(yīng)加強B柱及加強板、門檻及加強板和地板橫梁等構(gòu)件，并重點加強前車門(車門防撞桿等)對應(yīng)乘員區(qū)域的結(jié)構(gòu)等。再經(jīng)仿真分析就可知結(jié)構(gòu)加強后各分區(qū)剛度是否達到曲線值；若未達到，則繼續(xù)修改上述構(gòu)件的厚度或采用高強度鋼，直到仿真分析表明達到顯示的分區(qū)剛度為止。

4 結(jié)論

(1) 將乘員艙被撞區(qū)域劃分為6個分區(qū)，采用正交試驗方法對乘員艙分區(qū)剛度進行優(yōu)化，得到剛度優(yōu)化的方案1和方案2。

(2) 整車側(cè)面碰撞區(qū)域的剛度明顯分為高剛度水平組和低剛度水平組；且各組的剛度曲線均呈“山峰”狀，“峰”高分別約為120和30N/mm；兩組曲線“峰頂”剛度近似呈150N/mm恒差關(guān)系。

(3) 優(yōu)化方案對側(cè)面結(jié)構(gòu)抗撞性的改善體現(xiàn)為各剛度曲線同步上升，進而演繹出“峰頂”剛度與乘員胸部得分的關(guān)系。

(4) 若要改善車體結(jié)構(gòu)抗撞性以減少乘員損傷，則采取的結(jié)構(gòu)改進措施應(yīng)能使剛度曲線同步上升。上升的幅度越高，改善效果會越好，同時“峰頂”剛度與胸部得分關(guān)系曲線可以為相應(yīng)的結(jié)構(gòu)設(shè)計提供指導(dǎo)。

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