基于試驗(yàn)設(shè)計(jì)的汽車側(cè)面碰撞結(jié)構(gòu)改進(jìn)*

馬春生,張金換,黃世霖

(清華大學(xué)，汽車安全與節(jié)能國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，北京 100084)

前言

汽車側(cè)面碰撞是發(fā)生頻繁、致死率和致傷率都較高的交通事故形式，事故統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)表明，世界上大約30%的嚴(yán)重交通事故都與側(cè)面碰撞有關(guān)[1]。為加強(qiáng)側(cè)面碰撞發(fā)生時(shí)對乘員的保護(hù)，各國相繼制定了側(cè)面碰撞法規(guī)和高于法規(guī)要求的新車評(píng)價(jià)程序(NCAP)，我國于2006年開始實(shí)施GB 20071—2006《汽車側(cè)面碰撞的乘員保護(hù)》法規(guī)[2]，同年中國汽車技術(shù)研究中心推出了國內(nèi)的新車評(píng)價(jià)程序C-NCAP，側(cè)撞乘員保護(hù)性能是其主要評(píng)價(jià)項(xiàng)目之一[3]。

為提高側(cè)面碰撞中對乘員的保護(hù)水平，可以從側(cè)面結(jié)構(gòu)和約束兩方面進(jìn)行研究。近年來，國內(nèi)外已有多位研究者基于仿真分析進(jìn)行了汽車側(cè)面碰撞結(jié)構(gòu)的改進(jìn)設(shè)計(jì)，取得了較好的實(shí)際應(yīng)用效果[4-6]。正交試驗(yàn)設(shè)計(jì)是研究多因素多水平問題的主要設(shè)計(jì)方法，根據(jù)正交性從全面試驗(yàn)中挑選出部分有代表性的點(diǎn)進(jìn)行試驗(yàn)，是一種高效、快速、經(jīng)濟(jì)的試驗(yàn)設(shè)計(jì)方法[7]。側(cè)面碰撞的結(jié)構(gòu)安全性設(shè)計(jì)涉及的結(jié)構(gòu)因素較多，試驗(yàn)設(shè)計(jì)很適合使用。

1 模型建立與驗(yàn)證

整車側(cè)面仿真模型采用PAM-CRASH軟件建立，整車結(jié)構(gòu)模型由某汽車公司提供。側(cè)撞移動(dòng)可變形障礙壁和側(cè)撞ES-II假人使用PAM-CRASH提供的模型，模型經(jīng)過零部件和整體級(jí)別的標(biāo)定和驗(yàn)證[8-9]。模型總單元數(shù)約為117萬，對于模型的調(diào)整和假人傷害指標(biāo)的計(jì)算對標(biāo)在文獻(xiàn)中已經(jīng)有詳細(xì)說明[10]，此處不再贅述，僅就結(jié)構(gòu)變形進(jìn)行仿真計(jì)算和試驗(yàn)結(jié)果的比較。

仿真計(jì)算得到的車輛側(cè)面變形和試驗(yàn)過程的比較如表1所示。

從表1可以看出，仿真計(jì)算中車輛變形情況和試驗(yàn)結(jié)果基本一致。仿真計(jì)算得到的移動(dòng)可變形障礙壁(MDB)質(zhì)心、B柱中部、車門中部在側(cè)撞過程中的速度變化曲線和試驗(yàn)結(jié)果的對比如圖1～圖3所示，試驗(yàn)中速度變化曲線通過加速度積分計(jì)算得到。

從圖1～圖3可以看出，仿真模型計(jì)算結(jié)果和試驗(yàn)測試結(jié)果吻合良好，所建立的側(cè)面碰撞仿真模型正確有效，可以用于側(cè)面碰撞結(jié)構(gòu)的改進(jìn)設(shè)計(jì)。

2 原車結(jié)構(gòu)碰撞性能分析

從碰撞試驗(yàn)和仿真分析可以看出，該轎車側(cè)面結(jié)構(gòu)各部分剛度匹配基本合理，但部分傳遞路徑存在缺陷，主要有以下幾點(diǎn)。

(1) B柱中間部位變形過大 車門B柱變形中間部位沒有出現(xiàn)明顯的彎曲，但向內(nèi)的變形依然過大，這對假人胸部保護(hù)效果有不利影響。

(2) 車頂橫梁和B柱連接部位變形較大 車頂橫梁是側(cè)面碰撞能量傳遞的主要路徑之一，目前碰撞過程中車頂橫梁在與B柱連接部位出現(xiàn)明顯的彎曲變形。

(3) 車輛門檻部位變形較早較大 在側(cè)撞過程中，車輛門檻部位強(qiáng)度偏弱，較早出現(xiàn)了較大變形，未能有效吸收和傳遞碰撞能量。

3 正交試驗(yàn)設(shè)計(jì)和參數(shù)優(yōu)化

為提高側(cè)面碰撞性能，在結(jié)構(gòu)改進(jìn)方面主要從消除傳力路徑缺陷和整體剛度匹配入手，具體技術(shù)路線是先根據(jù)結(jié)構(gòu)改進(jìn)設(shè)計(jì)方面的工程經(jīng)驗(yàn)和實(shí)際的加工工藝可能性，針對相關(guān)的不足提出可能的改進(jìn)措施，然后通過正交試驗(yàn)設(shè)計(jì)分析改進(jìn)措施的影響程度，進(jìn)一步對影響較大的因子進(jìn)行全因子試驗(yàn)設(shè)計(jì)，最后確定最優(yōu)化的改進(jìn)方案。

3.1 正交試驗(yàn)設(shè)計(jì)

為下一步的試驗(yàn)設(shè)計(jì)，將可能的改進(jìn)措施作為7個(gè)因子，依次為A、B、C、D、E、F、G，每個(gè)因子兩個(gè)水平——水平0和水平1，具體如下。

(1) 因子A(車頂橫梁加強(qiáng)件)

針對車頂載荷傳遞路徑，考慮增加車頂橫梁加強(qiáng)件，實(shí)現(xiàn)橫梁和B柱結(jié)構(gòu)有效連接，如圖4所示。

因子A的兩個(gè)水平為：水平0，無車輛橫梁加強(qiáng)件；水平1，增加車輛橫梁加強(qiáng)件。

(2) 因子B(B柱外板)

因子B的兩個(gè)水平為：水平0，厚度1.5mm(原厚度)；水平1，厚度增加至2.0mm。

(3) 因子C(B柱內(nèi)板)

因子C的兩個(gè)水平為：水平0，厚度1.5mm(原厚度)，材料為B460NQ；水平1，厚度增加至2.5mm，材料為B500。

(4) 因子D(門檻內(nèi)小橫梁)

原來門檻內(nèi)小橫梁在側(cè)撞時(shí)總體的側(cè)向剛度偏小，考慮換為剛度較大的結(jié)構(gòu)形式。

因子D的兩個(gè)水平為：水平0，小橫梁原有結(jié)構(gòu)；水平1，小橫梁新結(jié)構(gòu)。

(5) 因子E(地板橫梁加強(qiáng)件)

原來的地板橫梁加強(qiáng)件未完全延伸到臨近部件，考慮將原來的地板橫梁內(nèi)加強(qiáng)件延長至與相鄰部件相接(圖5中圓圈位置)。

因子E的兩個(gè)水平為：水平0，原有的地板橫梁加強(qiáng)件；水平1，將原來的地板橫梁加強(qiáng)件延伸至臨近部件。

(6) 因子F(地板橫梁內(nèi)側(cè)加強(qiáng)件)

因子F的兩個(gè)水平為：水平0，無地板橫梁內(nèi)側(cè)加強(qiáng)件；水平1，增加地板橫梁內(nèi)側(cè)加強(qiáng)件。

(7) 因子G(中通道馬鞍型橫梁)

因子G的兩個(gè)水平為：水平0，無中通道馬鞍型橫梁；水平1，增加中通道馬鞍型橫梁。

為全面分析各結(jié)構(gòu)因素的改進(jìn)效果，進(jìn)行正交試驗(yàn)設(shè)計(jì)分析，構(gòu)造7因子2水平的試驗(yàn)設(shè)計(jì)表，共需要進(jìn)行8次試驗(yàn)。

按照正交試驗(yàn)設(shè)計(jì)表的因子水平分布建立相應(yīng)的CAE模型提交計(jì)算分析，提取相應(yīng)的假人胸部傷害指標(biāo)并計(jì)算NCAP得分做為響應(yīng)量，然后應(yīng)用統(tǒng)計(jì)分析軟件分析各因子的主效應(yīng)，如圖6所示。

從各結(jié)構(gòu)因子的主效應(yīng)看，因子A、B、D、E和G的主效應(yīng)都為正值，即對假人傷害值有改善，其中因子D和因子E改善最為顯著。因子C和因子F的主效應(yīng)為負(fù)值，其中因子F的負(fù)效應(yīng)較為顯著。

為確定因子C和因子F的取值，進(jìn)一步分析兩個(gè)因子的交互效應(yīng)，如圖7所示，效應(yīng)值實(shí)際為負(fù)值，圖中坐標(biāo)顯示為效應(yīng)值的絕對值。

從圖7中可以看出，在因子C水平為0、因子F水平為0時(shí)，兩因子主效應(yīng)和交互效應(yīng)絕對值相加最小(即負(fù)值的絕對值最小，對假人傷害的負(fù)作用最小)。最后確定的結(jié)構(gòu)組合為因子C和F取0水平，其它各因子取1水平。

3.2 全因子試驗(yàn)設(shè)計(jì)

根據(jù)正交試驗(yàn)設(shè)計(jì)分析結(jié)果，因子D(門檻內(nèi)小橫梁)和因子E(地板橫梁加強(qiáng)件)對假人傷害NCAP分值影響最大，進(jìn)一步對這兩個(gè)結(jié)構(gòu)的參數(shù)進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)。采用全因子試驗(yàn)方法，選擇門檻內(nèi)小橫梁(因子1)和地板橫梁加強(qiáng)件(因子2)的厚度為因子，3個(gè)水平分別設(shè)定為1.5、2.25和3.0mm。計(jì)算結(jié)果如圖8所示。

從圖8可以看出，在門檻內(nèi)小橫梁厚度為3.0mm、地板橫梁加強(qiáng)件厚度為2.25mm時(shí)，得分最高。

4 改進(jìn)設(shè)計(jì)結(jié)果

根據(jù)確定的結(jié)構(gòu)優(yōu)化方案，仿真計(jì)算得到的車門內(nèi)板對應(yīng)假人胸部位置的速度曲線見圖9，優(yōu)化后速度值明顯降低，最大速度由原來的11.4m/s降低到10.0m/s左右，降低1.4m/s。

結(jié)構(gòu)優(yōu)化前后假人傷害指標(biāo)如表2所示。

表2 假人傷害指標(biāo)比較

優(yōu)化后假人在側(cè)面碰撞基于C-NCAP評(píng)價(jià)方法的得分由原來的12分增加為13.2分，側(cè)面乘員保護(hù)效果得到明顯提高。

5 結(jié)論

基于某轎車側(cè)面碰撞仿真計(jì)算模型，采用試驗(yàn)設(shè)計(jì)方法對結(jié)構(gòu)參數(shù)進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)，優(yōu)化設(shè)計(jì)后車門內(nèi)板對應(yīng)假人胸部位置速度值明顯下降，假人傷害指標(biāo)得到明顯改善，基于C-NCAP的假人胸部得分由12分增加為13.2分。

[1] McNell A, Haberi J. Current Worldwide Side Impact Activities-divergence Versus Harmonization and the Possible Effect on Future Car Design[C]. Proc 19th Int Technical Conf. on the Enhanced Safety of Vehicles (ESV), Washington D C,2005.

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[3] 中國汽車技術(shù)研究中心.中國新車評(píng)價(jià)規(guī)程(C-NCAP)[S].2009.

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[9] ESI Group. PAM-CRASHSAFE-2007_Solver Reference Manual[G].2007.

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