基于大壁障側(cè)碰和75°側(cè)柱碰的車身耐撞性和乘員損傷研究

鈕嘉穎+郭剛+丁玲+黃穎+向保才

摘 要：基于側(cè)面碰撞對乘員損傷的嚴重性，運用試驗法和仿真法對某車型的側(cè)面碰撞性能和乘員損傷進行研究。通過對車身側(cè)面結(jié)構(gòu)變形、速度響應、乘員損傷情況進行分析，得出了大壁障側(cè)碰和75°側(cè)柱碰的碰撞特性，并提出了B柱、前后門、門檻梁的優(yōu)化方案。結(jié)果表明：相較于MDB壁障側(cè)碰和90°側(cè)柱碰，大壁障側(cè)碰和75°側(cè)柱碰對車身耐撞性提出了更高的要求，對前后排乘員造成了更嚴重的損傷。通過對側(cè)面車身結(jié)構(gòu)的優(yōu)化，有效地降低了車身各部位的侵入量和侵入速度，增大了乘員的生存空間，提升了車身安全性。

關鍵詞：側(cè)面耐撞性；乘員損傷；優(yōu)化設計

中圖分類號：U467.1+4 文獻標識碼：A 文章編號：1005-2550（2017）05-0025-05

The research on vehicle crashworthiness and occupant injury based on AEMDB side impact and 75°side pole impact

Niu Jia-ying， Guo Gang， Ding Ling， Huang Ying， Xiang Baocai

（ DongFeng Motor Corporation Technical Center， Wuhan430058， China ）

Abstract： Based on the seriousness of side impact on the occupant injury， to study the side crash performance and occupant injury of a vehicle by using the test method and simulation method. Through the analysis of the side structure deformation， velocity response and occupant injury， we obtain the crash characteristics of the AEMDB side impact and 75°side pole impact and propose the optimization method of the B-pillar， the front door， the rear door and threshold beam. The results show that compared with MDB side impact and 90°side pole impact， AEMDB side impact and 75°side pole impact put forward higher requirements on the vehicle crashworthiness， and cause more serious damage on the front and rear occupants. By optimizing the side structure of the vehicle， effectively reduce the intrusion displacement and the invasion rate of the various parts of the body， increase occupants' living space， and enhance the body safety.

Key Words： side crashworthiness； occupant injury； optimal design

1 前言

在各種汽車碰撞事故形態(tài)中，汽車側(cè)面碰撞事故導致乘員重傷和死亡率高達25%。由于汽車側(cè)面碰撞時沒有如正碰和后碰那樣足夠的變形空間來吸收碰撞能量，因此一旦受到來自側(cè)面的撞擊，乘員就會受到強烈的沖擊載荷，所以保證白車身側(cè)面耐撞性對于乘員保護至關重要[1]。

為了提高對車輛側(cè)面碰撞的考核要求，Euro NCAP在2015年提高了側(cè)面碰撞試驗的難度，在側(cè)面壁障碰撞中，增大壁障的尺寸和重量；在側(cè)柱碰中，提升了碰撞速度，改變了碰撞角度。

本文通過對同一車型分別進行了兩種不同工況下的側(cè)碰試驗（壁障+圓柱），從而更直觀地了解大壁障側(cè)碰和75°側(cè)柱碰對車身結(jié)構(gòu)和乘員損傷的影響，并據(jù)此對白車身的耐撞性進行優(yōu)化。

2 側(cè)面車身耐撞性和乘員損傷研究

2.1 2015版Euro NCAP側(cè)面碰撞規(guī)則

2015版Euro NCAP側(cè)面壁障碰撞，碰撞中心點由R點后移了250mm，而且采用歐洲全新開發(fā)的側(cè)碰大壁障AEMDB，與原MDB參數(shù)對比如表1所示，AEMDB的質(zhì)量及蜂窩鋁的尺寸都有所增大。同時側(cè)柱碰的試驗難度增大，與原工況的對比如表2所示，碰撞角度由90°改為75°，碰撞速度由29km/h提高至32km/h。

2.2 側(cè)面車身耐撞性研究

2.2.1車身結(jié)構(gòu)變形

如圖2.1所示，側(cè)面壁障碰撞時，車身前后門、B柱、門檻等較大區(qū)域內(nèi)產(chǎn)生了一定程度的變形，前后門變形較為嚴重，但總體區(qū)域變形較為均勻。大壁障側(cè)碰相較于原始側(cè)碰，前門、B柱、后門的侵入變形形式相似，因為壁障重量、初始能量、尺寸的增大，侵入量顯著增大。如下表3所示，前門外板從上至下侵入量增大40～50mm，后門外板從上至下侵入量增大70～80mm，駕駛員整體生存空間減小了44.83mm，后排乘客整體生存空間減小了69.69mm。但是駕駛員的生存空間仍有280.45mm，后排乘客的生存空間仍有300.16mm，根據(jù)IIHS對車身的評價方法，生存空間≥125mm，車身處于“優(yōu)”等級，故此車型發(fā)生大壁障側(cè)碰時車身的耐撞性能良好。endprint

如圖2.2所示，在柱碰中車身變形主要集中在柱體撞擊的狹小區(qū)域里，窗臺、車門、B柱、門檻梁、地板均產(chǎn)生了嚴重的變形，撞擊區(qū)域內(nèi)整個側(cè)圍向內(nèi)凹陷，駕駛員的生存空間被擠壓到很小。32-75°柱碰相較于29-90°柱碰，碰撞速度高、撞擊直徑大，所以侵入量明顯增大。如下表4所示，A柱外板位置、窗臺位置、R點位置增大了60mm左右，門檻梁位置增大更多，達到90mm，駕駛員整體生存空間減小了67.7mm，僅有95.79mm。根據(jù)IIHS對車身的評價方法，生存空間≥125mm，車身處于“優(yōu)”等級，生存空間在50～125mm之間[2]，車身處于“達標”等級，故此車型當發(fā)生29-90°柱碰時車身仍有良好的乘員生存空間，但發(fā)生32-75°柱碰時，駕駛員的生存空間嚴重不足，對其生存產(chǎn)生了嚴重的威脅。

綜上所述，相較于壁障碰撞，柱碰對車身耐撞性提出了更嚴峻的考驗，窗臺、車門、B柱、門檻梁等結(jié)構(gòu)仍有待加強。

由圖2.1-2.9和表5.1-5.3可知，大壁障對側(cè)面車身耐撞性提出了更高的要求，各部位的侵入速度明顯增大，在前門各處的最大侵入速度增大20%左右，在B柱各處的最大侵入速度增大50%左右，在后門各處的最大侵入速度增大非常顯著，假人上肋骨位置增大207.5%，假人下肋骨位置增大270.59%，假人骨盆位置增大117.6%。

MDB壁障碰撞時，由于壁障重量較輕，而且撞擊位置靠前，所以對后門的撞擊并不是非常嚴重，車門的吸能空間充足，可以將侵入速度穩(wěn)定在一個較低的水平，而大壁障重了350kg，而且撞擊點后移250mm，對后門的撞擊嚴重了很多，車門吸能空間不足，侵入速度上升較快。

2.2.3 乘員傷害情況（如圖3.1-圖3.9）

由圖3.1-3.9和表6.1-6.2可知，大壁障側(cè)碰時，前排假人各部位的傷害程度均有不同程度的惡化，其中骨盆的傷害值增大比率最高，達到83.39%，頭部的傷害值增大比率最低，僅為20.63%；同時胸部下肋骨壓縮變形量、腹部力接近高性能限值，安全余量較小。后排假人的情況與前排類似，頭部的傷害值增大15.92%，但骨盆的傷害值增大較多，達到64.70%。因為Euro NCAP沒有對后排假人的考核，參考C-NCAP評價指標[3]，恥骨力達到3.737KN>3.5KN，超過C-NCAP中給出的高性能限值。

綜上所述，大壁障側(cè)碰時前后排假人的傷害情況均比較嚴重，特別對于后排假人，因為缺少側(cè)氣囊保護胸腹臀，恥骨力已經(jīng)超標，所以需對后排車門結(jié)構(gòu)進行優(yōu)化，增加其耐撞性以應對大壁障側(cè)碰。

由圖4.1-4.7和表7可知，75°柱碰時，對比90°柱碰，前排假人各部位的傷害程度不同程度地惡化。假人的頭部、腹部、骨盆傷害值均增大得較多，腹部力達到1.333KN>1KN，超過Euro NCAP中給出的高性能限值，胸部傷害值雖然增大得較少，但是壓縮量均超過Euro NCAP中給出的高性能限值22mm，傷害較為嚴重，也遠大于大壁障側(cè)碰時假人的胸部傷害值。

這表明，此車型側(cè)面車身結(jié)構(gòu)，在應對75°柱碰時，仍然有待加強，特別是對于車門、B柱、門檻梁區(qū)域的耐撞性，提出了更高的要求。

3 車身優(yōu)化

3.1 仿真優(yōu)化

如圖5.1-5.2所示，按照Euro NCAP規(guī)則要求，搭建了某款車型的AEMDB側(cè)碰和75°柱碰的有限元仿真模型，整車模型節(jié)點數(shù)約為150萬，單元數(shù)約為180萬；大壁障模型節(jié)點數(shù)約為3萬，單元數(shù)約為5萬；圓柱壁障模型節(jié)點數(shù)約為1.5萬，單元數(shù)約為3萬。

3.2 優(yōu)化方案

為了應對2015版Euro NCAP，如圖6.1-6.6所示對側(cè)面車身結(jié)構(gòu)進行優(yōu)化[4]，優(yōu)化方案如下：1.優(yōu)化頂蓋橫梁布置，在左右B柱間布置高強鋼頂蓋橫梁，并優(yōu)化接頭形式，形成連續(xù)傳力結(jié)構(gòu)；2.門檻梁采用高強鋼輥壓，門檻梁內(nèi)增加橫向加強板，提高門檻梁承載能力；3. B柱加強板采用熱成型，提高B柱抗變形能力，B柱加強板下部設計誘導變形結(jié)構(gòu)，控制B柱變形模式；4.車門優(yōu)化，增加外板加強梁、優(yōu)化外板窗臺加強梁，提高車門承載力。

3.3 優(yōu)化結(jié)果

為了驗證車身結(jié)構(gòu)的優(yōu)化效果，對原方案和優(yōu)化后方案在大壁障側(cè)碰和75°側(cè)面柱碰工況下進行車身耐撞性的仿真分析，結(jié)果如下：

如表8.1-8.2所示，在大壁障側(cè)碰工況下，對側(cè)面車身耐撞性的優(yōu)化達到了預想的效果，B柱、前后門內(nèi)板的侵入量、侵入速度都有不同程度的減小[5]。B柱的優(yōu)化率相對較小，各位置侵入量平均優(yōu)化率6.0%，侵入速度平均優(yōu)化率5.4%；前門的優(yōu)化率較大，各位置侵入量平均優(yōu)化率9.9%，侵入速度平均優(yōu)化率12.9%；后門的優(yōu)化率最大，各位置侵入量平均優(yōu)化率13.7%，侵入速度平均優(yōu)化率20.6%。

如表8.3所示，在75°側(cè)面柱碰[6]工況下，對側(cè)面車身結(jié)構(gòu)的優(yōu)化效果較好，碰撞參考線侵入量以及B柱內(nèi)板侵入量都有不同程度的減小。碰撞線侵入量最大優(yōu)化量達到65mm，B柱內(nèi)板侵入量最大優(yōu)化量達到38mm，生存空間由原來96mm增大到131mm，根據(jù)IIHS對車身的評價方法，車身結(jié)構(gòu)達到“優(yōu)”等級。

4 總結(jié)

由于汽車側(cè)面碰撞時乘員受到強烈的沖擊載荷，所以保證白車身側(cè)面耐撞性對于乘員保護至關重要。

本文通過碰撞試驗對比分析得出，相較于MDB壁障側(cè)碰和90°側(cè)面柱碰，大壁障側(cè)碰和75°側(cè)面柱碰對前后排乘員造成了更嚴重的損傷，對側(cè)面車身的耐撞性提出了更高的要求。

B柱、前后門、門檻梁是影響側(cè)面車身結(jié)構(gòu)耐撞性的主要因素，通過優(yōu)化頂蓋橫梁布置、側(cè)面接頭形式、門檻梁材料及傳遞路徑、B柱結(jié)構(gòu)及成型工藝，以及增加車門加強梁等措施，有效提高車體的側(cè)面耐撞性能：在大壁障側(cè)碰仿真中，B柱、前后門內(nèi)板的侵入量、侵入速度不同程度地減小，最大優(yōu)化率達到29.02%；在75°側(cè)面柱碰仿真中，碰撞參考線侵入量以及B柱內(nèi)板侵入量不同程度地減小，最大優(yōu)化量達到65mm，生存空間由原來96mm增大到131mm，從而有效地將車身結(jié)構(gòu)提升至優(yōu)等級，降低乘員的損傷風險。

參考文獻：

[1]張學榮， 蘇清祖. 側(cè)面碰撞乘員損傷影響因素分析[J]. 汽車工程， 2008， 30（2）：146-150.

[2]王志濤， 喬鑫. 基于AE-MDB與MDB的側(cè)面碰撞對比研究分析[C]. 2014中國汽車工程學會年會論文集. 2014.

[3]張曉龍， 朱海濤， 婁磊. C-NCAP側(cè)面碰撞及乘員保護相關因素分析[J]. 軍事交通學院學報， 2008， 10（4）.

[4]覃禎員. 轎車側(cè)面碰撞車身結(jié)構(gòu)安全性和乘員損傷保護研究[D]. 湖南大學， 2009.

[5]崔東， 栗國， 謝書港. 某車型側(cè)碰對標及AE MDB側(cè)碰安全性能評估[C]. 中汽中心第二十屆學術交流會優(yōu)秀論文集.2014.

[6]劉金鑫. 汽車側(cè)面柱碰結(jié)構(gòu)安全性及乘員損傷仿真研究[D]. 蘭州交通大學， 2016.endprint