微型客車側(cè)碰安全性與B柱厚度影響關(guān)系研究*

莫易敏 雷志丹 王 駿 徐 芳 呂俊成

(武漢理工大學(xué)機(jī)電學(xué)院1) 武漢 430070) (上汽通用五菱汽車股份有限公司2) 柳州 545007)

微型客車側(cè)碰安全性與B柱厚度影響關(guān)系研究*

莫易敏1)雷志丹1)王 駿1)徐 芳1)呂俊成2)

(武漢理工大學(xué)機(jī)電學(xué)院1)武漢 430070) (上汽通用五菱汽車股份有限公司2)柳州 545007)

以某微型客車為研究對象，綜合考慮結(jié)構(gòu)輕量化要求，分析了B柱厚度對汽車側(cè)碰安全性的影響規(guī)律.通過對B柱變形理論進(jìn)行分析，確定B柱厚度為主要研究因素.利用Hypermesh和Ls-dyna建立仿真分析模型，研究了側(cè)碰安全性與B柱厚度之間的影響關(guān)系.結(jié)果表明，B柱厚度的選取對汽車側(cè)面耐撞性和吸能特性的影響較大，隨著B柱厚度的增加，汽車側(cè)面耐撞性能明顯提高；當(dāng)厚度增加到一定程度后，側(cè)面耐撞性能出現(xiàn)下降趨勢.綜合考慮輕量化要求，提出了B柱厚度優(yōu)化改進(jìn)方案.

微型客車；側(cè)面碰撞；吸能特性；B柱厚度；仿真分析

0 引 言

汽車在道路上側(cè)面碰撞事故的發(fā)生概率僅次于正面碰撞，且由汽車發(fā)生側(cè)碰事故而造成乘員重傷和死亡的概率多達(dá)25%.側(cè)碰事故分為車-車碰撞和車-柱碰撞，且乘員傷亡事故中有43%～55%是由車對車碰撞造成的[1].據(jù)相關(guān)數(shù)據(jù)顯示，在交通事故傷亡人數(shù)中，由于側(cè)面碰撞事故造成的傷亡人數(shù)比例高達(dá)42.4%[2].雖然近年來國內(nèi)外學(xué)者進(jìn)行了大量的側(cè)面碰撞方面的仿真分析研究，但是主要是針對轎車、大型客車等的研究，對于微型客車側(cè)碰狀況的分析研究卻不多.微型客車有著和轎車等其他車型不一樣的結(jié)構(gòu)和布置特點(diǎn)，因此對微型客車進(jìn)行側(cè)面碰撞的分析研究具有重要意義[3].

汽車B柱是汽車發(fā)生側(cè)面碰撞過程中的關(guān)鍵吸能部件之一，因此研究B柱參數(shù)對側(cè)碰事故中乘員的損傷程度有十分重要的意義.B柱厚度是B柱的重要參數(shù)之一，合理的B柱厚度的選取有助于改善側(cè)碰過程中B柱的耐撞性和吸能特性.側(cè)碰過程中，承受碰撞的碰撞部位一般是被撞的車門或者立柱，乘員距離車輛側(cè)面的距離較近，不能裝置太多的吸能裝置，因此，對于車輛來說其理想的側(cè)面碰撞特性是車門和立柱能盡可能的吸收更多的能量，從而保證在側(cè)碰過程中不會(huì)發(fā)生太大的變形，以減少乘員的損傷[4].車門和立柱的結(jié)構(gòu)多是薄壁結(jié)構(gòu)，如B柱、門檻梁，其變形模式為三點(diǎn)彎曲變形.在考慮汽車B柱對其側(cè)碰性能的影響時(shí)，應(yīng)考慮B柱在碰撞過程中產(chǎn)生的變形模式、變形程度和侵入速度等因素.因此，研究薄壁梁的三點(diǎn)彎曲變形所得到的結(jié)論對汽車B柱耐撞性設(shè)計(jì)具有指導(dǎo)意義[5].

1 B柱變形的簡化模式分析

1.1 B柱的結(jié)構(gòu)和性能分析

B柱位于汽車的前門與后門之間，是汽車側(cè)面碰撞過程中的主要承載部件之一，其侵入速度和侵入量直接影響乘員的生存問題.B柱的實(shí)物圖見圖1a)，圖1b)是B柱的結(jié)構(gòu)分析圖，包括B柱的內(nèi)板，加強(qiáng)板及外板，同時(shí)可以看到B柱加強(qiáng)板的搭接方式.在文中的研究過程中將B柱簡化為薄壁梁結(jié)構(gòu)來研究其耐撞性能.由圖1可知，B柱的零件在結(jié)構(gòu)上成形深度較大、截面變化比較復(fù)雜，同時(shí)，B柱在設(shè)計(jì)過程中不僅要滿足碰撞過程中的耐撞性的要求，還需滿足輕量化的要求.

圖1 B柱的三維模型結(jié)構(gòu)圖

1.2 MDB碰撞變形仿真分析

移動(dòng)變形壁障，又稱MDB(mobile deformable barrier)，圖2為某微型客車在側(cè)碰過程中隨時(shí)間變形的時(shí)序圖，分別表示仿真時(shí)間為10，30，55以及90 ms的車體變形.10 ms左右移動(dòng)壁障與車身發(fā)生碰撞，20～55 ms的時(shí)間內(nèi)，車身發(fā)生劇烈變形并向內(nèi)凹陷，55 ms左右變形達(dá)到最大值，隨后出現(xiàn)回彈現(xiàn)象，車體變形量有些許減小，最后隨時(shí)間的推移達(dá)到穩(wěn)定狀態(tài).由整車變形圖可以看出，碰撞過程中侵入的位置主要位于B柱的中部，對應(yīng)于人體的胸部，所以對B柱中部位置的研究也十分必要.

圖2 側(cè)碰仿真時(shí)序圖

1.3 B柱的變形理論分析

在側(cè)碰發(fā)生過程中由于發(fā)生的具體情況和車型的不同，B柱的變形模式也不相同.B柱有3種變形模式最為典型，其簡化形式見圖3.由圖3可知，a變形模式是上部和下部的變形小，中部的變形大，而中部在現(xiàn)實(shí)情況中大約對應(yīng)人體胸部的位置；b變形模式是上部和中部的變形很小，下部的變形較大,下部在實(shí)際狀況中大約對應(yīng)人體的骨盆的位置；c變形模式是上部和中部的變形很小，下部變形較大，且變形過程將導(dǎo)致車體上部和中部整體向車內(nèi)發(fā)生變形[6].分析這3種變形模式，雖然在側(cè)面碰撞過程中3種不同的模式都會(huì)對乘客造成傷害，但是侵入部位的不同會(huì)引起乘員不同部位的損傷.在實(shí)際情況中，相對于人體的胸部和頭部而言，腹部的承受外界損傷的能力較強(qiáng)，因此，在不可避免的情況之下，應(yīng)盡量將對應(yīng)于人體頭部和胸部所受的傷害變形轉(zhuǎn)移到腹部，胸部所受的傷害變形轉(zhuǎn)移到腹部，提高乘員的生存希望.對比上述3種變形模式，可以得知模式c對乘員的生存是最好的.模式c可以將B柱在側(cè)碰過程中產(chǎn)生的變形轉(zhuǎn)移到B柱的下部，可以有效的避免人體頭部和胸部的重傷.

圖3 典型的3種變形模式

圖4為某公司微型客車在發(fā)生側(cè)面碰撞后B柱的變形圖，對比圖3可知，該微型汽車的B柱受力之后的變形主要集中于中部，屬于圖3中的模式a.該模式對于乘員的胸部的威脅最大[7]，因此在文中的研究過程中選擇B柱的中點(diǎn)處即胸部對應(yīng)處為下壓點(diǎn)進(jìn)行分析和研究.

圖4 B柱變形后的結(jié)構(gòu)示意圖

在側(cè)碰過程中，B柱在Y方向的侵入量最大.研究B柱變形模式時(shí)，可將其簡化為薄壁梁結(jié)構(gòu)進(jìn)行分析.由材料力學(xué)中的梁的彎曲變形公式

(1)

EIZ=yh2/12

(2)

式中：1/ρ為曲率；M為梁的彎矩；EIZ為梁的彎曲剛度.

由式(1)可知，隨著梁的彎曲剛度EIZ的增大，梁的彎曲變形減小.由式(2)可知，梁的彎曲剛度EIZ的值的大小隨著梁的Y向值y的值的增大而增大，因此，可以通過改變B柱的厚度來分析如何通過厚度來增加B柱的抗變形能力.

2 B柱的厚度優(yōu)化設(shè)計(jì)研究

2.1 B柱的簡化模型

經(jīng)過過前面的分析可以得知，該車的仿真模型表明該車的側(cè)面碰撞安全性需要進(jìn)一步提高.從目前對汽車B柱耐撞研究中可以發(fā)現(xiàn)，仿真過程中多采用的是兩端固定和兩端簡支.但是事實(shí)證明，采用兩端固定的約束方式時(shí)軸向力對于B柱模型的影響過大，而采用兩端簡支的約束方式時(shí)不能很好的模擬真實(shí)B柱上端被約束的實(shí)際情況，這2種約束方式不能很好的模擬真實(shí)汽車B柱碰撞過程中的彎曲變形情況.故文中采取的約束方式是一端采用簡支梁支撐，一端采用鉸支撐.圖5為根據(jù)分析后選取的約束方式而設(shè)計(jì)的試驗(yàn)現(xiàn)場.該約束方式可以較好的模擬真實(shí)B柱在碰撞過程中的約束和變形情況.其中，沖擊錘頭速度為1 m/s，下壓點(diǎn)為中點(diǎn)，加載距離為180 mm，計(jì)算時(shí)間為182 ms.

圖5 根據(jù)設(shè)計(jì)約束方式設(shè)置的試驗(yàn)現(xiàn)場

為了方便仿真分析研究，在不影響結(jié)果的前提下將B柱進(jìn)行簡化，圖6a)為簡化梁的截面尺寸示意圖，該示意圖為B柱中間位置的截面；圖6b)為B柱簡化為薄壁梁之后的有限元模型.模型的材料采用冷軋?zhí)妓亟Y(jié)構(gòu)鋼，表1給出了材料的基本屬性.

圖6 B柱簡化薄壁梁結(jié)構(gòu)模型

文中通過改變B柱加強(qiáng)板的厚度來增加B柱的耐撞性能.B柱中加強(qiáng)板的原始厚度為1.0mm，在原始的數(shù)值的基礎(chǔ)上依次改變0.1 mm，分別取為0.8,0.9,1.1和1.2 mm 4組數(shù)值，分別對其進(jìn)行仿真和計(jì)算分析，除加強(qiáng)板外的其它板的厚度不變.

表1 梯形截面梁材料基本參數(shù)

2.2 仿真結(jié)果及分析

2.2.1 耐撞性分析

采用Hypermesh進(jìn)行薄壁梁的三點(diǎn)彎曲試驗(yàn)仿真的前處理，用LS-DYNA作顯示求解，Hyperview和Hypergraph進(jìn)行相關(guān)的后處理.整個(gè)梁結(jié)構(gòu)采用Shell四節(jié)點(diǎn)殼單元進(jìn)行網(wǎng)格劃分.由圖6可知，得到不同厚度時(shí)的加載力隨時(shí)間的變化圖.在厚度減少時(shí)，加載力的值也隨之減少；在厚度增加時(shí)，加載力的值也隨之增加，在厚度增加0.1 mm時(shí)和厚度增加0.2 mm時(shí)得到的加載力曲線靠的比較近.表2給出了各種不同厚度的加載力的峰值大小.由表2可知，厚度減少時(shí)，加載力的峰值大小也隨之減?。缓穸仍黾訒r(shí)，加載力的峰值明顯增加，在峰值大小上，1.2 mm的峰值最大，1.1 mm的與之相差比較小.分析可得，隨著厚度的增加，B柱的承載能力提高，厚度1.1 mm和1.2 mm的承受加載力的能力比較接近.

表2 不同B柱厚度對應(yīng)的實(shí)驗(yàn)結(jié)果

在整個(gè)仿真實(shí)驗(yàn)的過程中B柱所吸收的總能量可由載荷-位移曲線得到

求載荷-位移積分曲線的可以轉(zhuǎn)換為求載荷-時(shí)間積分曲線，即能量.利用Hypermesh軟件進(jìn)行仿真，可得加載力曲線和側(cè)撞過程中的吸能曲線，見圖7～8.

圖7 加載力曲線

圖8 側(cè)撞過程中的吸能曲線

由圖8可知，厚度為0.8 mm和0.9 mm時(shí)吸能曲線基本重合，吸能的大小比1.0 mm的時(shí)候小，說明厚度的減小使B柱的吸能變差；厚度增加時(shí)，吸能效果明顯變好，且厚度為1.1 mm時(shí)的吸能效果最好.

通過以上的仿真分析結(jié)果可以得出，B柱的耐撞性和厚度有比較大的關(guān)系.在厚度減小時(shí)，B柱的耐撞性能明顯變差；在厚度增加時(shí)，B柱的耐撞性能增加，但不是厚度越大其耐撞性能越好.通過對不同厚度時(shí)的B柱的承載能力和吸能特性的比較可以看出，厚度為1.1 mm時(shí)其耐撞性要優(yōu)于1.2 mm，耐撞性更好.

2.2.2 輕量化分析

總吸能反應(yīng)了B柱在碰撞過程中所吸收的總能量的多少，但是還不能從根本上反應(yīng)一個(gè)縱梁碰撞特性的好壞，因?yàn)閷?shí)際生產(chǎn)中要考慮的因素很多，比如，成本、質(zhì)量、輕量化等.比吸能則可以對比分析不同材料和結(jié)構(gòu)在吸能方面的效率.一般來說，其值越高越好.比吸能的值越大，說明其越滿足輕量化的要求.

比吸能(specific energy absorption，SEA)是指結(jié)構(gòu)單位質(zhì)量下所吸收能量的多少.可以表示為

式中：m為構(gòu)件的質(zhì)量.

分別計(jì)算5個(gè)不同厚度B柱結(jié)構(gòu)的比吸能，其值見表2.由表2可知，在厚度減少時(shí)，比吸能明顯減小；厚度增加時(shí)，比吸能的值增加，但不是厚度越大，比吸能越大.厚度為1.1 mm時(shí)的比吸能大于厚度為1.2 mm時(shí)的比吸能，說明厚度1.1 mm的更加滿足輕量化的要求.

3 結(jié) 束 語

經(jīng)過對某微型客車發(fā)生側(cè)面碰撞后變形形式分析后可以得出，B柱的厚度對其耐撞性和吸能特性有較大影響.利用Hypermesh仿真后的結(jié)果表明，B柱的厚度減少時(shí)，其加載力的峰值、總吸能以及單位質(zhì)量的吸能都減小，雖然隨著厚度的減小其質(zhì)量減少，更符合輕量化的要求，但其耐撞性變差，這對碰撞是十分不利的；隨著厚度增加，加載力的峰值、總吸能以及單位質(zhì)量的吸能也有所增加，但不是呈單調(diào)遞增的關(guān)系，厚度為1.1 mm的B柱的側(cè)碰安全性優(yōu)于1.2 mm.同時(shí)，由于車輛還需滿足輕量化的要求，所以板厚的增加是有限度的.文中的研究工作對微型汽車側(cè)面碰撞安全性的研究有較大的指導(dǎo)意義，在B柱厚度的選取過程中，必須根據(jù)具體實(shí)際的應(yīng)用要求，綜合考慮B柱的耐撞安全性，選取最合適的B柱厚度結(jié)構(gòu).

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Study on the Relationship between the Side Impact Safety of Mini Bus and the Thickness of B Column

MO Yimin1)LEI Zhidan1)WANG Jun1)XU Fang1)LYU Juncheng2)

(WuhanUniversityofTechnology,SchoolofMechanicalandElectricEngineering,Wuhan430070,China)1)(SGMW,Liuzhou545000,China)2)

Taking a mini bus as the research object and considering the requirement of lightweight structure, this paper analyzes the influence rule of the thickness of B column on the side impact safety of automobile. By analyzing the deformation theory of B column, B column thickness is considered as the main research factor. The simulation analysis model is established by Hypermesh and Ls-dyna, and the relationship between the side impact safety and the thickness of B column is studied. Results show that the thickness of B column has a great impact on side impact resistance and energy absorption characteristics of the automobile. With the increase of the thickness of the B column, the automobile side impact performance improves significantly. However, when the thickness increases to a certain degree, the side impact resistance has a trend of declining. Considering the requirement of lightweight, the improvement scheme of B column thickness is put forward.

mini bus; side impact; energy absorption characteristics; B column thickness; simulation analysis

2016-12-15

*校企合作基金項(xiàng)目資助

U463.38

10.3963/j.issn.2095-3844.2017.01.010

莫易敏(1960—)：男，博士，教授,主要研究領(lǐng)域?yàn)槟Σ翆W(xué)，表面工程，機(jī)電一體化