某款SUV 小重疊偏置碰撞結(jié)構(gòu)耐撞性研究

徐作文，賈新建，洪求才，顏先華

（眾泰汽車工程研究院，杭州 310016）

2017 年末，全國(guó)民用汽車保有量24 028 萬輛，發(fā)生交通事故212 846 起，共造成63 093 人死亡，帶來直接經(jīng)濟(jì)損失121 000 萬元[1]。

相關(guān)研究表明，正面碰撞發(fā)生頻次在交通事故中最高，其中致死率最高的正面碰撞為小重疊偏置碰撞（碰撞時(shí)車和障礙物的重疊率不大于30%），約占所有正面碰撞致死事故的25%。

2012 年，美國(guó)公路安全保險(xiǎn)協(xié)會(huì)（Insurance Institute for Highway Safety，IIHS）發(fā)布正面25%小重疊偏置碰撞評(píng)級(jí)測(cè)試規(guī)范。同年，該組織公布了11款車型的測(cè)試結(jié)果，其中兩款車獲得“差”評(píng)級(jí)，僅有兩款車獲得“好”評(píng)級(jí)。在評(píng)價(jià)規(guī)程的推動(dòng)下，近年來國(guó)外主機(jī)廠和研究機(jī)構(gòu)越來越重視對(duì)小重疊偏置碰撞的研發(fā)，研究了車身和懸架系統(tǒng)的設(shè)計(jì)對(duì)小重疊偏置碰撞的影響，并多用于實(shí)車開發(fā)中[2-4]，相關(guān)性能表現(xiàn)提升明顯。截至2018 年底，有30 款車和27 款車分別獲得IIHS 2019 TOP SAFETY PICK+和IIHS TOP SAFETY PICK 評(píng)級(jí)稱號(hào)[5]。

國(guó)內(nèi)最近幾年對(duì)小重疊偏置碰撞的研究逐漸增多，多采用CAE 仿真模型進(jìn)行研究[6]，在實(shí)際車型開發(fā)中應(yīng)用還相對(duì)較少[7]。

本文針對(duì)某SUV 在試驗(yàn)中獲得“較差”評(píng)價(jià)，通過理論、有限元和試驗(yàn)相結(jié)合的方式對(duì)該車型進(jìn)行改進(jìn)，研究結(jié)果用于提升該車型的性能。

1 小重疊偏置碰撞機(jī)理

IIHS 研究表明乘員艙結(jié)構(gòu)完整性對(duì)整體等級(jí)的評(píng)價(jià)起著決定作用[8]，本文重點(diǎn)探討結(jié)構(gòu)耐撞性的機(jī)理以及研究改進(jìn)工作。

1.1 理論分析

1.1.1 載荷傳遞

在小重疊偏置碰撞中，由于車輛與剛性碰撞壁障的重疊量小，碰撞接觸位置在機(jī)艙縱梁的外側(cè)，碰撞過程中的吸能盒與前縱梁難以產(chǎn)生軸向壓潰，不能充分吸收碰撞能量。碰撞的載荷有兩條傳遞路徑，如圖1 所示：（1）shotgun-A 柱傳遞路徑。（2）前輪胎-A 柱以及前圍板-門檻傳遞路徑。

1.1.2 能量傳遞

碰撞發(fā)生后，車輛的前艙、乘員艙以及底盤會(huì)發(fā)生變形從而吸收能量，同時(shí)車輛還會(huì)繼續(xù)運(yùn)動(dòng)，能量傳遞公式為[9]：

式中：E0、v0、m分別為車輛的初始動(dòng)能、初始速度和質(zhì)量；E1、E2、E3分別為前艙變形、乘員艙變 形和底盤變形所吸收的能量；v1為碰撞后車輛的殘余速度。

1.2 實(shí)車碰撞情況

1.2.1 變形情況

某款SUV 在做小重疊偏置碰撞試驗(yàn)時(shí)，左側(cè)輪胎失效脫落，左前側(cè)變形嚴(yán)重，門框有所變形，整體情況如圖2 所示。

圖2 車輛整體變形

就局部變形而言，左側(cè)前車門微微拱起，A 柱明顯折彎；A 柱上邊梁位置出現(xiàn)折彎；A 柱下部和門檻被明顯壓潰。

圖3 車輛局部變形

原理分析：試驗(yàn)過程中，前縱梁基本未參與碰撞變形，左側(cè)前縱梁與前輪罩連接件脫落；左側(cè)shotgun（前輪罩上邊梁/前指梁）部位壓潰，具體如圖4 所示。

圖4 主要傳力路徑變形情況

小重疊偏置碰撞試驗(yàn)中，因?yàn)樽矒舻牧Χ确浅４?，底盤中的不少部件自身與其它件之間發(fā)生連接失效：左側(cè)輪胎發(fā)生脫落，輪轂有部分破裂，左側(cè)前輪轉(zhuǎn)向節(jié)與懸架安裝位置處斷裂，如圖5a 所示；傳動(dòng)半軸脫落，如圖5b 所示；轉(zhuǎn)向橫拉桿斷裂，如圖5c 所示；副車架下擺臂與轉(zhuǎn)向節(jié)脫落，如圖5d 所示。

圖5 底盤主要失效區(qū)域

1.2.2 結(jié)構(gòu)評(píng)級(jí)

根據(jù)IIHS 規(guī)程，對(duì)監(jiān)測(cè)點(diǎn)進(jìn)行測(cè)量，所得結(jié)果見表1。

表1 侵入量分析結(jié)果 cm

根據(jù)表1 繪制侵入量評(píng)級(jí)圖，如圖6 所示，乘員艙下部評(píng)級(jí)結(jié)果為一般（M），乘員艙上部評(píng)級(jí)結(jié)果為較差（P），車輛結(jié)構(gòu)評(píng)級(jí)為較差（P）。

圖6 初始試驗(yàn)乘員艙侵入量等級(jí)評(píng)定

2 有限元模型建立與標(biāo)定

2.1 建立有限元模型

根據(jù)IIHS 規(guī)程的碰撞分析工況，建立有限元分析模型。本文采用Hypermesh 軟件建立整車碰撞分析模型，如圖7 所示。該模型由某SUV 模型、剛性壁障以及剛性地面組成。整車質(zhì)量為1 542 kg，模型的單元數(shù)為2 143 748 個(gè)，節(jié)點(diǎn)數(shù)為2 203 357 個(gè)。

通常，在小重疊碰撞過程中，底盤零件在巨大的沖擊載荷作用下，會(huì)發(fā)生大變形和斷裂，各零件連接會(huì)在沖擊力的作用下發(fā)生脫落，如圖8 所示。中為3 向主應(yīng)力。

圖7 25%小重疊偏置碰撞仿真分析模型

圖8 底盤失效形式

整車帶動(dòng)車輪與剛性壁障發(fā)生直接碰撞接觸，在壁障的正向沖擊作用下，輪轂受到向后的撞擊力，并與A 柱和門檻梁前端等零件發(fā)生碰撞，輪轂受到強(qiáng)大的擠壓力而發(fā)生劇烈形變。輪胎受到的碰撞力傳遞到下擺臂上時(shí)，下擺臂受到沿車身運(yùn)動(dòng)方向相反的碰撞力，在碰撞過程中發(fā)生大變形的彎折甚至是斷裂。

在小重疊偏置碰撞中，針對(duì)底盤和車身結(jié)構(gòu)中的零件斷裂和失效，在計(jì)算模型中設(shè)置材料和連接位置力失效。

材料失效模型采用最大塑性應(yīng)變失效，單元等效塑性應(yīng)變失效準(zhǔn)則，采用V-M 失效準(zhǔn)則，式（2）

當(dāng)定義平均等效塑性應(yīng)變達(dá)到某臨界值時(shí)，該單元會(huì)因失去承載能力而被破壞，該臨界值稱為單元失效塑性應(yīng)變（EPPF），如圖9 所示。

圖9 主應(yīng)力方向

在材料模型中設(shè)置EPPF 值，在計(jì)算中當(dāng)單元的應(yīng)變值達(dá)到該設(shè)置值時(shí)，相應(yīng)的單元被刪除，并釋放周圍相關(guān)節(jié)點(diǎn)的自由度，以模擬裂紋的擴(kuò)展從而實(shí)現(xiàn)材料的失效。材料模型設(shè)置如圖10 所示。

圖10 材料模型設(shè)置

在小重疊偏置碰撞中，針對(duì)底盤和車身結(jié)構(gòu)中的零件斷裂和失效，在計(jì)算模型中設(shè)置材料和連接位置的失效，設(shè)置失效的點(diǎn)如圖11 和表2 所示。

圖11 底盤失效位置

表2 底盤失效設(shè)置

2.2 模型標(biāo)定

2.2.1 變形

從仿真和試驗(yàn)結(jié)果圖片來看，車輛的整體變形比較一致，具體如圖12 和圖13 所示。

圖12 50 ms 整體變形

圖13 100 ms 整體變形

仿真與試驗(yàn)中的A 柱、上邊梁和前側(cè)門框的碰撞變形位置基本一致，局部變形模式相同，如圖14 ～16 所示。

圖14 A 柱局部變形

圖15 上邊梁變形

圖16 前側(cè)門框變形

2.2.2 侵入量

碰撞測(cè)量點(diǎn)如圖17 所示，該車沒有駐車制動(dòng)踏板結(jié)構(gòu)，所以測(cè)點(diǎn)未測(cè)量。

車體結(jié)構(gòu)測(cè)點(diǎn)變形結(jié)果見表3，可以看出仿真值與試驗(yàn)結(jié)果趨勢(shì)基本一致。

圖17 碰撞測(cè)量點(diǎn)

表3 試驗(yàn)和分析侵入量結(jié)果 cm

圖18為試驗(yàn)和仿真侵入量等級(jí)評(píng)價(jià)，由圖可知，仿真與試驗(yàn)值整體變化趨勢(shì)一致，絕大部分測(cè)點(diǎn)值均在同一評(píng)價(jià)區(qū)間中。由于塑料件建模細(xì)化程度及材料力學(xué)特性原因，上儀表板與左下儀表板差異略大，但在同一評(píng)價(jià)等級(jí)，可以接受。

圖18 試驗(yàn)和仿真侵入量等級(jí)評(píng)價(jià)

綜上所述，仿真和試驗(yàn)的結(jié)果比較吻合，仿真分析模型具備較高的可信度。

3 分析與改進(jìn)

3.1 數(shù)學(xué)模型

根據(jù)能量守恒定律，碰撞過程中車輛的初始速度轉(zhuǎn)化為汽車前艙、乘員艙以及底盤等通過變形所吸收的能量和車輛的殘余動(dòng)能，式（1）中的頭三項(xiàng)可以表達(dá)為：

第四項(xiàng)為：

式中：vx，vy分別為碰撞后x與y方向的殘余速度；k1、k2和k3分別為車輛前艙、乘員艙以及底盤的縱向等效剛度；ΔS1為前艙吸收部件軸向變形量；ΔS2為乘員艙吸收部件軸向變形量；ΔS3為底盤吸收部件等效軸向變形量。

根據(jù)IIHS 的研究表明，乘員艙的侵入較大是造成IIHS 評(píng)級(jí)較差的主要原因[10]。因此，要最大限度保證乘員艙不變形是設(shè)計(jì)改進(jìn)的主要方向。要考慮增大前艙變形量、底盤變形量，載荷盡可能被兩者吸收，同時(shí)產(chǎn)生側(cè)向位移和側(cè)向加速度。

3.2 原因分析

根據(jù)小重疊偏置碰撞的特點(diǎn)和傳力路徑，將車身結(jié)構(gòu)從前到后分為3 個(gè)碰撞區(qū)域：碰撞區(qū)域1（Zone1），前保險(xiǎn)杠區(qū)域，從前防撞梁到shotgun前端；碰撞區(qū)域2（Zone2），發(fā)動(dòng)機(jī)艙區(qū)域，從shotgun 前端到前擋板；碰撞區(qū)域3（Zone3），乘員艙區(qū)域，A 柱之后的區(qū)域。具體分布和碰撞變形如圖19 所示。

圖19 小重疊偏置碰撞區(qū)域劃分和變形

根據(jù)劃分的不同碰撞區(qū)域，小重疊偏置碰撞過程可以分為以下3 個(gè)階段：

第1 階段：汽車通過Zone1，前保險(xiǎn)杠與剛性壁障接觸，剛性壁障幾乎沒有受到來自整車結(jié)構(gòu)的阻擋，只是接觸到保險(xiǎn)杠的一小段，所以這個(gè)階段產(chǎn)生的碰撞力也很小，幾乎可以忽略不計(jì)。

第2 階段：汽車通過Zone2，剛性壁障受到了來自shotgun、水箱上邊梁等零件的阻擋，但是在整車傳遞路徑布置的過程中，shotgun 傳力很?。粍傂员谡虾洼喬ソ佑|，輪胎逐漸發(fā)生變形、向后移動(dòng)和偏轉(zhuǎn)，在此過程中又和A 柱下部、門檻等接觸，將載荷傳遞給乘員艙。

第3 階段：汽車通過Zone1 和Zone2 以后，隨著輪胎的變形、偏轉(zhuǎn)甚至脫落，剛性壁障以較大的碰撞速度撞向門檻梁與A 柱，乘員艙受到很大的沖擊載荷，因此這段區(qū)域的碰撞載荷力很大，造成乘員艙嚴(yán)重變形，汽車在碰撞載荷力作用下，發(fā)生很大的側(cè)向旋轉(zhuǎn)。

針對(duì)小重疊偏置碰撞的結(jié)構(gòu)策略，需要對(duì)Zone1、Zone2 和Zone3 三個(gè)碰撞區(qū)域綜合考慮。考慮到結(jié)構(gòu)的輕量化和經(jīng)濟(jì)性，小重疊碰撞的結(jié)構(gòu)改進(jìn)主要針對(duì)前縱梁外側(cè)區(qū)域（Zone1 和Zone2），同時(shí)兼顧考慮對(duì)乘員艙區(qū)域（Zone3）進(jìn)行強(qiáng)化設(shè)計(jì)或改進(jìn)，從而達(dá)到提升整車小重疊偏置碰撞性能的目的。

3.3 改進(jìn)策略和方案

總體思路：一是增加導(dǎo)向作用，使車輛在碰撞接觸后盡可能彈開shotgun-ring（前輪罩上邊梁-環(huán)+牛角結(jié)構(gòu)）；二是底盤載荷不要傳遞至門檻和A 柱，在碰撞過程中輪胎要盡可能脫落；三是保持乘員艙的剛度和強(qiáng)度[11]。

3.3.1 結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)策略一

構(gòu)建側(cè)向位移導(dǎo)向結(jié)構(gòu)，盡可能減少側(cè)向殘余位移，減少車身與壁障的接觸面積，降低車身受到的載荷。具體措施有兩點(diǎn)：（1）增加副吸能盒，增加能量吸收，防止內(nèi)側(cè)變形，增加向外側(cè)的傳力通道。（2）增加前防撞梁長(zhǎng)度，擴(kuò)大前防撞的覆蓋區(qū)域，使碰撞過程中的壁障與前防撞梁直接接觸。

基于結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)策略一，提出改進(jìn)方案1：新增前縱梁左側(cè)加強(qiáng)盒零件，內(nèi)部包含1 根拉結(jié)圓管件，具體如圖20 和表4 所示。

圖20 改進(jìn)方案示意圖

表4 具體改進(jìn)方案

3.3.2 結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)策略二

盡量避免shotgun 出現(xiàn)懸臂結(jié)構(gòu)，延長(zhǎng)shotgun使其成為一條與前縱梁并行的載荷傳遞路徑，把shotgun 和前縱梁構(gòu)建成一個(gè)封閉路徑的環(huán)狀結(jié)構(gòu)。

具體措施：延長(zhǎng)shotgun 長(zhǎng)度，使其與前縱梁前端搭接，盡量避免出現(xiàn)懸臂結(jié)構(gòu)；提升shotgun的結(jié)構(gòu)強(qiáng)度，對(duì)shotgun 和上邊梁進(jìn)行弧形設(shè)計(jì)，使shotgun 沿車身縱向的起伏較小，碰撞中更易于穩(wěn)定壓潰；副車架的外八字設(shè)計(jì)能夠傳遞小重疊偏置碰撞中的碰撞力，增加碰撞能量吸收。

改進(jìn)方案2：去掉原有前大燈橫梁外板，新增新前大燈橫梁內(nèi)外板零件，在前輪罩上邊梁內(nèi)外板的前端新增前輪罩上邊梁延伸件內(nèi)外板，如圖21所示。

圖21 shotgun 改進(jìn)方案

3.3.3 結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)策略三

提高門環(huán)結(jié)構(gòu)的整體強(qiáng)度，減少乘員艙在碰撞過程中的變形。

改進(jìn)方案3：將A 柱上加強(qiáng)板，以及A 柱、門檻梁和B 柱零件更改為熱成形零件，如圖22 所示。

圖22 改進(jìn)零件示意圖

4 改進(jìn)效果評(píng)估

4.1 車體變形

上述的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)策略一、二、三分別對(duì)應(yīng)方案1 ～3，設(shè)計(jì)策略二和三的組合方案稱為方案4，設(shè)計(jì)策略一和三的組合方案稱為方案5。

在基礎(chǔ)車對(duì)標(biāo)模型的基礎(chǔ)上，分別針對(duì)方案1 ～5 進(jìn)行仿真計(jì)算，計(jì)算結(jié)果見表5。

表5 改進(jìn)方案效果對(duì)比 cm

根據(jù)5 個(gè)方案的仿真分析結(jié)果可知，方案5 增加縱梁側(cè)向引導(dǎo)結(jié)構(gòu)與乘員艙熱成型材料應(yīng)用組合，車身結(jié)構(gòu)評(píng)級(jí)乘員艙下部為優(yōu)秀，乘員艙上部為良好，綜合評(píng)級(jí)達(dá)到良好。方案5 評(píng)定等級(jí)如圖23 所示。

5 試驗(yàn)方案驗(yàn)證

綜合考慮成本、工藝、結(jié)構(gòu)改進(jìn)等多種影響因素，并結(jié)合各改進(jìn)方案的改進(jìn)效果，最終選定改進(jìn)方案5 作為該車型的改進(jìn)方案。

圖23 改進(jìn)方案5 評(píng)定等級(jí)

針對(duì)方案5 進(jìn)行改進(jìn)方案的試驗(yàn)樣車試制，并對(duì)試驗(yàn)樣車進(jìn)行試驗(yàn)驗(yàn)證。試驗(yàn)過程中，發(fā)動(dòng)機(jī)罩折彎，輪胎基本脫落，輪轂破裂，如圖24 所示。

圖24 車輛整體變形圖

試驗(yàn)后A 柱變形較小，A 柱上邊梁無折彎，門檻變形較小，與改進(jìn)前相比改善非常大，有效提升了乘員保護(hù)能力，如圖25 所示。

圖 25 改進(jìn)后實(shí)車局部變形圖

試驗(yàn)后車輛結(jié)構(gòu)侵入量測(cè)量點(diǎn)的數(shù)值見表6。試驗(yàn)后車輛結(jié)構(gòu)評(píng)定等級(jí)如圖26 所示，由圖可知，乘員艙下部和乘員艙上部的評(píng)級(jí)結(jié)果均為良好，試驗(yàn)中未出現(xiàn)擱腳空間壓潰導(dǎo)致假人腳部被卡、鉸鏈柱完全撕裂等情況，車輛結(jié)構(gòu)最終評(píng)級(jí)為良好。

6 結(jié)論

在對(duì)小重疊偏置碰撞載荷傳遞的理論分析基礎(chǔ)上，采用CAE 和試驗(yàn)相結(jié)合的方法對(duì)某SUV 進(jìn)行小重疊偏置碰撞的仿真分析并提出優(yōu)化方案，車體結(jié)構(gòu)評(píng)級(jí)由“較差”升至“合格”，通過試驗(yàn)驗(yàn)證了優(yōu)化方案可以滿足設(shè)計(jì)要求。通過系統(tǒng)研究得出以下結(jié)論：（1）縱梁左側(cè)增加側(cè)向引導(dǎo)結(jié)構(gòu)件，有利于車體碰撞時(shí)側(cè)向滑動(dòng)，減少車身受到的載荷。（2）加強(qiáng)并延長(zhǎng)shotgun 結(jié)構(gòu)，使shotgun 結(jié)構(gòu)能夠提前介入碰撞力的傳遞，從而有效吸收能量并提供碰撞過程側(cè)向支撐，減少乘員艙的受載沖擊。（3）對(duì)于A 柱、B 柱、A 柱上邊梁和門檻等構(gòu)成乘員艙框架結(jié)構(gòu)的主要零部件，均采用熱成形材料，以保證乘員艙結(jié)構(gòu)的完整性。

表6 改進(jìn)方案實(shí)車驗(yàn)證結(jié)果 cm

圖26 改進(jìn)方案實(shí)車驗(yàn)證評(píng)定等級(jí)

本研究對(duì)于小重疊偏置碰撞的實(shí)車結(jié)構(gòu)改進(jìn)和前期設(shè)計(jì)有一定的參考意義。