小偏置碰撞下某車型車身結(jié)構(gòu)優(yōu)化

王 鵬，胡遠(yuǎn)志，朱紅霞，劉 西，儲(chǔ)建宏，譚云飛

(1 重慶理工大學(xué)車輛工程學(xué)院汽車零部件先進(jìn)制造技術(shù)教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，重慶 400054;2.東風(fēng)小康汽車有限公司，重慶 400033;3.太航常青汽車安全設(shè)備(蘇州)有限公司，江蘇 蘇州 215131)

2012年10月，美國(guó)公路安全保險(xiǎn)協(xié)會(huì)(IIHS)在其新車評(píng)價(jià)規(guī)程上增加了一項(xiàng)小偏置25%正面碰撞測(cè)試(SOI)，如圖1所示。試驗(yàn)車輛以64 km/h的速度碰撞偏置車輛25%寬度的剛性壁，剛性壁前端是半徑為150 mm、弧度為115的圓弧柱，駕駛員由50th HybridⅢ男性假人代替。試驗(yàn)車輛的安全等級(jí)由假人運(yùn)動(dòng)/約束系統(tǒng)、假人傷害情況和車輛的結(jié)構(gòu)變形3方面評(píng)價(jià)［1－2］，經(jīng)過(guò)加權(quán)得到總評(píng)級(jí)。車身結(jié)構(gòu)耐撞性是通過(guò)測(cè)量乘員艙內(nèi)部10個(gè)不同點(diǎn)的入侵量來(lái)實(shí)現(xiàn)的。2012年IIHS對(duì)11款豪華轎車進(jìn)行了SOI測(cè)試，結(jié)果只有2款獲得“優(yōu)秀”評(píng)級(jí)，有4款獲得“不及格”的評(píng)級(jí)。結(jié)果表明:即使是豪華轎車，在面對(duì)SOI測(cè)試時(shí)其結(jié)構(gòu)和安全性能仍需要改進(jìn)。在SOI工況下，縱梁、吸能盒等主要吸能部件不再起作用，乘員艙變形嚴(yán)重，會(huì)對(duì)艙內(nèi)的乘員造成極大的傷害，所以SOI對(duì)未來(lái)車身結(jié)構(gòu)優(yōu)化提出了更高的要求［3］。

圖1 IIHS定義的小偏置25%正面碰撞工況

本文采用Ls-Dyna軟件對(duì)某車型進(jìn)行了SOI工況的仿真分析［4］。觀察車體的變形和主要結(jié)構(gòu)件的變形，并以IIHS提出的評(píng)分標(biāo)準(zhǔn)對(duì)車身結(jié)構(gòu)進(jìn)行評(píng)級(jí)，分析其結(jié)構(gòu)耐撞性存在的問(wèn)題，然后針對(duì)性地提出解決問(wèn)題的結(jié)構(gòu)優(yōu)化方案。優(yōu)化前后的仿真結(jié)果表明:車體的變形和入侵得到了明顯的改善，證明了該優(yōu)化方案是可行的。

1 基礎(chǔ)模型的結(jié)構(gòu)耐撞性

1.1 仿真結(jié)果

根據(jù)IIHS小偏置碰撞試驗(yàn)要求，針對(duì)某款車型按照要求設(shè)置邊界條件［1－2］和初始條件進(jìn)行SOI工況的仿真分析，仿真結(jié)果如圖2所示。

圖2 整車仿真結(jié)果

該車型在SOI工況下出現(xiàn)了嚴(yán)重的變形，且變形集中于左側(cè)乘員艙，幾乎被壓縮了近1/2的空間。在乘員艙下部，門檻梁大面積壓潰，這會(huì)造成駕駛員的腿部、腳踝傷害值過(guò)大。在乘員艙上部，發(fā)動(dòng)機(jī)艙上邊梁(shotgun)并未完全壓潰變形，在碰撞后期成為碰撞力的傳導(dǎo)媒介擠壓A柱，造成A柱和車頂上邊梁發(fā)生嚴(yán)重的折彎變形，駕駛員生存空間急劇減小，這會(huì)對(duì)駕駛員的頭部和胸部造成極大的傷害［5］。

1.2 IIHS結(jié)構(gòu)耐撞性評(píng)價(jià)

根據(jù)IIHS規(guī)定，SOI工況下車身結(jié)構(gòu)耐撞性評(píng)價(jià)是通過(guò)測(cè)量乘員艙的入侵量來(lái)實(shí)現(xiàn)的。根據(jù)要求，選擇10處測(cè)量點(diǎn)，分布于乘員艙上下部，兩者單獨(dú)進(jìn)行評(píng)級(jí)。取二者評(píng)級(jí)中較差的作為整個(gè)車身結(jié)構(gòu)耐撞性的最終評(píng)級(jí)。在單獨(dú)評(píng)級(jí)時(shí)，各個(gè)測(cè)量點(diǎn)落入不同的評(píng)級(jí)區(qū)域內(nèi)，最后的評(píng)級(jí)取各個(gè)測(cè)量點(diǎn)出現(xiàn)次數(shù)最多的區(qū)域［1－2］。按照IIHS的評(píng)價(jià)指標(biāo)，該車型侵入量評(píng)級(jí)如圖3所示，所選10個(gè)測(cè)量點(diǎn)均落在“不及格”區(qū)域，最終評(píng)級(jí)為“不及格”。從評(píng)級(jí)結(jié)果可以看出:該車型在結(jié)構(gòu)耐撞性方面存在的問(wèn)題十分嚴(yán)重，乘員艙上下部都需要進(jìn)行優(yōu)化。小偏置碰撞的碰撞區(qū)域主要在左側(cè)乘員艙，因而優(yōu)化重點(diǎn)主要在左側(cè)乘員艙的結(jié)構(gòu)件(縱梁、門檻、shotgun及A柱)。

圖3 IIHS小偏置碰撞結(jié)構(gòu)評(píng)級(jí)

2 優(yōu)化方案

在SOI工況下該車型結(jié)構(gòu)變形嚴(yán)重，乘員艙上下部的入侵量都較大，可能對(duì)駕駛員造成致命的傷害。造成以上問(wèn)題的主要原因是碰撞力傳遞路徑較少、乘員艙強(qiáng)度不夠。具體表現(xiàn)在:

1)該車型乘員艙下部主要依靠縱梁變形吸能，碰撞力傳遞路徑較少。根據(jù)小偏置碰撞的初始條件進(jìn)行分析，該車型縱梁前端在SOI工況下會(huì)同時(shí)承受軸向壓力和側(cè)向彎矩，且承受的側(cè)向彎矩超過(guò)一般的40%偏置碰撞。因此，在碰撞前期較早地出現(xiàn)了失穩(wěn)折彎的情況。折彎變形嚴(yán)重，吸能盒部位的壓潰吸能并未按照理想的模式進(jìn)行，在整個(gè)碰撞過(guò)程中吸收的能量有限，大部分碰撞能量傳遞到了乘員艙，因而在乘員艙區(qū)域出現(xiàn)了極大的變形和入侵。

2)該車型前圍板上缺少橫向傳力路徑，變形集中于左側(cè)乘員艙［6］。

3)門檻強(qiáng)度偏小，使其在SOI工況下迅速地失穩(wěn)壓潰，這會(huì)使得乘員艙下部在碰撞中出現(xiàn)極大的變形入侵，破壞了乘員艙結(jié)構(gòu)的完整性。

4)A柱與shotgun的強(qiáng)度匹配不合理，使得A柱先于shotgun變形，且A柱上下部的剛度匹配也不合理，使得A柱折彎角度偏大。

因此，對(duì)應(yīng)的解決方案主要是從增加傳遞路徑和增加乘員艙強(qiáng)度兩方面著手。

2.1 增加傳遞路徑

1)增加縱梁支撐件?？v梁與壁障接觸面較小，縱梁與壁障的圓弧面在接觸時(shí)受到側(cè)向載荷，因而出現(xiàn)了橫向的彎曲變形，使得縱梁在碰撞前期出現(xiàn)了失穩(wěn)折彎，未能按照理想的吸能模式(先壓潰吸能然后折彎變形)有效地吸收碰撞能量。因此，可在縱梁前部安裝斜向支撐梁2，并以該支撐梁連接保險(xiǎn)杠，三者共同組成1個(gè)三角形結(jié)構(gòu)，同時(shí)在支撐梁2的根部安裝支撐梁1連接縱梁與shotgun，在縱梁后部加固支撐以保證前后剛度的一致性。這樣就把縱梁、保險(xiǎn)杠、shotgun這3條傳力路徑連接起來(lái)，增加了碰撞力的傳遞通道，減少了傳遞到乘員艙的碰撞力，如圖4所示。

圖4 優(yōu)化模型縱梁結(jié)構(gòu)

支撐梁1、2和前圍板支撐件作為縱梁前后的主要支撐件，應(yīng)采用高強(qiáng)度鋼，避免其過(guò)早折彎失穩(wěn)，失去支撐作用。材料參數(shù)如表1所示。

表1 縱梁支撐件材料及厚度

2)增加前圍板橫梁。在兩側(cè)shotgun之間和兩側(cè)縱梁之間沿著前圍板表面增加橫向加強(qiáng)結(jié)構(gòu)，如圖5所示。該方案增加了碰撞力橫向傳遞路徑，同時(shí)增加了shotgun和縱梁的根部約束，使得兩者的側(cè)向剛度也得到增強(qiáng)，使得在SOI工況中有一部分碰撞能量傳遞到車體右側(cè)，減輕了左側(cè)乘員艙的載荷。

加強(qiáng)件1和2主要起到傳遞碰撞力、增加側(cè)向剛度的作用，其強(qiáng)度應(yīng)足夠大，因此也必須采用高強(qiáng)度鋼材料，參數(shù)如表2所示。

圖5 優(yōu)化模型前圍板結(jié)構(gòu)

表2 前圍板橫梁材料及厚度

2.2 加強(qiáng)乘員艙強(qiáng)度

1)增強(qiáng)門檻梁強(qiáng)度。在門檻梁內(nèi)部增加縱向貫通的加強(qiáng)件3，并將加強(qiáng)件3與A柱外加強(qiáng)板在A柱根部處做成焊點(diǎn)連接，既增強(qiáng)了門檻梁的強(qiáng)度，又保證了門檻梁前后強(qiáng)度的一致性，如圖6所示。

圖6 優(yōu)化模型門檻梁結(jié)構(gòu)

門檻梁作為小偏置碰撞中的主要結(jié)構(gòu)件，承擔(dān)了大部分的碰撞力，因而此處增加的加強(qiáng)件3必須采用高強(qiáng)度鋼，盡可能提高其厚度，材料參數(shù)見表3。

表3 加強(qiáng)件3材料及厚度

2)合理匹配A柱剛度。在SOI工況下，A柱是小偏置碰撞下乘員艙區(qū)域的主要支撐結(jié)構(gòu)之一，其變形和入侵影響整個(gè)乘員艙的結(jié)構(gòu)完整性。增強(qiáng)A柱的整體強(qiáng)度可通過(guò)在A柱內(nèi)部增加加強(qiáng)件、提高A柱的屈服強(qiáng)度和厚度來(lái)實(shí)現(xiàn)，而合理匹配A柱上下部的剛度則需要合理調(diào)整A柱上下部之間的夾角和剛度比例(即調(diào)整A柱上下部的材料和厚度)。A柱在彈性變形階段時(shí)的載荷分布影響整個(gè)變形過(guò)程。因此，可以對(duì)彈性階段A柱的力學(xué)模型進(jìn)行簡(jiǎn)化，簡(jiǎn)化后的模型如圖7所示。

圖7 A柱簡(jiǎn)化模型

圖7中:1桿代表A柱下部，該桿被完全約束，其長(zhǎng)度為L(zhǎng)1;2桿代表A柱上部，其長(zhǎng)度為L(zhǎng)2;2桿的支反力用沿著桿件方向的力X1、垂直桿件方向的力X2及彎矩X3表示;2桿與水平面間的夾角用θ表示;碰撞時(shí)受到的沖擊力為F。根據(jù)模型的受載情況合理安排彎矩分布，以提高1、2桿的總體抗彎剛度，可以得到如下公式:

其中:Δi代表F的單位力在力Xi方向上產(chǎn)生的位移;δij表示Xj的單位力在力 Xi方向上產(chǎn)生的位移。在合理的彎矩分布下，兩桿的剛度比例如式(2)所示。

合理的角度由式(3)得到。

將本車的數(shù)據(jù)代入以上公式，可得:

由以上分析可知:針對(duì)該車型A柱上下部合理的剛度比為1∶3，A柱上部與水平面的最佳夾角為25°。A柱下部與水平面垂直，因而A柱上下部之間合理的夾角為115°。受到總布置的影響，A柱上下部之間的夾角無(wú)法改變，但可以調(diào)整A柱上下部的剛度比，使其達(dá)到1∶3。為此，在A柱下部增加加強(qiáng)板，并將加強(qiáng)板在A柱根部處與加強(qiáng)板3做成焊點(diǎn)連接，調(diào)整A柱加強(qiáng)板和A柱上部加強(qiáng)件的材料和厚度，直至A柱下部剛度達(dá)到A柱上部的3倍，且使A柱的整體強(qiáng)度大于shotgun的強(qiáng)度，如圖8所示。

圖8 優(yōu)化模型A柱加強(qiáng)板

經(jīng)過(guò)優(yōu)化，A柱上下部加強(qiáng)件合理的材料參數(shù)如表4所示。

表4 A柱上下部加強(qiáng)件材料及厚度

3 優(yōu)化結(jié)果

經(jīng)過(guò)優(yōu)化，該車型在SOI工況下的變形和入侵顯著減少，如圖9所示。乘員艙下部的結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性較好，門檻梁的結(jié)構(gòu)強(qiáng)度得到了顯著提高，壓潰變形明顯減小;在乘員艙上部，A柱的折彎角度明顯減小，A柱上下部的變形模式發(fā)生了明顯的改變，優(yōu)化模型的A柱上下部都向同一方向折彎，其結(jié)構(gòu)剛度得到了充分的利用，減少了碰撞過(guò)程中乘員艙上部的入侵［10］;縱梁由于增加了新支撐結(jié)構(gòu)，變形模式發(fā)生顯著變化，吸能效果增強(qiáng)?？傮w而言，乘員艙的結(jié)構(gòu)完整性得到了明顯的改善。

同時(shí)根據(jù)IIHS提出的小偏置碰撞的評(píng)價(jià)指標(biāo)，優(yōu)化后乘員艙上下部評(píng)級(jí)均為“及格”，總評(píng)是“及格”，如圖10所示。經(jīng)過(guò)優(yōu)化，該車型結(jié)構(gòu)耐撞性得到了顯著的改善，保證了乘員艙的生存空間。

圖9 整車優(yōu)化仿真結(jié)果

圖10 優(yōu)化前后車身耐撞性評(píng)級(jí)對(duì)比

4 結(jié)束語(yǔ)

本文通過(guò)對(duì)某車型進(jìn)行SOI工況的仿真分析，從車體變形、乘員艙入侵等方面評(píng)價(jià)了其結(jié)構(gòu)耐撞性，并以IIHS的評(píng)價(jià)方法對(duì)其結(jié)構(gòu)耐撞性進(jìn)行了定量評(píng)價(jià)，總結(jié)出該車型在結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)方面存在的問(wèn)題。在小偏置碰撞下，縱梁、吸能盒等主要吸能部件與壁障接觸面積較小，導(dǎo)致吸能盒不再按照理想的模式壓潰吸能，縱梁迅速折彎失穩(wěn)，吸收的碰撞能較少，因此應(yīng)在縱梁前端加裝斜向支撐件，同時(shí)在兩側(cè)shotgun和兩側(cè)縱梁之間分別增加橫向加強(qiáng)結(jié)構(gòu)，這樣可以增加碰撞力傳遞路徑，減少傳遞到乘員艙的碰撞力;小偏置碰撞下，A柱和門檻梁是主要的著力點(diǎn)，應(yīng)盡可能提高其強(qiáng)度，減少變形，同時(shí)還需要合理地設(shè)計(jì)A柱上下部的剛度比例以便有效利用其結(jié)構(gòu)剛度，減小A柱的折彎和入侵。因此，從增加傳遞路徑和加強(qiáng)乘員艙強(qiáng)度兩方面提出了解決問(wèn)題的結(jié)構(gòu)優(yōu)化方案。最后，將基礎(chǔ)模型和優(yōu)化模型的結(jié)構(gòu)耐撞性進(jìn)行對(duì)比，結(jié)果表明:乘員艙的變形和入侵均有大幅度降低，證明了該優(yōu)化方案是可行的。

本文在結(jié)構(gòu)優(yōu)化中依然存在一些不足之處，如僅提出了A柱上下部的剛度比例，并未計(jì)算出A柱的絕對(duì)剛度;此外，并未將shotgun、A柱、B柱整體進(jìn)行合理的剛度匹配，同時(shí)對(duì)shotgun及A柱的整體強(qiáng)度優(yōu)化不夠完善，導(dǎo)致最終的仿真優(yōu)化結(jié)果不夠徹底，乘員艙的變形和入侵雖然有所改善，但還可以進(jìn)一步提高。以上問(wèn)題將在后續(xù)研究中分析解決。

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