基于2018版C-NCAP的某車型側(cè)面碰撞性能分析與結(jié)構(gòu)優(yōu)化

羅培鋒 謝鋒 胡敏

廣州汽車集團(tuán)股份有限公司汽車工程研究院 廣東 廣州 511434

1 引言

整車側(cè)面碰撞性能作為被動(dòng)安全的重要部分，其在實(shí)際道路行駛中，汽車側(cè)面碰撞事故發(fā)生率僅次于正面碰撞事故[1-2]，因此側(cè)面碰撞的模擬和研究越來越受到相關(guān)研究機(jī)構(gòu)和消費(fèi)者的重視。為更精確的模擬實(shí)際交通事故中側(cè)面碰撞情況，以便更好的保護(hù)在側(cè)面碰撞事故中，車內(nèi)乘員安全，2018版C-NCAP中側(cè)碰工況對(duì)壁障和假人均進(jìn)行了調(diào)整[3]，對(duì)車身側(cè)面耐撞性能提出了更高的要求[4-7]。而汽車側(cè)面結(jié)構(gòu)是車身中較為薄弱的區(qū)域，合理設(shè)計(jì)和匹配側(cè)圍B柱、C柱以及門檻區(qū)域的強(qiáng)度和剛度是提升車身側(cè)面碰撞性能的關(guān)鍵[8-9]。

本文以2018版C-NCAP標(biāo)準(zhǔn)為基礎(chǔ)，首先建立了整車側(cè)面碰撞分析模型，對(duì)側(cè)面碰撞性能進(jìn)行了分析，根據(jù)分析結(jié)果對(duì)車身結(jié)構(gòu)進(jìn)行優(yōu)化，并對(duì)優(yōu)化后的模型進(jìn)行了整車碰撞仿真分析。優(yōu)化結(jié)果表明，在白車身重量增加很少的前提下，大大提升了整車側(cè)面碰撞性能。

2 整車側(cè)面碰撞結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

整車側(cè)面碰撞過程中，主要通過側(cè)圍（A柱、B柱、C柱、門檻梁）、前后門防撞梁傳遞給地板各橫梁和頂蓋各橫梁。車身在框架結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)過程中，考慮到側(cè)面碰撞性能，需通過接頭的合理設(shè)計(jì)、梁架的合理布置，形成一個(gè)籠式的封閉結(jié)構(gòu)，更好的抵抗和傳遞側(cè)面碰撞過程中的力，以達(dá)到側(cè)面碰撞過程中保護(hù)乘員的目的。

（1）2018版C-NCAP和2015版C-NCAP相比，對(duì)壁障和假人均做出了調(diào)整，本文主要考慮壁障的調(diào)整對(duì)車身結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的影響。側(cè)面碰撞規(guī)則主要變化點(diǎn)和對(duì)車身結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的影響分析如下：

（2）新壁障相比舊壁障，前端硬塊下表面離地間距抬高了50mm，壁障下表面的抬高會(huì)使壁障與門檻的重疊量減少甚至壁障下表面高出門檻上端高度。此調(diào)整對(duì)B柱的強(qiáng)度、B柱頂部與上邊梁的搭接以及前后門防撞梁的布置和強(qiáng)度均提出了更高的要求；

（3）新壁障相比舊壁障寬度增加了200mm，而新壁障的楔形設(shè)計(jì)卻使前端硬塊寬度由原來的1500mm 減小為1100mm。前端硬塊變小變窄，碰撞過程中將導(dǎo)致車身局部變形增大；

（4）壁障重量由950kg增加到1400kg。重量增加47%意味著碰撞能量相應(yīng)增加47%。對(duì)車身側(cè)面結(jié)構(gòu)要求更高；

（5）撞擊點(diǎn)位置相比2015版后移250mm。壁障后移對(duì)后門及車身C柱區(qū)域結(jié)構(gòu)強(qiáng)度要求更高。

3 整車側(cè)面碰撞結(jié)構(gòu)分析

基于整車3D數(shù)據(jù)，根據(jù)相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)和企業(yè)規(guī)范建立整車側(cè)面碰撞有限元模型，如圖3.1所示：

圖3.1 整車側(cè)面碰撞有限元模型

前后門和B柱測(cè)量關(guān)鍵點(diǎn)選?。喊鸭偃松现邢吕吖?、腹部和髖部分別向前車門上投影，得到B1～B5各點(diǎn)，見圖3.2；把假人上中肋骨、腹部和髖部分別向后車門上投影，得到B1～B4各點(diǎn)，見圖3.3；選取B柱中下部各關(guān)鍵點(diǎn)B1～B10（側(cè)碰過程中乘員易受傷害位置），見圖3.4。

圖3.2 前門關(guān)鍵點(diǎn)

圖3.3 后門關(guān)鍵點(diǎn)

圖3.4 B柱各關(guān)鍵點(diǎn)

在側(cè)面碰撞過程中，為減小碰撞對(duì)乘員的傷害，需盡量提高碰撞中乘員的生存空間。本文設(shè)定最小生存空間為200mm。

通過仿真分析，側(cè)面碰撞結(jié)果如下：B柱測(cè)量點(diǎn)最大速度9.2m/s（圖3.5）；B柱測(cè)量點(diǎn)最大動(dòng)態(tài)侵入量為272.6mm（圖3.6），最小生存空間為103.2，不滿足最小生存空間200mm的目標(biāo)要求；

圖3.5 B柱各關(guān)鍵點(diǎn)的侵入速度

圖3.6 B柱各關(guān)鍵點(diǎn)的侵入量

左前車門測(cè)量點(diǎn)最大速度12.6m/s（圖3.7）；左前門最大侵入量為312.6mm（圖3.8），最小生存空間為94.4，出現(xiàn)在假人盆骨對(duì)于的位置， 不滿足最小生存空間200mm的目標(biāo)要求；

圖3.7 左前門各關(guān)鍵點(diǎn)的侵入速度

圖3.8 左前門各關(guān)鍵點(diǎn)的侵入量

車身側(cè)面碰撞變形結(jié)果如圖3.9，B柱、門檻、前后門區(qū)域變形都比較大。

圖3.9 車身側(cè)面碰撞變形結(jié)果

4 整車側(cè)面碰撞性能優(yōu)化

4.1 原因分析

與正面碰撞不同，側(cè)面碰撞幾乎沒有緩沖空間，因此，必須通過優(yōu)化碰撞區(qū)域側(cè)面結(jié)構(gòu)，合理地控制側(cè)面侵入量，以保證假人的生存空間。從上節(jié)分析結(jié)果來看，侵入過大的原因?yàn)锽柱強(qiáng)度不足、門檻抗翻轉(zhuǎn)能力較弱、后門與C柱下端區(qū)域重疊量不足、前后門防撞梁布置不合理等；

另外對(duì)比2015版、2018版C-NCAP發(fā)現(xiàn)車身門檻區(qū)域變形模式由壓潰變形變成翻轉(zhuǎn)變形。在2015版規(guī)則中，壁障與車身門檻有一定的重疊量，碰撞過程中，門檻會(huì)受到較大的Y向碰撞力F和比較小的翻轉(zhuǎn)力矩M（圖4.1），此時(shí)門檻由于受到的翻轉(zhuǎn)力矩較小，其變形模式主要為碰撞力F引起的壓潰變形。

圖4.1 2015版壁障高度的門檻變形模式示意

而在2018版規(guī)則中，壁障已高出門檻區(qū)域，碰撞過程中，門檻會(huì)受到較小的Y向碰撞力F和較大的翻轉(zhuǎn)力矩M（圖3.11），此時(shí)門檻由于受到的翻轉(zhuǎn)力矩較大，其變形模式主要為力矩M引起的翻轉(zhuǎn)變形。

圖4.2 2018版壁障高度的門檻變形模式示意

4.2 優(yōu)化方案

根據(jù)上節(jié)碰撞分析結(jié)果和侵入量過大原因分析，主要對(duì)以下幾個(gè)方面進(jìn)行結(jié)構(gòu)優(yōu)化：

優(yōu)化前門防撞板的位置；

圖4.3 前門防撞板布置優(yōu)化

門檻加強(qiáng)板材料提升為熱成型；

取消B柱內(nèi)部補(bǔ)丁板，將B柱加強(qiáng)板厚度由1.4mm改為1.8mm，B柱內(nèi)板材料強(qiáng)度等級(jí)降低;

后門檻底部支撐橫梁增加橫向加強(qiáng)筋，并在橫梁內(nèi)部增加加強(qiáng)板;

圖4.4 后門檻底部支撐橫梁優(yōu)化（左圖：優(yōu)化前/右圖：優(yōu)化后）

取消門檻加強(qiáng)板內(nèi)部三個(gè)碰撞盒，增加重新設(shè)計(jì)的加強(qiáng)襯板；

圖4.5 門檻內(nèi)加強(qiáng)板結(jié)構(gòu)優(yōu)化（上圖：優(yōu)化前/下圖：優(yōu)化后）

C柱加強(qiáng)板結(jié)構(gòu)光順，增加后門防撞梁與C柱重疊量。

門檻加強(qiáng)板后段加長(zhǎng)向上延伸。

圖4.6 門檻加強(qiáng)板后段結(jié)構(gòu)優(yōu)化（左圖：優(yōu)化前/右圖：優(yōu)化后）

4.3 優(yōu)化分析結(jié)果

對(duì)優(yōu)化后的方案重新進(jìn)行側(cè)面碰撞仿真分析，分析結(jié)果如下：

B柱各測(cè)量點(diǎn)最大侵入速度、最大侵入量如圖4.7、圖4.8所示。最大侵入速度測(cè)點(diǎn)位于B柱骨盆位置(B8)，大小為7.8m/s；而最大侵入量測(cè)點(diǎn)位于假人腹部位置(B7)，其大小為169mm；生存空間均大于200mm，且最小生存空間206.8mm。

圖4.7 優(yōu)化后的B柱各關(guān)鍵點(diǎn)的侵入速度

圖4.8 優(yōu)化后的B柱各關(guān)鍵點(diǎn)的侵入量

前門各測(cè)量點(diǎn)最大侵入速度、最大侵入量如圖4.9、圖4.10所示。最大侵入速度位于假人腹部（B4）位置7.70m/s；最大侵入量位于假人盆骨（B5）位置，其大小分別為207mm，最小生存空間為200mm 。

圖4.9 優(yōu)化后的前門各關(guān)鍵點(diǎn)的侵入速度

圖4.10 優(yōu)化后的前門各關(guān)鍵點(diǎn)的侵入量

后門各測(cè)量點(diǎn)最大侵入速度、最大侵入量如圖4.11、圖4.12所示。最大侵入速度測(cè)量點(diǎn)均位于假人中肋骨（B2）位置，其大小分別為8.9m/s ；最大侵入量測(cè)量點(diǎn)均位于假人盆骨（B4）位置，其大小分別為184mm，生存空間均大于200mm，最小生存空間為209mm 。

圖4.11 優(yōu)化后的后門各關(guān)鍵點(diǎn)的侵入速度

圖4.12 優(yōu)化后的后門各關(guān)鍵點(diǎn)的侵入量

優(yōu)化前后白車身重量總體變化如圖4.13所示，其中紅色重量增加件，綠色為重量減輕件。其中：增加量為10.5kg，減重量為9.6kg，總體變化為增加0.9kg。

圖4.13 車身優(yōu)化前后零件變化示意

優(yōu)化前后結(jié)果對(duì)比分析顯示，通過對(duì)側(cè)碰過程中白車身變形模式、受力特點(diǎn)分析，采用合理的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)和材料選擇。在白車身重量適當(dāng)減重的前提下，其側(cè)碰性能得到了顯著的提高。其優(yōu)化后的B柱區(qū)域最小生存空間提高了約100%，前門區(qū)域最小生存空間提高了約112%。

5 總結(jié)

本文中分析的車型為企業(yè)第一款對(duì)應(yīng)2018版C-NCAP的MPV車型，從優(yōu)化前的結(jié)果可以看出，其B柱、前門侵入量非常大，導(dǎo)致最小生存空間嚴(yán)重不足。分析其原因?yàn)閷?duì)2018版C-NCAP的改變引起車身結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的變化研究不足。而MPV車型重心和門檻位置較低，進(jìn)一步增加了車身結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中的難度。

通過本文分析可以得出規(guī)則的變化，對(duì)車身結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)提出了更新、更高的要求。本文通過詳細(xì)分析規(guī)則的變化對(duì)車身結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的影響，以及對(duì)白車身門檻加強(qiáng)結(jié)構(gòu)的重新設(shè)計(jì)，B柱、C柱結(jié)構(gòu)強(qiáng)度的重新匹配以及前后門防撞梁的優(yōu)化布置，在白車身重量增加很少的前提下，大大提升了整車側(cè)面碰撞性能。在后續(xù)的整車碰撞試驗(yàn)中，側(cè)面碰撞性能得到滿分，對(duì)后續(xù)車型的開發(fā)提供了重要的指導(dǎo)意義。