車輛正面碰撞中乘員艙結(jié)構(gòu)耐撞性研究

劉翔　劉俊杰　羅方贊

摘 要：從安全角度考慮乘員艙是乘客的生命艙。利用HperWorks軟件建立乘員艙正面碰撞仿真模型，依據(jù)乘員艙內(nèi)部三維空間壓縮量、左側(cè)門(mén)框變形量、B柱加速度三個(gè)指標(biāo)，分析乘員艙在正面碰撞中的耐撞性能。結(jié)果表明：在正面碰撞中，乘員艙在X軸方向、Y軸方向、Z軸方向最大壓縮量分別是233.66mm、49.67mm和222.61mm，三維空間壓縮量在允許范圍內(nèi)，但在X軸、Y軸方向仍有優(yōu)化空間。從左側(cè)門(mén)框變形量、B柱加速度變化曲線分析，乘員艙的耐撞性能也符合C-NCAP的要求。關(guān)鍵詞：乘員艙;仿真模型;正面碰撞;耐撞性能中圖分類號(hào)：U467 ?文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A ?文章編號(hào)：1671-7988（2020）08-166-04

Abstract： From a safety point of view， the?passenger cabin?is the passenger's life cabin. The frontal collision?simulation model of the passenger cabin was established by using the HyperWorks software， and the crash worthiness of the passenger cabin during a frontal collision was analyzed based on the three-dimensional compression in the passenger cabin， deformation of left door frame， and the acceleration of the B-pillar. The results show that： in frontal collision， the maximum compression of the passenger compartment in the X-axis direction， Y-axis direction， and Z-axis direction is 233.66mm， 49.67mm， and 222.61mm， respectively. The three-dimensional space compression is within the allowable range， but in the X axis and the Y-axis direction， there is still room for optimization. From the analysis of the deformation of left door frame and the acceleration curve of the B-pillar， the crashworthiness of the passenger cabin also meets the requirements of C-NCAP.Keywords： Passenger cabin; Simulation model; Frontal collision; crashworthinessCLC NO.： U467 ?Document Code： A ?Article ID： 1671-7988（2020）08-166-04

引言

汽車安全一直是車輛研究領(lǐng)域不可忽略的重要組成部分。車輛的耐撞性能作為被動(dòng)安全的重要指標(biāo)，其研究?jī)r(jià)值不言而喻。傳統(tǒng)的實(shí)車碰撞試驗(yàn)在耐撞性前期研究中，由于成本高、重復(fù)性差、破壞性強(qiáng)等缺點(diǎn)，現(xiàn)已被計(jì)算機(jī)仿真碰撞試驗(yàn)所取代。實(shí)車碰撞更多地被用作后期的驗(yàn)證試驗(yàn)。

乘員艙作為汽車結(jié)構(gòu)中的重要一環(huán)，空間上它容納著乘客，因此對(duì)乘員艙耐撞性的研究是必要的。通過(guò)HyperWorks建立汽車正面100%碰撞仿真試驗(yàn)，并單獨(dú)對(duì)碰撞中乘員艙的耐撞性能進(jìn)行研究。仿真試驗(yàn)的初始速度參照NCAP的標(biāo)準(zhǔn)設(shè)定為56km/h。依據(jù)車輛坐標(biāo)系在乘員艙X、Y、Z軸三個(gè)方向分別選取兩對(duì)點(diǎn)，根據(jù)測(cè)量點(diǎn)在仿真碰撞中位移曲線的變化來(lái)反映乘員艙的壓縮量。通過(guò)左側(cè)門(mén)框變形量分析乘員艙A柱、B柱以及C柱的破壞情況。對(duì)B柱下端加速度曲線的分析，來(lái)研究碰撞中前排乘員身體傷害程度。

1?乘員艙耐撞性仿真分析

1.1 乘員艙三維空間壓縮量分析

為研究乘員艙在正面碰撞中的壓縮量，依據(jù)車輛坐標(biāo)系在X、Y、Z軸上各選取兩對(duì)點(diǎn)，一個(gè)作為測(cè)量點(diǎn)，一個(gè)作為參考點(diǎn)。通過(guò)測(cè)量點(diǎn)在碰撞中位移變化曲線來(lái)分析乘員艙的三維空間壓縮量，評(píng)估乘員艙的變形是否會(huì)影響乘員的生存空間。選點(diǎn)位置示意圖如下圖1所示，乘員艙選點(diǎn)信息見(jiàn)表1。

測(cè)量點(diǎn)C1、C3在X軸上相對(duì)參考點(diǎn)C2、C4的位移變化曲線用來(lái)反應(yīng)乘員艙在X軸上的壓縮量，位移變化曲線如圖2所示?？梢钥闯鯟1相對(duì)C2的最大移動(dòng)距離約為233.66mm，最終移動(dòng)距離138.15mm。C3相對(duì)C4的最大移動(dòng)距離為220.91mm，小于第一組數(shù)據(jù)，最終的移動(dòng)距離約為141.58mm。由上述數(shù)據(jù)可以得出：乘員艙在正面碰撞中在X軸方向上的最大壓縮量不超234mm，這個(gè)數(shù)值低于乘員身體距離乘員艙的距離，因此乘員艙縱向侵入量對(duì)乘客直接造成身體傷害的可能性較低。此外乘員艙的最終壓縮量小于139mm，這個(gè)數(shù)值對(duì)于碰撞事故后的車身修復(fù)也是有利的。

在正面碰撞中，乘員艙結(jié)構(gòu)受縱向沖擊力的作用會(huì)發(fā)生壓縮產(chǎn)生一定的橫向變形。橫向變形量超出安全范圍會(huì)導(dǎo)致車門(mén)在碰撞中不正常開(kāi)啟或者碰撞后無(wú)法正常打開(kāi)，致使乘客在碰撞中受到傷害或者影響碰撞后乘客的自救。從圖3中兩組曲線可以看出乘員艙的橫向變形即有向內(nèi)部的壓縮也有向外的擴(kuò)張。從C5測(cè)量點(diǎn)的位移變化曲線看，在50ms時(shí)刻乘員艙向外變形量最大，約為3mm，到60ms時(shí)刻向里壓縮變形最大，最大變形量13.22mm，變形率0.81%，最終變形量也小于5mm。從C7位移變化曲線分析，在70ms時(shí)刻乘員艙向外最大變形量約為13mm，到95ms時(shí)刻乘員艙向內(nèi)部壓縮變形達(dá)到峰值，最大值17mm，最終變形量約為2mm。對(duì)比兩組數(shù)據(jù)可以看出，乘員艙在Y軸的橫向變形，最大值低于18mm，最終值也沒(méi)超出5mm，結(jié)合以往實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)，乘員艙在碰撞中的橫向變形可能會(huì)觸及到乘員身體的側(cè)面，造成一定的侵害，因此在橫向最大變形量上仍然需要進(jìn)一步的優(yōu)化。但最終變形量較小，符合預(yù)期要求，也利于車門(mén)的正常打開(kāi)以及后期的車身修復(fù)。

乘員艙在正面碰撞中的豎向變形會(huì)威脅到乘員頭部上方的安全空間，因此乘員艙的頂部結(jié)構(gòu)要滿足一定的強(qiáng)度。從C9位移變化曲線分析，在碰撞中乘員艙在Z軸方向是向上擴(kuò)展的，最大變形量222.61mm，變形率19.17%，而最終變形量是203.35mm。可見(jiàn)前排乘員頭部上方的生存空間是不受影響的。從C11位移變化曲線來(lái)看，乘員艙在Z軸方向上空間是壓縮變小的，最大變形量51.98mm，最終變形量7.78mm。因此后排乘客頭部上方的生存空間受到較小危害，但符合安全要求，而且最終變形量很小，利于結(jié)構(gòu)修理。

1.2 左側(cè)門(mén)框變形量分析

左側(cè)門(mén)框貼近駕駛員位置，能很好地反映乘員艙A柱、B柱以及C柱的變形量。根據(jù)C-NCAP正面碰撞規(guī)則，要求門(mén)框變形不能導(dǎo)致車門(mén)在碰撞中不正常開(kāi)啟，碰撞結(jié)束后能正常打開(kāi)。通過(guò)在A柱、B柱以及C柱上各選兩對(duì)測(cè)量點(diǎn)與參考點(diǎn)來(lái)研究它們的變形量。選點(diǎn)示意圖如圖5所示，選點(diǎn)信息參數(shù)見(jiàn)表2。

從圖6可以看出，在前20ms內(nèi)由于汽車前部吸收汽車碰撞中的動(dòng)能并轉(zhuǎn)化為內(nèi)能，位于A柱上下門(mén)框鉸鏈的D1、D3 測(cè)量點(diǎn)在X軸方向幾乎沒(méi)有發(fā)生位移變化，此后受碰撞沖擊力的作用發(fā)生變形，在70ms時(shí)刻變形量最大，分別為8.31mm和4.13mm，此后由于左前門(mén)框的彈性恢復(fù)變形量逐漸降低，最為變形量定格在5.81mm和3.06mm。分析數(shù)據(jù)可知A柱的結(jié)構(gòu)強(qiáng)度較高，碰撞中的變形量較小，有效的保障了乘員艙的結(jié)構(gòu)完整性，同時(shí)較小的變形也確保碰撞中駕駛員一側(cè)車門(mén)不會(huì)發(fā)生意外開(kāi)啟，碰撞結(jié)束后車門(mén)可以正常打開(kāi)，為駕駛員的自救提供條件。

左后門(mén)框的變形關(guān)系到后排乘客的安全。由于B柱、C柱因尺寸較大導(dǎo)致整體結(jié)構(gòu)強(qiáng)度不如A柱，在結(jié)合B柱處于門(mén)框中間位置容易變形的特點(diǎn)，所以在圖7中位于B柱上下鉸鏈處的D5、D7測(cè)量點(diǎn)變形較早，在10ms時(shí)刻就發(fā)生位移變化，上鉸鏈D5測(cè)量點(diǎn)在70ms時(shí)刻達(dá)到峰值，峰值是17.11mm，最終的變形量是10.08mm。下鉸鏈D7測(cè)量點(diǎn)在55ms時(shí)刻變形量達(dá)到峰值，峰值是20.42mm，最終的變形量是10.43mm。通過(guò)上述數(shù)據(jù)的分析可以看出：左后門(mén)框的變形量要略大于前側(cè)門(mén)框，但總體變形量仍符合NCAP的要求，下鉸鏈處距離汽車底盤(pán)結(jié)構(gòu)較近，因此變形量比上鉸鏈要大一些。長(zhǎng)遠(yuǎn)考慮為了應(yīng)對(duì)更高的安全要求可以對(duì)B柱和C柱的結(jié)構(gòu)強(qiáng)化處理，耐撞性上更突出強(qiáng)度要求減少吸能的處理。讓汽車前部結(jié)構(gòu)承擔(dān)更多的吸能任務(wù)，保障后排乘員艙的完整性。

1.3 B柱加速度分析

B柱加速度能夠很好反映碰撞中駕駛員身體承受的沖擊能量，而且還能反映車身結(jié)構(gòu)在碰撞中的應(yīng)力響應(yīng)，因此是研究乘員艙耐撞性的一項(xiàng)重要指標(biāo)。在仿真碰撞試驗(yàn)中B柱加速度測(cè)量點(diǎn)選在其下端與門(mén)檻梁的結(jié)合部，如圖8所示，原因有兩點(diǎn);一是此處結(jié)構(gòu)剛度大，碰撞中變形小;二是此處距離駕駛員近，檢測(cè)出的加速度數(shù)值更貼合駕駛員實(shí)際承受的加速度。

B柱加速度變化曲線如圖9所示。在10ms至35ms階段，汽車與剛性墻發(fā)生碰撞導(dǎo)致保險(xiǎn)杠與前橫梁被圧潰變形，并吸收沖擊能量，B柱加速度曲線迅速上升，在35ms時(shí)刻加速度曲線第一次出現(xiàn)峰值，該時(shí)刻前縱梁前端被圧潰，動(dòng)力總成等結(jié)構(gòu)觸墻，導(dǎo)致加速度急劇升高，左側(cè)最大加速度約為56.07g，右側(cè)最大加速度約為45.78g，兩側(cè)B柱最大加速度瞬間對(duì)乘客身體造成的沖擊較大，但持續(xù)時(shí)間極短不到3ms，之后迅速下降到40g以下，符合NCAP最大加速度持續(xù)時(shí)間小于3ms的要求。在35ms至53ms階段內(nèi)，B柱加速度由峰值迅速降到低谷，然后又迅速反彈出現(xiàn)第二次峰值，此階段動(dòng)力總成等結(jié)構(gòu)觸及前圍板，前縱梁后段受力變形，二次峰值小于第一次。在53ms以后，加速度緩慢下降，此階段對(duì)乘客構(gòu)不成傷害。

通過(guò)分析B柱加速度曲線的變化過(guò)程，可以看出在降低最大加速度上仍然有優(yōu)化空間，可以提高汽車前部結(jié)構(gòu)的吸能性，乘員艙底盤(pán)結(jié)構(gòu)強(qiáng)度可以適當(dāng)提高。

2 結(jié)論

通過(guò)對(duì)乘員艙三維空間壓縮量、左側(cè)門(mén)框變形量以及B柱加速度的分析。在X、Y軸方向上，乘員艙的壓縮量可以進(jìn)一步的優(yōu)化，提高乘員艙在這方面的結(jié)構(gòu)強(qiáng)度，降低變形量。左后門(mén)框結(jié)構(gòu)的變形量只能滿足目前NCAP的要求，將來(lái)可以進(jìn)一步優(yōu)化。B柱加速度曲線符合碰撞情況，但在降低最大加速度方面后續(xù)可以再次改善?？傮w來(lái)看，此次乘員艙耐撞性仿真分析達(dá)到目的，但部分結(jié)果需要進(jìn)一步研究。

參考文獻(xiàn)

[1] 徐作文，賈新建，洪求才，顏先華.某款SUV小重疊偏置碰撞結(jié)構(gòu)耐撞性研究[J].汽車工程學(xué)報(bào)，2020，10（01）：40-48.

[2] 吳松.某轎車正面碰撞安全性仿真分析[J].內(nèi)燃機(jī)與配件，2019 （24）：54-57.

[3] 高豐嶺，戰(zhàn)楠，卜曉兵，李向榮，鄭艷婷.汽車結(jié)構(gòu)耐撞性設(shè)計(jì)與優(yōu)化研究綜述[J].汽車實(shí)用技術(shù)，2020（05）：104-106.

[4] 程文文，譚繼錦，解宇，季天宇.基于多目標(biāo)優(yōu)化的車身前端結(jié)構(gòu)耐撞性和輕量化設(shè)計(jì)[J].車輛與動(dòng)力技術(shù)，2019（02）：31-37.

[5] 趙萬(wàn)忠，趙宏宇，王春燕.基于負(fù)泊松比結(jié)構(gòu)的汽車B柱結(jié)構(gòu)耐撞性優(yōu)化設(shè)計(jì)[J].江蘇大學(xué)學(xué)報(bào)（自然科學(xué)版），2020，41（02）：166-171.

[6] 張海洋，呂曉江，周大永，夏梁，谷先廣.考慮穩(wěn)健性的汽車結(jié)構(gòu)耐撞性優(yōu)化設(shè)計(jì)[J].汽車工程，2020，42（02）：222-227+277.