某車型正面碰撞性能提升

鈕嘉穎 黃穎 郭剛 丁玲 陳文

摘 要：本文針對(duì)某車型偏置碰中主駕小腿生存空間不足的問(wèn)題，對(duì)前圍侵入量的3個(gè)關(guān)鍵影響因素進(jìn)行優(yōu)化，提出了提高機(jī)艙的吸能能力，提高前圍的抗變形能力和乘員艙強(qiáng)度的優(yōu)化思路，通過(guò)對(duì)B柱加速度曲線、前圍侵入量、門框壓縮量3個(gè)指標(biāo)進(jìn)行評(píng)估，得出了最佳的優(yōu)化方案。同時(shí)針對(duì)乘客安全氣囊保護(hù)效果較差的問(wèn)題，對(duì)其支撐性、保護(hù)范圍以及與乘客接觸時(shí)刻進(jìn)行優(yōu)化，搭配減小安全帶限力值，來(lái)改善乘客胸部壓縮量。通過(guò)仿真和實(shí)車驗(yàn)證，優(yōu)化效果顯著，為后續(xù)項(xiàng)目的整車正面碰撞性能提升提供了一種有效的優(yōu)化思路。

關(guān)鍵詞：正面耐撞性；胸部壓縮量；約束系統(tǒng)優(yōu)化

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（2019）01-0082-09

Abstract： In this paper， for the problem of insufficient drivers tibia living space of the 64ODB in a certain type of vehicle， the three key influencing factors of the front walls intrusion are optimized， and the optimization of the energy absorption capacity of the cabin， the anti-deformation ability and passenger compartment strength is improved. The optimization effect is evaluated by the three indexes of the acceleration curve of the B-pillar， the intrusion of the front wall and the compression of the door frame， and the best optimization scheme is obtained. At the same time， in order to solve the problem of poor passenger airbag protection， the support， protection range and contact time with passengers are optimized， and the seat belt limit force value is reduced to improve the chest compression of the passenger. Through simulation and crash test verification， the optimization effect is remarkable， which provides an effective optimization idea for the improvement of the frontal collision performance of the whole project.

Key Words： frontal crashworthiness； chest compression； restraint system optimization

1 前言

某車型開(kāi)發(fā)中，為達(dá)成C-NCAP四星碰撞目標(biāo)，制定正碰前排假人得分目標(biāo)15.1，偏置碰前排假人目標(biāo)14.2。仿真優(yōu)化階段發(fā)現(xiàn)，正碰和偏置碰得分均無(wú)法達(dá)成既定目標(biāo)，具體分析得分率，發(fā)現(xiàn)正碰和偏置碰中，乘客側(cè)胸部得分偏低，偏置碰中主駕側(cè)小腿得分偏低，導(dǎo)致整車得分偏低。

因?yàn)槌丝托夭繅嚎s量主要受到車身加速度和約束系統(tǒng)保護(hù)效果的影響，正碰和偏置碰中車身加速度均小于40g，滿足性能目標(biāo)。而通過(guò)仿真動(dòng)畫(huà)發(fā)現(xiàn)，如圖1乘客胸部與儀表之間幾乎沒(méi)有氣囊進(jìn)行緩沖，約束系統(tǒng)對(duì)胸部的保護(hù)效果較差，是導(dǎo)致乘客胸部得分偏低的主要原因，需要優(yōu)化約束系統(tǒng)性能參數(shù)。

同時(shí)主駕小腿力主要受到其生存空間的影響，而偏置碰中前圍關(guān)鍵點(diǎn)侵入量較大，如圖2最大達(dá)到226mm>190mm，不滿足性能目標(biāo)，致使小腿處沒(méi)有足夠的生存空間，是導(dǎo)致主駕小腿得分偏低的主要原因，需要優(yōu)化車身耐撞性。

2 車身耐撞性優(yōu)化

2.1 優(yōu)化方案

影響前圍侵入量的主要因素有前圍的吸能大小、前圍的抗變形能力以及周邊支撐的強(qiáng)度[1]。所以，在碰撞能量一定的前提下，為了減小前圍侵入量，主要從以下3個(gè)方面進(jìn)行改善：1.提高機(jī)艙的吸能能力，2.提高前圍的抗變形能力，3.提高乘員艙強(qiáng)度。

根據(jù)力傳遞路徑，提出優(yōu)化機(jī)艙吸能能力的方案如下：①增加吸能盒、前縱梁截面尺寸，②前托架前部增加吸能結(jié)構(gòu)，③提高吸能盒、前縱梁材料強(qiáng)度，增加shotgun外板料厚。同時(shí)④通過(guò)優(yōu)化前縱梁根部與前圍搭接處傳力結(jié)構(gòu)，和前圍加強(qiáng)板增加過(guò)渡特征，提高前圍抵抗變形能力[2]，⑤通過(guò)A柱加強(qiáng)板采用熱成型，提高乘員艙強(qiáng)度，具體方案如下：

2.2 正面偏置碰優(yōu)化結(jié)果對(duì)比

為了更好地評(píng)估優(yōu)化效果，針對(duì)2.1中提出的3個(gè)優(yōu)化方案，進(jìn)行40%正面偏置碰撞仿真，使用B柱加速度曲線、前圍侵入量、門框壓縮量[3]3個(gè)指標(biāo)評(píng)估，在保證優(yōu)化前圍侵入量的前提下，盡量?jī)?yōu)化加速度波形和門框壓縮量，具體仿真結(jié)果如下圖3-圖14：

2.3 優(yōu)化方案選擇

根據(jù)2.2所述仿真結(jié)果可知：

1.與原狀態(tài)相比，優(yōu)化方案的左、右側(cè)加速度波形和趨勢(shì)一致，峰值基本相當(dāng)；

2.與原狀態(tài)相比，優(yōu)化方案的前圍侵入變形一致，侵入量均不同程度地減小，特別是方案3，優(yōu)化效果良好；

3. 與原狀態(tài)相比，優(yōu)化方案的門框變形趨勢(shì)一致，壓縮量均不同程度地減小，特別是方案3，優(yōu)化效果良好。

綜上，優(yōu)化方案1、2略優(yōu)于原狀態(tài)，優(yōu)化方案3改善效果較為明顯，前圍侵入量、門框壓縮量減小約25%～30%，優(yōu)化效果良好，建議選擇優(yōu)化方案3。

2.4 正面100%剛性碰撞性能驗(yàn)證

針對(duì)優(yōu)化方案3，驗(yàn)證100%剛性正碰的性能，使用B柱加速度曲線、前圍侵入量、門框壓縮量3個(gè)指標(biāo)評(píng)估，具體仿真結(jié)果如下圖15-22：

在100%剛性正碰中，優(yōu)化方案3的前圍侵入量更小，加速度峰值和門框變形量與原狀態(tài)相當(dāng)，綜合來(lái)說(shuō)對(duì)100%剛性正碰性能略有優(yōu)化。

3 約束系統(tǒng)優(yōu)化

乘客胸部主要受到安全帶和乘客安全氣囊的共同作用，但是受到儀表板型面影響，氣囊布置角度較為水平，囊袋展開(kāi)形態(tài)不佳，保護(hù)范圍不足，僅保護(hù)乘客的頭頸部，乘客胸部與儀表之間幾乎沒(méi)有囊袋緩沖，則需要使用限力值較大的安全帶，以保證乘客不會(huì)前移太多而失去生存空間撞擊儀表板等環(huán)境件，從而導(dǎo)致乘客胸部壓縮量較大[4]。所以，需要優(yōu)化乘客安全氣囊對(duì)胸部的保護(hù)效果，并且減小安全帶限力值，以優(yōu)化乘客胸部壓縮量。

良好的氣囊保護(hù)效果是指氣囊在合適的時(shí)刻展開(kāi)與乘客接觸，保護(hù)范圍覆蓋乘客頭頸胸，同時(shí)囊袋具有合適的軟硬度和支撐性，保證既能緩沖乘客的前沖使其不會(huì)擊穿氣囊撞上儀表，同時(shí)也不會(huì)給乘客很大的作用力導(dǎo)致較大的胸部壓縮量。

通過(guò)分析得出，影響乘客安全氣囊保護(hù)效果的參數(shù)如圖23所示，發(fā)生器壓力曲線影響囊袋內(nèi)壓，排氣孔大小、數(shù)量以及囊袋材料特性影響泄氣速率，3個(gè)參數(shù)共同影響氣囊的支撐性和軟硬度；囊袋體積影響展開(kāi)大小，袋型、有無(wú)拉帶影響展開(kāi)形態(tài)，3個(gè)參數(shù)共同影響氣囊的保護(hù)范圍，囊袋折疊方式影響充滿時(shí)刻，與發(fā)生器點(diǎn)火時(shí)刻共同影響氣囊與乘客的接觸時(shí)刻。

為了優(yōu)化氣囊保護(hù)效果，必須優(yōu)化3大影響因素，根據(jù)經(jīng)驗(yàn)各選取其中1個(gè)常用優(yōu)化參數(shù)來(lái)實(shí)現(xiàn)，最終確定優(yōu)化排氣孔直徑、調(diào)整袋型和點(diǎn)火時(shí)刻[5]。綜上，形成優(yōu)化矩陣如下。

如表6和如圖24-27所示，通過(guò)對(duì)乘客安全氣囊排氣孔直徑、袋型以及點(diǎn)火時(shí)刻的改善，優(yōu)化后氣囊對(duì)乘員胸部起到了良好的支撐和緩沖效果。同時(shí)減小安全帶限力值后，乘客胸部壓縮量顯著降低，其中方案2的效果最好。

4 仿真結(jié)果

采用3.3中選定的約束系統(tǒng)優(yōu)化方案，搭載2.3中選定的整車優(yōu)化方案，進(jìn)行帶約束系統(tǒng)的整車碰撞仿真，結(jié)果如下：

從仿真結(jié)果中可以看出，該車型的正面碰撞性能得到了有效的提升，優(yōu)化后胸部壓縮量明顯減小，正碰壓縮量由29.9mm減至24.5mm，偏置碰壓縮量由30.7mm減至23.1mm，偏置碰小腿壓縮力也明顯減小，由4.02KN減至2.4KN，均已接近高性能限值。

5 實(shí)車驗(yàn)證

將已進(jìn)行仿真驗(yàn)證的方案，搭載進(jìn)行實(shí)車碰撞試驗(yàn)，圖34-39為乘客胸部壓縮量和主駕小腿力的響應(yīng)曲線與實(shí)車試驗(yàn)曲線對(duì)比；針對(duì)C-NCAP 的評(píng)分規(guī)則，傷害指標(biāo)的對(duì)比結(jié)果見(jiàn)表7，分值目標(biāo)的達(dá)成情況見(jiàn)表8。

從圖34-39，表7和表8中可以得出，試驗(yàn)曲線與仿真曲線的趨勢(shì)基本一致，實(shí)車試驗(yàn)中假人傷害值的峰值出現(xiàn)時(shí)刻與仿真計(jì)算結(jié)果大致相同，而且傷害指標(biāo)的誤差均在10%以內(nèi)，試驗(yàn)驗(yàn)證了仿真模型的有效性，以及所得結(jié)論的正確性。

從表8中可以看出，通過(guò)胸部和腿部的優(yōu)化，傷害指標(biāo)顯著下降，正碰和偏置碰的得分均超過(guò)目標(biāo)，整車碰撞性能得到了有效的提升。

6 總結(jié)

某車型正面碰撞仿真中，正碰和偏置碰得分均不滿足目標(biāo)，正碰和偏置碰中，乘客假人胸部得分較低，偏置碰中主駕假人小腿得分較低，需要優(yōu)化。同時(shí)經(jīng)過(guò)分析發(fā)現(xiàn)，乘客側(cè)約束系統(tǒng)保護(hù)效果較差以及偏置碰前圍侵入量較大，是導(dǎo)致失分的主要原因。

前圍的吸能大小、前圍的抗變形能力以及周邊支撐的強(qiáng)度是影響前圍侵入量的主要因素，通過(guò)縱梁截面加大、增加前托架吸能結(jié)構(gòu)、縱梁材料增強(qiáng)、前圍加強(qiáng)、A柱加強(qiáng)板熱成型等措施[6]，有效提高車體的正面耐撞性能：在偏置碰仿真中，前圍侵入量、門框壓縮量減小約25%～30%，加速度峰值基本不變，在正碰仿真中，前圍侵入量略有優(yōu)化，加速度峰值和門框變形量基本不變。

乘客胸部主要受到安全帶和乘客安全氣囊的共同作用，乘客安全氣囊保護(hù)效果受到其支撐性、保護(hù)范圍以及與乘客接觸時(shí)刻的影響，同時(shí)發(fā)生器壓力、排氣孔大小、氣袋材料、體積、袋型、折疊方式、拉帶及點(diǎn)火時(shí)刻等是優(yōu)化保護(hù)效果的常用參數(shù)，本文選擇對(duì)乘客安全氣囊袋型、排氣孔直徑以及點(diǎn)火時(shí)刻進(jìn)行改善，優(yōu)化后的氣囊對(duì)乘客胸部起到了良好的支撐和緩沖，搭配減小安全帶限力值，顯著提升了約束系統(tǒng)對(duì)胸部的保護(hù)性能。

最后通過(guò)仿真計(jì)算可知，該車型的正面碰撞性能得到了有效的提升，優(yōu)化后胸部壓縮量明顯減小，正碰壓縮量由29.9mm減至24.5mm，偏置碰壓縮量由30.7mm減至23.1mm，偏置碰小腿壓縮力也明顯減小，由4.02KN減至2.4KN，均已接近高性能限值。同時(shí)通過(guò)實(shí)車碰撞結(jié)果驗(yàn)證了仿真模型的有效性及結(jié)論的正確性：通過(guò)胸部和腿部的優(yōu)化，傷害指標(biāo)顯著下降，正碰和偏置碰的得分均超過(guò)目標(biāo)，整車正面碰撞性能有效提升。

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