基于不同新車評價(jià)規(guī)程的側(cè)面碰撞仿真分析

胡遠(yuǎn)志，鄒緣良，劉 西，欒 天

(重慶理工大學(xué) 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)

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基于不同新車評價(jià)規(guī)程的側(cè)面碰撞仿真分析

胡遠(yuǎn)志，鄒緣良，劉 西，欒 天

(重慶理工大學(xué) 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)

基于不同的側(cè)面碰撞評價(jià)規(guī)程,選取某國產(chǎn)SUV(運(yùn)動型多用途汽車)為研究對象，建立側(cè)面碰撞模型，并對模型的可靠性進(jìn)行驗(yàn)證。在不同新車評價(jià)規(guī)程的側(cè)面碰撞仿真中對車體的表現(xiàn)形式進(jìn)行對比分析，找出車體的薄弱區(qū)域，針對不同的薄弱區(qū)域?qū)圀w主要承力部件從結(jié)構(gòu)、材料、板厚和布置方式等方面進(jìn)行優(yōu)化，從而提升了車體側(cè)面碰撞的耐撞性能。

側(cè)面碰撞；可靠性；耐撞性能

隨著中國自主品牌乘用車研發(fā)技術(shù)的提高，為擴(kuò)大市場、提升銷量和增加利潤，出口已經(jīng)成為各汽車廠商討論的熱點(diǎn)話題。在發(fā)生汽車碰撞的交通事故中，約有30%[1]為側(cè)面碰撞引起的，僅低于正面碰撞引起的交通事故，但其對車體和乘員造成的損害卻相對嚴(yán)重。文獻(xiàn)[2]研究表明：由側(cè)面碰撞引起的傷亡事故占嚴(yán)重傷亡事故的35%。因此，有必要針對不同國家的側(cè)面碰撞評價(jià)規(guī)程對車體的側(cè)面耐撞性能進(jìn)行研究。文獻(xiàn)[3]將整車側(cè)面碰撞區(qū)域分為6個(gè)分區(qū)，通過改變材料厚度和提高材料屈服強(qiáng)度的正交優(yōu)化方法來提高車輛側(cè)面結(jié)構(gòu)抗撞性能，并得到各分區(qū)剛度的匹配情況和分區(qū)剛度與乘員傷害指標(biāo)的關(guān)系。文獻(xiàn)[4]將超高強(qiáng)熱沖壓成型鋼應(yīng)用于B柱加強(qiáng)件中，進(jìn)行了整車有限元側(cè)面碰撞仿真，對比了3種試驗(yàn)級別的超高強(qiáng)熱沖壓成型鋼材的性能。文獻(xiàn)[5]分析了各國新車評價(jià)規(guī)程的歷史、基本特點(diǎn)和發(fā)展趨勢，分別從試驗(yàn)形態(tài)、碰撞速度、假人安放、評價(jià)指標(biāo)等角度對比了正面碰撞、側(cè)面碰撞、翻滾試驗(yàn)、主動安全輔助裝置以及總體評價(jià)的情況。

本文通過搭建可靠的側(cè)面碰撞模型，根據(jù)中國新車評價(jià)規(guī)程(China new car assessment program,C-NCAP)，把仿真結(jié)果與真實(shí)試驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行對比，驗(yàn)證仿真模型的可靠性，再根據(jù)歐洲新車評價(jià)規(guī)程(European new car assessment program,Euro-NCAP)和美國高速公路安全保險(xiǎn)協(xié)會(insurance institute for highway safety,IIHS)評價(jià)規(guī)程設(shè)置邊界條件，得到側(cè)面碰撞的仿真結(jié)果。對B柱侵入量、B柱侵入速度、車門侵入量和車門侵入速度進(jìn)行對比分析，然后針對不同的側(cè)面碰撞評價(jià)規(guī)程分別對車體薄弱區(qū)域進(jìn)行優(yōu)化，完成同一車型在不同評價(jià)規(guī)程下的表現(xiàn)研究。

1 C-NCAP、Euro-NCAP和IIHS評價(jià)規(guī)程的差異對比

在側(cè)面碰撞中，選取中國、歐洲、美國三個(gè)國家和地區(qū)的典型碰撞安全評價(jià)規(guī)程(C-NCAP、Euro-NCAP和IIHS評價(jià)規(guī)程)進(jìn)行對比。由于美國新車評價(jià)規(guī)程(US-NCAP)中規(guī)定的側(cè)面可移動壁障碰撞要求壁障的車輪與被撞車輛成28°的夾角，而C-NCAP、Euro-NCAP、IIHS規(guī)程下都是垂直撞擊，所以本文選取了IIHS評價(jià)規(guī)程。3種側(cè)面可移動壁障的差異如表1所示。

表1 側(cè)面可移動壁障對比

3種側(cè)面碰撞評價(jià)規(guī)程下的碰撞速度都為50 km/h，壁障前端蜂窩鋁結(jié)構(gòu)的應(yīng)力強(qiáng)度沿變形主方向變化，強(qiáng)度較小部分的位于結(jié)構(gòu)前端，壓縮過程中依次產(chǎn)生變形。采用階梯式和斜坡式兩種建模方法，分別模擬“多層結(jié)構(gòu)”和“漸進(jìn)結(jié)構(gòu)”[6]。其中：基于2015版C-NCAP下的側(cè)面可移動壁障質(zhì)量為950 kg；基于2015版Euro-NCAP下的側(cè)面可移動壁障質(zhì)量為1 300 kg；基于IIHS評價(jià)規(guī)程下的壁障質(zhì)量為1 500 kg。前兩者壁障蜂窩鋁的高度相同，而后者的壁障縱向高度更高，發(fā)生碰撞時(shí)會與B柱中上端直接接觸。

2 基于C-NCAP的側(cè)面碰撞模型驗(yàn)證

在HyperMesh軟件中搭建基于C-NCAP的整車側(cè)面碰撞模型,如圖1所示，然后在LS-DYNA中進(jìn)行計(jì)算，最后在HyperView和HyperGraph中分析計(jì)算結(jié)果。

整車側(cè)面可移動壁障碰撞過程極其復(fù)雜，碰撞模型中不同部件的受力形式和變形過程也各不相同。總能量響應(yīng)特性可用于驗(yàn)證模型的可信性和評估車身結(jié)構(gòu)的耐撞性，所以在進(jìn)行仿真分析前一定要對模型的可信性進(jìn)行評估[7]。

圖1 側(cè)面碰撞模型

側(cè)面碰撞仿真分析能量變化如圖2所示。該車型總能量J=91.6 kJ，沙漏能和滑移能幾乎為0，總能量曲線全程基本不變，能量轉(zhuǎn)化平穩(wěn)、正常。質(zhì)量增加約為15.2 kg，遠(yuǎn)小于總質(zhì)量的5%。綜上所述，本次側(cè)面碰撞仿真分析結(jié)果的可信性滿足要求。

圖2 能量和質(zhì)量曲線

側(cè)面碰撞仿真結(jié)果與試驗(yàn)結(jié)果對比如圖3所示，可見在B柱、門檻梁和車門等關(guān)鍵部位的褶皺位置和凹陷深度等變形都大致相同。

圖3 側(cè)面變形對比

在B柱內(nèi)板選取7個(gè)測量點(diǎn)，如圖4所示，分別對應(yīng)假人頭部、肩部、肋骨(上)、肋骨(中)、肋骨(下)、腹部和髖骨。同時(shí)，在前車門內(nèi)板選取6個(gè)點(diǎn)，分別對應(yīng)假人肩部、肋骨(上)、肋骨(中)、肋骨(下)、腹部和髖骨。仿真出這些點(diǎn)的侵入量并與試驗(yàn)的侵入量進(jìn)行對比分析，結(jié)果如表2、3所示。所有仿真測量點(diǎn)與試驗(yàn)測量點(diǎn)的誤差范圍都在15%以內(nèi)，說明仿真結(jié)果能真實(shí)反映車體側(cè)面碰撞的力學(xué)性能，模型真實(shí)可靠。

圖4 測量點(diǎn)位置

3 不同評價(jià)規(guī)程下的對比仿真分析

3.1 B柱侵入量和侵入速度對比分析

在整車模型中，B柱是連接頂棚和下車體的重要部件，直接影響整車的側(cè)面結(jié)構(gòu)耐撞性，決定了乘員的安全性[8]。B柱的變形和侵入量決定了乘員的生存空間。侵入速度是乘員二次碰撞接觸速度的直接體現(xiàn)，決定了二次碰撞速度的大小[9]。

表2 B柱測量點(diǎn)侵入量

表3 車門測量點(diǎn)侵入量

選取B柱上相同的7個(gè)測量點(diǎn)，對比3種碰撞評價(jià)規(guī)程下B柱侵入量,結(jié)果如表4所示。在基于C-NCAP和Euro-NCAP工況下的側(cè)面碰撞仿真分析中，B柱的下部侵入量較大。而在IIHS工況下，B柱整體侵入量過大，是前兩種工況下侵入量的2倍以上，說明此款車型的B柱不適用于IIHS工況的沖擊。

對比分析3種碰撞評價(jià)規(guī)程下B柱侵入速度，結(jié)果如表5所示。在基于C-NCAP和Euro-NCAP的側(cè)面碰撞仿真分析中，除假人頭部對應(yīng)B柱的測量點(diǎn)外，其他5個(gè)點(diǎn)的變化趨勢相同，大約在0.042 s左右達(dá)到最大值，假人髖骨對應(yīng)B柱的測量點(diǎn)速度最大。而在IIHS的側(cè)面碰撞仿真分析中，假人頭部、肩部和髖骨對應(yīng)B柱的測量點(diǎn)出現(xiàn)了突增、突減現(xiàn)象，假人頭部對應(yīng)B柱的測量點(diǎn)在0.050 s時(shí)達(dá)到速度最大值。相對而言，在C-NCAP和Euro-NCAP側(cè)面碰撞中，該車型的B柱下部侵入速度大，而在IIHS側(cè)面碰撞中，該車型的B柱整體的侵入速度過大，使得B柱相對運(yùn)動過快，對乘員安全造成嚴(yán)重威脅。

表4 B柱侵入量對比

3.2 車門侵入量和侵入速度對比分析

在側(cè)面碰撞中，車門作為保護(hù)乘員安全的重要屏障，如果車門的剛度、強(qiáng)度不足將導(dǎo)致其侵入量和侵入速度迅速增加[10]，影響乘員的生存空間。如果車門侵入速度過大，將會對乘員的胸部、腹部和骨盆造成嚴(yán)重的沖擊。所以，把車門的侵入量和侵入速度限制在一個(gè)可控范圍至關(guān)重要。

對3種工況下的側(cè)面碰撞仿真結(jié)果進(jìn)行整理，選取車門上相同的6個(gè)測量點(diǎn)進(jìn)行侵入量對比分析，結(jié)果如表6所示。每種工況下的6個(gè)測量點(diǎn)的侵入量曲線隨時(shí)間變化平穩(wěn)、無突增突減，且整體變化趨勢相同。但由于IIHS工況更惡劣，因此該工況下車門的侵入量比C-NCAP和Euro-NCAP工況下車門的侵入量大很多。

表5 B柱侵入速度對比

對比車門侵入速度，結(jié)果如表7所示。在C-NCAP工況下，假人腹部和髖骨對應(yīng)車門內(nèi)板測量點(diǎn)的侵入速度在0.032 s左右達(dá)到最大值8.9 m/s。在Euro-NCAP工況下的側(cè)面碰撞中，6個(gè)測量點(diǎn)的侵入速度曲線變化平穩(wěn)，趨勢相同，在0.040 s左右達(dá)到最大值9.0 m/s。在IIHS工況下，車門侵入速度曲線變化不平穩(wěn)，趨勢也不盡相同，其中假人肩部、腹部和髖骨對應(yīng)車門的測量點(diǎn)出現(xiàn)了突增、突減現(xiàn)象，假人髖骨對應(yīng)車門內(nèi)板的測量點(diǎn)在所選的所有測量點(diǎn)中速度最大，達(dá)到12.3 m/s。

表6 車門侵入量對比

4 不同評價(jià)規(guī)程下的優(yōu)化方案

為滿足不同國家的評價(jià)規(guī)程，同時(shí)考慮制造成本，采用針對一種設(shè)計(jì)的不同優(yōu)化方案疊加法來優(yōu)化側(cè)面碰撞結(jié)構(gòu)。

4.1 B柱優(yōu)化

拆解B柱各主要板殼件，其材料、屬性如圖5所示。位置2處上下兩塊加強(qiáng)板由激光拼焊連接在一起，位置5處的加強(qiáng)件由上下拼接的兩塊較薄的內(nèi)板搭接而成，其下板孔的尺寸為130 mm×200 mm，會降低B柱的剛度。

表7 車門侵入速度對比

圖5 B柱分解圖

結(jié)合仿真分析的3種碰撞評價(jià)規(guī)程下B柱的薄弱區(qū)域，分別對B柱進(jìn)行改進(jìn)，優(yōu)化方案如圖6所示。方案1增加B柱內(nèi)板的厚度，方案2向下延長B柱加強(qiáng)件的長度，方案3改變B柱加強(qiáng)板的形狀，方案4對B柱內(nèi)板下端的孔進(jìn)行填充。

針對C-NCAP的優(yōu)化方案，選取方案1和4，只需要對B柱的下端進(jìn)行加強(qiáng)，其中方案1只增加下內(nèi)板b的厚度，由原來的1.5 mm增加到1.8 mm。

針對Euro-NCAP的優(yōu)化方案，選取方案1、2和4。其中方案1只增加下內(nèi)板b的厚度，由原來的1.5 mm增加到1.8 mm。

在IIHS工況下的側(cè)面碰撞優(yōu)化方案中，選取方案1～4進(jìn)行優(yōu)化。方案1中增加B柱上板a的厚度，由原來的1.8 mm提高到2.2 mm，下板b厚度由原來的1.5 mm提高到2.0 mm。

圖6 B柱優(yōu)化方案

4.2 車門優(yōu)化

在3種側(cè)面碰撞工況下，只有IIHS工況下的壁障前端與車門的大部分直接接觸，造成車門大面積變形，對乘員的生命安全造成威脅，而其他兩種工況都是間接導(dǎo)致車門內(nèi)板侵入量過大，因此只針對IIHS工況下的側(cè)面碰撞進(jìn)行車門結(jié)構(gòu)的優(yōu)化。車門結(jié)構(gòu)如圖7所示。

圖7 車門結(jié)構(gòu)

IIHS側(cè)面碰撞中，壁障對車門過大沖擊是造成車門大面積變形的主要原因，需對車門進(jìn)行優(yōu)化。如圖8所示，主要采取兩個(gè)優(yōu)化方案:方案1在前門和后門的上部各增加一根防撞橫梁，并改變內(nèi)板的厚度,前門和后門的內(nèi)板都是由兩塊內(nèi)板拼接而成，左內(nèi)板厚度為1.2 mm，右內(nèi)板厚度為0.8 mm，把左內(nèi)板的厚度增加到1.4 mm，右內(nèi)板的厚度增加到1.2 mm;方案2改變車門內(nèi)板加強(qiáng)筋的形狀。

4.3 優(yōu)化結(jié)果對比分析

優(yōu)化結(jié)果如表8～11所示。在C-NCAP和Euro-NCAP工況下的側(cè)面碰撞仿真分析中，B柱和車門的侵入量和侵入速度都有明顯降低，曲線走勢更加平緩。在IIHS工況下的側(cè)面碰撞仿真分析中，B柱的侵入量在0.068 s時(shí)達(dá)到最大，之后侵入量逐漸減小，較之前相比得到顯著改善，出現(xiàn)了回彈現(xiàn)象，可更好地保護(hù)乘員的安全。B柱的侵入速度在0.038 s達(dá)到最大，之后緩慢減小，不再出現(xiàn)突增突減現(xiàn)象。

圖8 車門優(yōu)化方案 表8 優(yōu)化后B柱侵入量對比

C-NCAPEuro-NCAPIIHS

表9 優(yōu)化后B柱侵入速度對比

表10 優(yōu)化后車門侵入量對比

表11 優(yōu)化后車門侵入速度對比

結(jié)合文獻(xiàn)[11]的研究成果可見：側(cè)面結(jié)構(gòu)侵入速度在8 m/s以下,可以顯著減輕對乘員的傷害。該車型的優(yōu)化結(jié)果基本滿足了C-NCAP和Euro-NCAP工況安全性能要求。對于IIHS工況，在以上優(yōu)化方案的基礎(chǔ)上，需繼續(xù)通過增加車門防撞橫梁、改變車門內(nèi)板局部形狀、增加內(nèi)板厚度等方法來提升車體側(cè)面碰撞耐撞性能。

5 結(jié)束語

根據(jù)真實(shí)側(cè)面碰撞試驗(yàn)提取試驗(yàn)數(shù)據(jù)，并與仿真數(shù)據(jù)進(jìn)行對比分析，驗(yàn)證模型的有效性。依據(jù)3種不同評價(jià)規(guī)程分別對B柱侵入量、B柱侵入速度、車門侵入量和車門侵入速度進(jìn)行對比分析，完成同一車型在不同評價(jià)規(guī)程下的表現(xiàn)研究。針對不同的評價(jià)規(guī)程分別對車體的B柱和車門薄弱區(qū)域提出優(yōu)化方案，提高了整車側(cè)面碰撞的耐撞性能。該研究結(jié)果對于開發(fā)一款同時(shí)滿足中國、歐洲、美國不同評價(jià)規(guī)程的車型具有一定的參考意義。

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(責(zé)任編輯 劉 舸)

Simulation Analysis of Side Impact for Different New Car Assessment Programs

HU Yuan-zhi, ZOU Yuan-liang, LIU Xi, LUAN Tian

(Key Laboratory of Advanced Manufacturing Technology for Automobile Parts,Ministry of Education, Chongqing University of Technology, Chongqing 400054, China)

Based on the different side impact assessment rules, a SUV (Sport Utility Vehicle) was selected as the simulation object. The models of side impact were established and the reliability of the models was verified. Based on the different side impact for new car assessment programs, the vehicle was analyzed to get the weak areas. In order to optimize the performance of vehicle body side impact, the improvement of structure, material, thickness and arrangement of main bearing part in the side walls in different weak regions have been put forward.

side impact; reliability; collision resistance

2016-12-18

國家自然科學(xué)基金資助項(xiàng)目(51405050)；2015年重慶市重點(diǎn)產(chǎn)業(yè)共性關(guān)鍵技術(shù)創(chuàng)新專項(xiàng)(cstc2015zdcy-ztzx60010)；2015年重慶市基礎(chǔ)與前沿研究計(jì)劃資助項(xiàng)目(cstc2015jcyjA00048)；2015年重慶市高等教育教學(xué)改革研究資助項(xiàng)目(152032)；2013年重慶市科技人才培養(yǎng)計(jì)劃資助項(xiàng)目(cstc2013kjrc-qnrc60002)；2012年汽車零部件先進(jìn)制造技術(shù)教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室開放課題資助項(xiàng)目(2012KLMT08)

胡遠(yuǎn)志(1977—),男,湖南人,博士,教授,主要從事汽車主被動安全研究，E-mail:yuanzhihu@cqut.edu.cn；通訊作者 劉西(1977—),女,四川人,博士,副教授,主要從事汽車主被動安全、人機(jī)工程研究，E-mail:liuxi@cqut.edu.cn。

胡遠(yuǎn)志，鄒緣良，劉西，等.基于不同新車評價(jià)規(guī)程的側(cè)面碰撞仿真分析[J].重慶理工大學(xué)學(xué)報(bào)(自然科學(xué))，2017(4):1-9.

format：HU Yuan-zhi, ZOU Yuan-liang, LIU Xi, et al.Simulation Analysis of Side Impact for Different New Car Assessment Programs[J].Journal of Chongqing University of Technology(Natural Science)，2017(4):1-9.

10.3969/j.issn.1674-8425(z).2017.04.001

U467.1+4

A

1674-8425(2017)04-0001-09