某A級(jí)車基于2018CNCAP側(cè)面碰撞性能改進(jìn)

劉盼+夏湯忠+謝佑清+李徑亮+陳道林

摘 要：根據(jù)2018CNCAP草案及2012CNCAP，進(jìn)行某A級(jí)車側(cè)面碰撞性能的對(duì)比分析，通過(guò)側(cè)面結(jié)構(gòu)的侵入量、侵入速度的對(duì)比分析，明確該車型2018CNCAP側(cè)碰性能水平。并結(jié)合CAE分析及試驗(yàn)結(jié)果，進(jìn)行相關(guān)性分析，在相關(guān)性良好的整車模型基礎(chǔ)上，開(kāi)展基于側(cè)面結(jié)構(gòu)及材料的優(yōu)化設(shè)計(jì)，確保乘員生存空間及乘員艙侵入速度滿足項(xiàng)目要求。

關(guān)鍵詞：2018CNCAP；AEMDB；側(cè)面碰撞； 對(duì)標(biāo)； 結(jié)構(gòu)改進(jìn)

中圖分類號(hào)：U467.1+4 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：1005-2550（2017）01-0065-05

The Performance Improvement of Sidecrash of one A Class

Based on 2018 CNCAP

LIU Pan， XIA Tang-zhong， XIE You-qing， LI Jing-liang，CHEN Dao-lin

（Dongfeng Peugeot Citroen Automobile Company LTD， Wuhan430056， China ）

Abstract： The side crash performance of the A class car is comparatively analyzed according to the 2018CNCAP draft and 2012CNCAP. The status of the side crash performance under 2018 CNCAP is gotten by comparing the intrusion deformation and velocity. Also correlation is done combined CAE and test results. The model with good correlation is set as the base， the structure and the material of the side parts are optimized， in order to ensure the living space and the intrusion velocity required by the project.

Key Words： 2018CNCAP； AEMDB； Side Crash； Correlation； Structure Improvement

劉 盼

畢業(yè)于同濟(jì)大學(xué)，碩士研究生學(xué)歷，現(xiàn)任神龍汽車有限公司工程師，主要研究方向?yàn)檐嚿斫Y(jié)構(gòu)與碰撞安全性。

1 引言

汽車側(cè)面碰撞發(fā)生在車體中強(qiáng)度薄弱的部位，碰撞發(fā)生時(shí)緩沖區(qū)域小，沒(méi)有足夠的變形空間來(lái)吸收碰撞能量[1-3]，乘員艙過(guò)大的侵入是造成乘員傷害的主要原因，所以抗側(cè)面碰撞設(shè)計(jì)必須以減小乘員艙侵入、維持乘員生存空間為重點(diǎn)。同時(shí)車門(mén)與乘員接觸時(shí)的動(dòng)量越大，在撞擊乘員過(guò)程中其動(dòng)量的變化率越大，因此對(duì)乘員胸部和骨盆的撞擊力也越大。此時(shí)，乘員的側(cè)向加速度也會(huì)越大，這又會(huì)加重對(duì)乘員胸部、頭部和頸部的傷害。因此，為了減輕側(cè)碰過(guò)程中假人的傷害，應(yīng)當(dāng)減小側(cè)面結(jié)構(gòu)對(duì)乘員艙的侵入速度。

據(jù)天津汽研中心的統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)，中國(guó)采用MDB進(jìn)行車輛側(cè)面碰撞性能考核，CNCAP側(cè)面碰撞的平均得分率97.1%，平均得分17.5分。在這種情況下，中國(guó)政府希望提高整車側(cè)面碰撞性能，在中國(guó)2018 CNCAP擬引入AEMDB大壁障進(jìn)行側(cè)面碰撞試驗(yàn)。相比2012 MDB，可變形壁障空間尺寸、蜂窩鋁材料剛度、壁障重量、壁障距地面線高度均進(jìn)行了調(diào)整。

本文基于一款A(yù)級(jí)短軸距、低地板車型開(kāi)展2012CNCAP和2018CNCAP側(cè)碰性能的對(duì)比分析，以側(cè)面結(jié)構(gòu)的侵入量及侵入速度為研究重點(diǎn)。根據(jù)對(duì)比分析結(jié)果，明確原型車在新的CNCAP規(guī)則下的性能水平，并根據(jù)整車及各總成的變形模式、侵入速度、力流傳遞分布，在項(xiàng)目邊界及QCDP限制條件下進(jìn)行原型車結(jié)構(gòu)及材料優(yōu)化， 在B柱等關(guān)鍵區(qū)域引入高強(qiáng)度鋼的應(yīng)用，如采用B柱熱成型加強(qiáng)板等措施，來(lái)提升車身結(jié)構(gòu)側(cè)碰性能。

2 2018CNCAP對(duì)側(cè)面碰撞性能影響

2.1 2018CNCAP側(cè)面試驗(yàn)邊界變化

2018CNCAP擬引入基于ENCAP的可變形壁障AEMDB。壁障的重量、尺寸、離地高度、相對(duì)車身的碰撞中心點(diǎn)相對(duì)2012CNCAP均發(fā)生較大變化。表1對(duì)比分析關(guān)鍵參數(shù)的變化情況：

2.2 研究車型壁障空間位置對(duì)比

從圖1、圖2不同側(cè)碰壁障空間位置的對(duì)比可以看出：2018 AEMDB的碰撞中心后移，使車身B柱承擔(dān)了更多的沖擊載荷和能量，同時(shí)也使C柱區(qū)域車身結(jié)構(gòu)抗側(cè)撞性能的要求提高。

壁障撞擊點(diǎn)的位置提高，使得壁障與門(mén)檻梁重疊率變小，而且開(kāi)發(fā)車型為車身姿態(tài)較低的三廂轎車，所以門(mén)檻不直接承受AE-MDB移動(dòng)壁障的沖擊。門(mén)檻主要承受來(lái)自中立柱的力和彎矩，為了達(dá)成車體目標(biāo)，需要控制門(mén)檻的折彎量與翻轉(zhuǎn)角度。

2.3 對(duì)車身結(jié)構(gòu)性能的影響

1） 對(duì)中立柱、車門(mén)侵入速度對(duì)假人傷害的影響：

中立柱在對(duì)應(yīng)假人胸部位置的侵入速度是影響肋骨變形量和背板力的一個(gè)重要指標(biāo)，中立柱的侵入速度等于車體的平移速度加上中立柱自身的相對(duì)侵入速度。側(cè)面碰撞過(guò)程中，移動(dòng)壁障與碰撞車發(fā)生動(dòng)量交換，最終在某個(gè)時(shí)點(diǎn)以相同速度移動(dòng)，該過(guò)程近似于滿足動(dòng)量守恒定理。設(shè)m為移動(dòng)壁障質(zhì)量，M 為試驗(yàn)車質(zhì)量，V0 為移動(dòng)壁障初始速度，V1 為壁障與試驗(yàn)車的共同速度，按M=1330kg，根據(jù)動(dòng)量守恒定理，移動(dòng)變形壁障質(zhì)量的增加，導(dǎo)致碰撞后臺(tái)車與試驗(yàn)車輛的共同速度也會(huì)增加，從下表可以看出V1 增加22%。

mv0=（M+m）V1 （1）

其中：

m -- 移動(dòng)壁障質(zhì)量；

M --試驗(yàn)車質(zhì)量；

v0 --試驗(yàn)初速度；

V1--試驗(yàn)車與壁障的共同速度

表2 由動(dòng)量定理計(jì)算整車平移速度

變形的車體通過(guò)內(nèi)飾與約束系統(tǒng)（車門(mén)飾板、側(cè)氣囊和氣簾等）推動(dòng)假人，使假人與內(nèi)飾與約束系統(tǒng)之間產(chǎn)生力的傳遞和動(dòng)量交換而使假人傷害值相對(duì)2012增加。

2） 車體侵入量對(duì)假人生存空間的影響：

AE-MDB相比CNCAP 2012版壁障，因壁障增重導(dǎo)致初始動(dòng)能增大，同時(shí)壁障剛度提升，在車體強(qiáng)度等同的情況下，AE-MDB引起的車體侵入變形量會(huì)更大，假人的生存空間更小，而使假人的傷害指標(biāo)更加嚴(yán)重

3 2012MDB與2018AEMDB碰撞仿真分析結(jié)果對(duì)比

3.1 側(cè)碰變形模式對(duì)比

對(duì)兩種壁障下的碰撞變形模式進(jìn)行對(duì)比分析，可以看到2018 CNCAP下車身B柱侵入量增加明顯，B柱根部與門(mén)檻反轉(zhuǎn)嚴(yán)重，C柱區(qū)域的變形增量明顯，頂蓋中橫梁變形增加。B柱侵入量平均增加27%，C柱區(qū)域根部對(duì)應(yīng)假人臀部區(qū)域變形增加200%。

從車門(mén)變形對(duì)比圖可以看出，采用2018大壁障進(jìn)行側(cè)碰計(jì)算分析，車門(mén)侵入量較2012增量較大。B柱、車門(mén)侵入量的增加會(huì)導(dǎo)致假人胸部、腹部的傷害增加，假人得分降低。

3.2 碰撞侵入速度對(duì)比

對(duì)B柱、前車門(mén)、后車門(mén)相對(duì)假人胸部、腹部、臀部的關(guān)鍵點(diǎn)的侵入速度進(jìn)行對(duì)比分析，2018 CNCAP側(cè)碰侵入速度顯著提高，前排假人胸部及腹部入侵速度平均提高近30%，后排假人臀部的入侵速度增加27%。根據(jù)行業(yè)對(duì)侵入速度的要求，目前2018 規(guī)程下的入侵速度無(wú)法滿足項(xiàng)目對(duì)側(cè)碰性能要求。從乘員保護(hù)角度，減小B柱、車門(mén)侵入速度是該款車型亟待解決的問(wèn)題。

4 2018 AEMDB 計(jì)算分析與試驗(yàn)相關(guān)性分析

4.1 變形模式

對(duì)側(cè)面碰撞后的整車的整體變形模式進(jìn)行仿真與試驗(yàn)的對(duì)比分析，對(duì)側(cè)面關(guān)鍵區(qū)域包括門(mén)檻、車門(mén)、C柱及頂蓋變形位置及變形模式進(jìn)行對(duì)照，見(jiàn)圖7，整體變形模式相關(guān)性良好。

試驗(yàn)過(guò)后，對(duì)試驗(yàn)車進(jìn)行逐步拆解來(lái)檢查車體主要部分結(jié)構(gòu)的變形模式，通過(guò)與有限元對(duì)標(biāo)模型計(jì)算仿真結(jié)果的變形模式比較，可以更加清晰的體現(xiàn)出有限元對(duì)標(biāo)模型仿真分析計(jì)算所得出的車體結(jié)構(gòu)變形模式與試驗(yàn)是否保持一致。從圖8車身B柱變形模式有限元仿真與試驗(yàn)的比較，可以看出B柱上及B根部的變形模式二者具有良好的一致性

4.3 碰撞側(cè)B柱速度、加速度相關(guān)性

在試驗(yàn)及仿真分析中，通常在車身B柱根部及假人關(guān)鍵部位對(duì)應(yīng)區(qū)域設(shè)置加速度計(jì)，其中B柱根部的加速度近同于整個(gè)車體的加速度，常作為衡量整車特性的一個(gè)重要指標(biāo)。B柱中部的加速度計(jì)對(duì)應(yīng)假人腹部或胸部的位置，常作為衡量在側(cè)碰中對(duì)假人傷害的指標(biāo)。本文針對(duì)B柱根部加速度及B柱中部速度進(jìn)行相關(guān)性分析。從曲線整體趨勢(shì)及峰值看，試驗(yàn)與仿真有良好的相關(guān)性。

5 結(jié)構(gòu)優(yōu)化建議及方案

5.1 結(jié)構(gòu)優(yōu)化建議

由于車身側(cè)面碰撞時(shí)允許的變形空間小，因此，車身側(cè)面結(jié)構(gòu)的碰撞安全性設(shè)計(jì)原則是：提高側(cè)面結(jié)構(gòu)的抗撞擊強(qiáng)度，減小碰撞凹陷變形，保證座艙的完整性及生存空間[4-5]。針對(duì)大壁障下的側(cè)面性能的改進(jìn)，可以從碰撞載荷力流傳遞的角度進(jìn)行優(yōu)化分析：

1） 合理設(shè)計(jì)座艙的梁框架結(jié)構(gòu)，將側(cè)向撞擊力有效地轉(zhuǎn)移到車身結(jié)構(gòu)上具有承載能力的梁、柱、門(mén)檻、地板、車頂及其他構(gòu)件上

2） 加強(qiáng)車門(mén)強(qiáng)度，如設(shè)置車門(mén)橫向防撞加強(qiáng)梁，通過(guò)優(yōu)化防撞梁的位置確保碰撞載荷有效地傳遞到鉸鏈柱及C柱；同時(shí)要優(yōu)化車門(mén)鉸鏈及門(mén)鎖設(shè)計(jì)，使車門(mén)抗撞梁與車身結(jié)合為一體。

3） 因大壁障的抬高，壁障撞擊點(diǎn)提高導(dǎo)致側(cè)碰中門(mén)檻失穩(wěn)變形。針對(duì)該問(wèn)題首先解決門(mén)檻翻轉(zhuǎn)問(wèn)題，通過(guò)優(yōu)化B柱下接頭的設(shè)計(jì)，將碰撞載荷有效地傳遞到門(mén)檻梁，為達(dá)到項(xiàng)目對(duì)側(cè)面性能的要求，必須推進(jìn)B柱熱成型材料的應(yīng)用，推進(jìn)高強(qiáng)度鋼板在車身的應(yīng)用；

4） 加強(qiáng)地板中部的地板通道，提高車身抗彎強(qiáng)度；

5） 加強(qiáng)頂蓋中橫梁及頂蓋弧形梁的抗彎強(qiáng)度，確保碰撞載荷在Y向的有效傳遞，

6） 提高C柱區(qū)域抗彎截面。

5.2 結(jié)構(gòu)優(yōu)化迭代

根據(jù)側(cè)面碰撞理論、載荷路徑及該車的項(xiàng)目邊界，通過(guò)多次優(yōu)化迭代對(duì)比分析，分別從下面幾個(gè)方面進(jìn)行改進(jìn)：

1） B柱結(jié)構(gòu)的加強(qiáng)

B柱作為主要的抗側(cè)碰結(jié)構(gòu)，提高其抗彎矩強(qiáng)度主要靠提高各截面慣性矩和相關(guān)材料的強(qiáng)度來(lái)達(dá)成。如何優(yōu)化截面特性需要根據(jù)中立柱變形模式（折彎點(diǎn)在高度方向上的位置、各關(guān)鍵區(qū)域的侵入量和侵入速度）來(lái)展開(kāi)優(yōu)化設(shè)計(jì)。從有利改善傷害值的角度看，中立柱在下端折彎為佳，如果在上、中部，會(huì)嚴(yán)重影響假人頭、胸部關(guān)鍵區(qū)域的傷害值得分。

因此本優(yōu)化方案在斷面大小已經(jīng)固定的邊界條件下，更改了原B柱加強(qiáng)板材料以及結(jié)構(gòu)尺寸和形狀，在大幅提升各截面慣性矩的同時(shí)，將結(jié)構(gòu)強(qiáng)度性能進(jìn)行了大幅提升。

2） 優(yōu)化車門(mén)防撞桿的結(jié)構(gòu)、材料及安裝點(diǎn)高度

車門(mén)防撞桿在側(cè)碰過(guò)程中主要限制車門(mén)的侵入量和侵入速度。一般要布置在移動(dòng)壁障突出的塊所接觸的區(qū)域，要有足夠的彎矩和強(qiáng)度來(lái)抵抗侵入變形。

因此本優(yōu)化方案結(jié)合B柱加強(qiáng)方案，對(duì)原車型車門(mén)防撞桿結(jié)構(gòu)、材料及安裝點(diǎn)高度進(jìn)行了優(yōu)化，提升了車門(mén)區(qū)域的侵入量和侵入速度碰撞性能。

3） 加強(qiáng)座椅橫梁

地板座椅橫梁，在側(cè)碰變形過(guò)程中給門(mén)檻梁提供側(cè)向的支撐，同時(shí)抑制門(mén)檻結(jié)構(gòu)的翻轉(zhuǎn)。

因此本優(yōu)化方案結(jié)合B柱加強(qiáng)方案，對(duì)原車型座椅橫梁結(jié)構(gòu)、材料及安裝點(diǎn)位置進(jìn)行了優(yōu)化，提升B柱、車門(mén)區(qū)域的侵入量和侵入速度碰撞性能。

4） 頂蓋中橫梁

頂蓋中橫梁不直接承受移動(dòng)壁障沖擊，主要承受中立柱傳遞的力和彎矩，并給中立柱上端有效的支撐并將力傳遞到非碰撞側(cè)的車身結(jié)構(gòu)。

為了獲得良好的B柱變形形態(tài)，本優(yōu)化本優(yōu)化方案結(jié)合B柱加強(qiáng)方案，對(duì)原頂蓋中橫梁采用高強(qiáng)鋼并增加料厚的簡(jiǎn)單方式進(jìn)行結(jié)構(gòu)性能優(yōu)化來(lái)控制B柱上端的變形。

通過(guò)以上各優(yōu)化改進(jìn)設(shè)計(jì)，使車身B柱變形模式相對(duì)合理， B柱根部翻轉(zhuǎn)問(wèn)題得到解決，車門(mén)及B柱侵入量大幅減小，侵入速度滿足項(xiàng)目要求的目標(biāo)。

6 總結(jié)

1） 本文通過(guò)對(duì)2012CNCAP與2018 CNCAP的計(jì)算、實(shí)驗(yàn)對(duì)比分析，獲得了在2018 CNCAP的規(guī)則下，某A級(jí)車的側(cè)面碰撞性能水平及風(fēng)險(xiǎn)點(diǎn)。

2） 通過(guò)對(duì)相同邊界條件下的整車側(cè)碰CAE及試驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行相關(guān)性分析，來(lái)提高仿真分析模型的可信度，為優(yōu)化改進(jìn)方案的確認(rèn)提供可靠的保障。

3） 根據(jù)側(cè)面碰撞理論、載荷路徑及該車的項(xiàng)目邊界，通過(guò)多次優(yōu)化迭代對(duì)比分析，給出可行的改進(jìn)方案，并取得較好效果。

4） 已經(jīng)開(kāi)展的分析工作是在不考慮約束系統(tǒng)的前提下，對(duì)車體開(kāi)展優(yōu)化改進(jìn)。下一步需要開(kāi)展帶約束系統(tǒng)的整車碰撞性能分析工作。

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