基于輕量化和側(cè)碰安全性約束下的前門防撞桿結(jié)構(gòu)優(yōu)化

摘要：針對(duì)車輛駕駛員側(cè)車門，采用有限元仿真技術(shù)對(duì)其初始設(shè)計(jì)的圓管式防撞梁結(jié)構(gòu)進(jìn)行研究和結(jié)構(gòu)優(yōu)化，研究其輕量化和對(duì)碰撞安全性的影響。結(jié)果表明，“M”形截面的前門防撞梁在側(cè)面碰撞中抗彎性和抵御侵入的能力最優(yōu)，其中部位置最大侵入量比初始方案減少了40mm，侵入量減少達(dá)27.4%，且單件減重5.5%，一定程度上達(dá)到了輕量化的目的，為這類防撞梁結(jié)構(gòu)在側(cè)碰安全和輕量化設(shè)計(jì)中的應(yīng)用提供了參考。

關(guān)鍵詞：側(cè)面碰撞;C-NCAP;AE-MDB;汽車輕量化;仿真分析

中圖分類號(hào)：U463.82

文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A

0 引言

據(jù)公安部統(tǒng)計(jì)，截止2018年底全國機(jī)動(dòng)車保有量已達(dá)3.27億輛，其中汽車2.40億輛，小型載客汽車首次突破兩億輛[1]。伴隨著國內(nèi)宏觀經(jīng)濟(jì)形勢(shì)進(jìn)入經(jīng)濟(jì)發(fā)展“新常態(tài)”，以及正承擔(dān)家庭重任的80后和90后成為汽車消費(fèi)市場(chǎng)的主力，家用型轎車正處于家庭購置車輛的高峰階段。其中，汽車的油耗、安全性是消費(fèi)者普遍關(guān)注的焦點(diǎn)。

單純加強(qiáng)駕駛員艙結(jié)構(gòu)，增加主動(dòng)安全配置，改善汽車安全性能的同時(shí)，也帶來整車質(zhì)量增加，繼而導(dǎo)致整車成本和油耗增加。為了解決該問題，汽車輕量化技術(shù)應(yīng)運(yùn)而生。汽車的輕量化，就是在保證汽車的強(qiáng)度和安全性能的前提下，盡可能地降低汽車的整備質(zhì)量，從而提高汽車的動(dòng)力性，降低成本、整車油耗和排氣污染[2]。其中，汽車碰撞安全性作為重要的考察指標(biāo)，需要在輕量化設(shè)計(jì)前期充分開展仿真分析。

上汽集團(tuán)趙娣、陳曉磊等[3]，用熱成型高強(qiáng)度鋼板對(duì)車輛B柱進(jìn)行輕量化設(shè)計(jì)，優(yōu)化后的側(cè)碰和柱碰整體侵入量均有改善，B柱中下部的侵入量明顯減小;在滿足側(cè)碰結(jié)構(gòu)強(qiáng)度的同時(shí)，B柱單側(cè)減重24.0%，輕量化效果顯著。

邱瑞斌等以某轎車側(cè)面碰撞為實(shí)例，建立了確定性優(yōu)化模型以及代理模型后，采用序列二次規(guī)劃算法求得了最優(yōu)解并進(jìn)行可靠性分析，最后采用6σ穩(wěn)健性設(shè)計(jì)方法對(duì)原車身B柱進(jìn)行了輕量化研究和改進(jìn)，并與確定性優(yōu)化結(jié)果以及原車身B柱進(jìn)行了對(duì)比分析。結(jié)果表明，優(yōu)化后的轎車車身B柱碰撞工況下性能穩(wěn)健性得到全面的提高，且質(zhì)量相比于原車身B柱減小了3.2%。

大連理工大學(xué)胡平、于宏元等[4]，通過數(shù)值模擬分析優(yōu)化了適合車身結(jié)構(gòu)的高強(qiáng)度熱成型零件，用1.6mm的熱成型防撞梁替換原2.5mm普通高強(qiáng)度鋼防撞梁，側(cè)碰車體變形顯著減小，整車減重近0.3%。

北汽集團(tuán)的王元博[5]針對(duì)某車型側(cè)碰安全性能采用了不同的方案進(jìn)行了CAE優(yōu)化，結(jié)果表明：與使用普通高強(qiáng)鋼相比，熱成型超高強(qiáng)鋼的方案能夠明顯降低側(cè)碰侵入量，且達(dá)到了輕量化設(shè)計(jì)的目標(biāo)。另外進(jìn)行結(jié)構(gòu)加強(qiáng)時(shí)，要注意結(jié)構(gòu)間剛度的配合，以達(dá)到提升整體碰撞安全性能的目的。

吉林大學(xué)的莊蔚敏[6]等，將AA7075材料用于B柱內(nèi)板和加強(qiáng)板，并對(duì)其結(jié)構(gòu)和板材料厚進(jìn)行了優(yōu)化，結(jié)果表明：將B柱內(nèi)板及加強(qiáng)板材料從SAPH400RS替換為AA7075，車輛側(cè)碰在IIHS標(biāo)準(zhǔn)得到“優(yōu)秀”評(píng)價(jià)。包括內(nèi)板和加強(qiáng)板在內(nèi)的B柱板件總質(zhì)量減輕約60%，輕量化效果明顯。

以上的研究人員，主要針對(duì)MDB壁障對(duì)車輛的側(cè)碰安全性能和輕量化進(jìn)行研究和優(yōu)化。2018版C-NCAP側(cè)面碰撞中使用的AE-MDB新型壁障，相對(duì)于MDB進(jìn)行了加大、加高、加強(qiáng)和加重[7]。側(cè)面碰撞時(shí)，AE-MDB新型壁障與側(cè)門檻梁的接觸面積較老版MDB壁障減小，導(dǎo)致門檻梁分擔(dān)撞擊能力降低明顯。車輛在側(cè)面碰撞時(shí)，車門抗側(cè)撞梁和B柱將側(cè)向撞擊力分流給側(cè)圍框架。側(cè)向撞擊力傳遞的路徑主要由車門向車門內(nèi)部的抗側(cè)撞梁傳遞，前門受到的側(cè)向撞擊力將主要被傳遞到鉸鏈柱和B柱，防撞梁作為第一傳遞路徑，其結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)合理性對(duì)能量的傳遞有重要影響。所以輕量化方案中針對(duì)車門防撞梁、B柱等防撞結(jié)構(gòu)的方案，需重點(diǎn)驗(yàn)算校核。

本文針對(duì)某車型在AE-MDB（圖1）新型壁障的表現(xiàn)進(jìn)行研究，分析該車型在新壁障測(cè)試條件下前門防撞梁變形及假人傷害造成的影響。同時(shí)，針對(duì)初始圓管式防撞梁提出相應(yīng)的優(yōu)化方案。并以截面結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)作為變量，對(duì)比分析防撞梁的截面對(duì)側(cè)面碰撞梁的侵入量和乘員傷害值的影響，為后續(xù)車型設(shè)計(jì)開發(fā)提供相應(yīng)參考。

1 AE-MDB與MDB差異

2018版C-NCAP側(cè)碰壁障較2015版向后增加350.0mm，離地高度增加50.0mm，臺(tái)車質(zhì)量增加450.00kg（表1）。側(cè)碰移動(dòng)壁障撞擊的能量增加，撞擊車身的高度提高，側(cè)面碰撞時(shí)臺(tái)車撞擊到側(cè)門檻梁的接觸面積減小，門檻梁承載撞擊載荷能力明顯降低，且新版C-NCAP側(cè)碰采用WorldSID假人[7-8]。

2 仿真分析

本文分析車型為一款SUV傳統(tǒng)車，輪距1500.0mm，軸距2850.0mm。該車型早期開發(fā)標(biāo)準(zhǔn)為2015版C-NCAP法規(guī)技術(shù)儲(chǔ)備，根據(jù)2018版現(xiàn)行法規(guī)的側(cè)面碰撞技術(shù)要求調(diào)整提升，對(duì)側(cè)面車門結(jié)構(gòu)的管式防撞梁進(jìn)行法規(guī)符合度分析及優(yōu)化。

本文主要根據(jù)C-NCAP2018版法規(guī)側(cè)面碰撞安全的要求，對(duì)初始設(shè)計(jì)方案的圓管型車門防撞梁進(jìn)行截面結(jié)構(gòu)優(yōu)化，在保障側(cè)碰剛強(qiáng)的同時(shí)考慮輕量化，得到2種優(yōu)化后的車門防撞梁方案。將2種優(yōu)化方案同初始設(shè)計(jì)方案對(duì)比，分析車門防撞梁結(jié)構(gòu)因素對(duì)汽車側(cè)碰侵入量和假人傷害的影響，以降低車身側(cè)面侵入量和乘員傷害，為后續(xù)車型的設(shè)計(jì)開發(fā)提供相應(yīng)參考。

2.1 “防撞梁方案

本文以車輛駕駛員側(cè)車門防撞桿結(jié)構(gòu)為主體優(yōu)化對(duì)象，防撞梁結(jié)構(gòu)材料牌號(hào)目前已由普通高強(qiáng)鋼材逐漸替換為超高強(qiáng)度PHS鋼材料，材料變化帶來的輕量化、低成本效應(yīng)，為越來越多汽車整車廠商采用實(shí)施。

初始設(shè)計(jì)方案及優(yōu)化后的2種防撞梁技術(shù)方案均使用PHS1800型鋼材，其屈服極限可達(dá)到1800MPa，材料的延伸率7.0%，較其他熱成型材料的強(qiáng)度更高、韌性更好。

如表2所示，方案1為初始設(shè)計(jì)方案，防撞梁為金屬管體，截面為圓形，結(jié)構(gòu)管徑28.0mm，壁厚2.0mm，兩端匹配安裝板。方案2為優(yōu)化后截面為“幾”字型的防撞梁，沖壓件，整體Z向尺寸123.0mm，截面深度26.0mm，板厚1.5mm。方案3為優(yōu)化后截面為“M”型的防撞梁，沖壓件，整體Z向尺寸123.0mm，截面深度14.0mm，板厚1.5mm。

本文采用的3種防撞梁技術(shù)方案遵循的基本原則是通過截面形貌優(yōu)化，以截面結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)作為變量，對(duì)比分析側(cè)面碰撞側(cè)面乘員傷害值，得到防撞梁最優(yōu)設(shè)計(jì)方案。2.2 模型搭建

本文在滿足車體側(cè)面結(jié)構(gòu)防撞性能前提下，考慮防撞梁輕量化設(shè)計(jì)，對(duì)車門內(nèi)外板、B柱及防撞梁等結(jié)構(gòu)進(jìn)行網(wǎng)格細(xì)化和調(diào)整。側(cè)門防撞梁結(jié)構(gòu)采用殼單元模擬，尺寸為6.0mm×6.0mm;而整車分析模型由BIW、底盤、閉合件、動(dòng)力電池、動(dòng)力總成及座椅等組成，網(wǎng)格基本尺寸為8.0mm×8.0mm。分析質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)控制最小網(wǎng)格尺寸5.0mm，網(wǎng)格最大翹曲角度15°，最小雅克比0.55。整車分析模型節(jié)點(diǎn)數(shù)量1897699個(gè)，單元數(shù)量1914455個(gè)。車輛模型連接模擬實(shí)際CAD數(shù)據(jù)中的連接形式，如懸架結(jié)

構(gòu)采用柱鉸、阻尼以及彈簧3種連接形式模擬;發(fā)動(dòng)機(jī)懸置、副車架襯套等單元采用柔性BEAM模擬。焊點(diǎn)采用BEAM單元模擬，包括電焊、二保焊接以及粘膠方式連接。本文采用可變形焊點(diǎn)通過TYPE9BEAM單元來模擬，該模擬方法可根據(jù)焊點(diǎn)材料的特性來判斷點(diǎn)焊失效，使模擬更真實(shí)。

2.3 模型驗(yàn)證

仿真分析對(duì)計(jì)算過程的能量控制基本原則：總質(zhì)量增加小于5.0%，總沙漏能小于5.0%，檢查各部件之間的連接、接觸關(guān)系是否定義正確，檢查模型的完整性[9]。檢查數(shù)值輸出的穩(wěn)定性，確保仿真分析結(jié)果的準(zhǔn)確性;本文計(jì)算結(jié)果見圖2及表3。

由圖2及表3可知，模型總質(zhì)量縮放計(jì)算僅增加0.09kg，計(jì)算結(jié)束狀態(tài)增加百分比小于5.0%，模型計(jì)算結(jié)果準(zhǔn)確。

3 仿真及結(jié)果分析

AE-MDB移動(dòng)變形壁障模型以50km/h的速度與整車模型垂直碰撞，分析計(jì)算完畢后，結(jié)合側(cè)氣囊布置位置，輸出車門防撞梁布置位置Y向相對(duì)位移量，將2個(gè)優(yōu)化方案的侵入量和假人傷害值與初始方案分析結(jié)果進(jìn)行對(duì)比。

針對(duì)2018版C-NCAP側(cè)碰法規(guī)檢驗(yàn)標(biāo)準(zhǔn)，考察前門防撞梁的變形量和侵入值。側(cè)面碰撞發(fā)生時(shí)，防撞梁結(jié)構(gòu)本體首先受到撞擊，主要發(fā)生Y向壓縮變形。側(cè)碰仿真的前門防撞梁變形情況如圖3所示，駕駛位前門防撞梁相對(duì)距離的變化值如表4所示。

由圖3和表4可知，前門防撞梁中部侵入量較大，結(jié)構(gòu)呈現(xiàn)內(nèi)凹形式變形。初始設(shè)計(jì)方案1中，圓管式防撞梁中部侵入量過大，不滿足設(shè)定目標(biāo)。方案2的“幾”字型防撞梁侵入量較方案1有所改善，但中部侵入量值仍然略微超出目標(biāo)值。方案3的“M”型防撞梁抵抗壁障侵入能力較好，中部侵入量只有106.2mm，較初始方案1減少了40.0mm，侵入量減少27.4%，能夠有效抵御外部侵入，為乘員提供足夠的生存空間。

3種前門防撞梁中部位置侵入量隨時(shí)間的動(dòng)態(tài)變化過程如圖4所示。由圖4可知，3種防撞梁在AE-MDB新型壁障沖擊下，梁中部變形侵入情況類似：0時(shí)刻車輛靜止，同時(shí)壁障以50km/h的時(shí)速開始接觸車輛側(cè)圍;3ms后前門外側(cè)金屬蒙皮被壓潰至防撞梁，防撞梁開始變形侵入駕駛艙。方案1的圓管式防撞梁和方案3的“M”型防撞梁，在3～11ms階段內(nèi)侵入量曲線斜率較方案2的“幾”字型防撞梁較小，表明“幾”字型截面的防撞梁抗彎性能較弱。方案1的圓管式防撞梁該階段的變形量小于7.0mm，方案3的“M”型防撞梁該階段的變形量小于5.0mm。方案1和方案3在側(cè)碰前期能夠較好地抵御壁障侵入，給乘員提供充足的生存空間。在11～58ms，方案1和方案3防撞梁侵入量呈近似線性增加，表明方案1和方案3在該階段近乎按照勻速侵入駕駛艙。在3～58ms的方案2防撞梁侵入量呈近似線性增加，在該階段近乎按照勻速侵入駕駛艙。

在58ms左右，AE-MDB新型壁障與車輛速度達(dá)到一致，3種防撞梁侵入量均達(dá)到最大。58ms之后壁障與車輛分離，防撞梁發(fā)生回彈。58～115ms內(nèi)，3種防撞梁的侵入量均呈線性減小。120ms左右，3種防撞梁變形量不再發(fā)生變化，方案1侵入量約80.0mm，方案2侵入量約83.0mm，方案3侵入量約40.0mm。

對(duì)比上述3種前門防撞梁方案的仿真過程和結(jié)果可知：在本文研究范圍內(nèi)，方案1的圓管式防撞梁結(jié)構(gòu)抗彎性最差，方案3的“M”型防撞梁結(jié)構(gòu)抗彎性最優(yōu)。側(cè)碰發(fā)生后，“M”型截面防撞桿方案的前門變形量比其他2種方案小?！癕”型防撞梁中部最大侵入量比初始方案減少了40.0mm，能夠?yàn)槌藛T提供較大的生存空間，防止側(cè)圍硬物侵入量過大，造成人員傷亡。

對(duì)側(cè)面吸能影響最大的，是梁的折彎處結(jié)構(gòu)強(qiáng)度能否足以承受梁的壓縮變形。另外，梁的兩端弱化和腹板處弱化要合理匹配，能夠較好地誘導(dǎo)防撞梁發(fā)生壓縮變形，從而提升防撞梁的整體吸能水平。

3種防撞梁方案在車輛側(cè)碰過程中假人的情況如圖5所示。其中，假人考察位置的傷害值如表5所示。由圖5可知，假人上、中、下三根肋骨均未與車門結(jié)構(gòu)發(fā)生硬接觸，且與車門側(cè)氣囊接觸良好

方案3中側(cè)門變形最小，且由表5可知，方案3的“M”型防撞梁對(duì)應(yīng)的假人傷害值在本文探討的3個(gè)方案中最小，側(cè)碰C-NCAP評(píng)分最高。

由上述分析可知，方案3的“M”型防撞梁結(jié)構(gòu)抗彎性、側(cè)碰侵入量及假人傷害值在本文研究范圍內(nèi)最優(yōu)，且結(jié)合表2可知，壁厚減小0.6mm，較初始方案減重約5.5%，在保證側(cè)碰安全的基礎(chǔ)上達(dá)到了輕量化的設(shè)計(jì)要求。

4 結(jié)論

汽車前門防撞梁的截面對(duì)側(cè)碰侵入量有影響，“M”型截面能夠較好地加強(qiáng)防撞梁的強(qiáng)度，提高其抗彎性?！癕”型防撞梁中部最大侵入量比初始方案減少了40.0mm，侵入量減少達(dá)27.4%，減小了側(cè)碰局部侵入量和假人傷害值，以達(dá)到2018版C-NCAP側(cè)碰的測(cè)評(píng)要求?！癕”型截面在保證碰撞強(qiáng)度的同時(shí)，防撞梁的壁厚小，單件減重約5.5%，一定程度上減輕了車身重量，滿足車身輕量化的設(shè)計(jì)目標(biāo)。

【參考文獻(xiàn)】

[1]http：//www.mps.gov.cn/n2254098/n4904352/c6354939/content.html

[2]邱瑞斌，陳園，雷飛，等.基于6σ穩(wěn)健設(shè)計(jì)的轎車側(cè)碰車身B柱輕量化研究[J].機(jī)械強(qiáng)度，2016，38（03）：502-508.

[3]趙娣，陳曉磊.汽車B柱輕量化設(shè)計(jì)及碰撞分析[J].上海汽車，2014（01）：25-27.

[4]胡平，于宏元，盈亮，等.基于側(cè)面碰撞的熱成型高強(qiáng)度零件開發(fā)[J].汽車技術(shù)，2013（01）：57-61.

[5]王元博.某車型側(cè)碰的仿真優(yōu)化研究[A].第七屆中國CAE工程分析技術(shù)年會(huì)暨2011全國計(jì)算機(jī)輔助工程（CAE）技術(shù)與應(yīng)用高級(jí)研討會(huì)論文集[C].中國力學(xué)學(xué)會(huì)，2011：5.

[6]莊蔚敏，胡哲，梁莉莉.基于側(cè)碰抗撞性的AA7075B柱輕量化設(shè)計(jì)[J].汽車技術(shù)，2016（10）：1-6.

[7]中國汽車技術(shù)研究中心.C-NCAP管理規(guī)則，2018.

[8]中國汽車技術(shù)研究中心.C-NCAP管理規(guī)則，2015.

[9]王倩.白車身側(cè)碰安全件性能分析與輕量化設(shè)計(jì)[D].吉林大學(xué)，2017.