某車型敞篷版結(jié)構(gòu)耐撞性的仿真分析研究

朱宏林、楊延鵬

（海馬汽車有限公司，鄭州，454000）

0 引言

敞篷車目前基本由國外汽車廠商壟斷，國內(nèi)自主品牌偶有嘗試[1]。碰撞安全性方面，雖然敞篷車能夠抵抗正面和側(cè)面碰撞的過度侵入，但國內(nèi)設(shè)計領(lǐng)域相對空白。本文嘗試開展相關(guān)的結(jié)構(gòu)耐撞性研究。

1 敞篷車結(jié)構(gòu)安全特點

傳統(tǒng)車型具有完整的環(huán)形傳力結(jié)構(gòu)，發(fā)生碰撞時，可以迅速地將碰撞力傳遞出去。敞篷車消減車頂結(jié)構(gòu)，A 柱、B 柱、C 柱及兩側(cè)結(jié)構(gòu)互相缺乏連接，無法形成框架結(jié)構(gòu)，變成孤立的懸臂梁結(jié)構(gòu)[2]。

車輛發(fā)生正面碰撞時，主要傳力路徑從防撞梁、吸能盒、前縱梁和彎梁傳遞至地板縱梁及A 柱等；上邊梁及頂棚框架在正面碰撞中相對縱梁雖然傳力較少，但也承擔(dān)著傳遞載荷的要求。敞篷版車型的A 柱上邊梁取消后，必將增大A 柱和彎梁等的傳力壓力。

側(cè)面碰撞時，壁障撞擊B 柱和側(cè)門，原型車可以迅速地將碰撞力通過車頂傳遞至另一側(cè)。敞篷版則無法通過車頂傳力，必須加強B 柱防翻轉(zhuǎn)。所以必須考慮如何通過B 柱、門檻、座椅橫梁、地板橫梁、A 柱和車門結(jié)構(gòu)等將力進(jìn)行分散，從而對側(cè)面形成有效支撐，降低侵入量，對乘員提供有效保護。

目前國內(nèi)法規(guī)對敞篷車暫無頂壓強度要求，頂部抗壓強度只能通過加強A 柱結(jié)構(gòu)，提供有效支撐力。傳統(tǒng)版和敞篷版車型，頂蓋等在后面碰撞過程中為非主要傳力路徑，敞篷版車型后防撞梁、后吸能盒何后縱梁等主要傳力結(jié)構(gòu)不變，后面碰撞結(jié)構(gòu)耐撞性差異較小。

2 碰撞安全性分析

2.1 整車有限元模型

以某量產(chǎn)車型為基礎(chǔ)，以車門門框腰線為邊界，通過消減車身頂蓋、天窗、上邊梁、B 柱、C 柱、D 柱何車門等部件，設(shè)計變更為敞篷版車型。評估以上變動對正面碰撞和側(cè)面碰撞結(jié)構(gòu)耐撞性的影響。

本文以原型車和敞篷版分別建立有限元模型[3]。研究碰撞性能，根據(jù)GB 11551-2014《汽車正面碰撞的乘員保護》和GB 20071-2006《汽車側(cè)面碰撞的乘員保護》，分別建立正面碰撞和側(cè)面碰撞模型（圖1）。

圖1 正面和側(cè)面碰撞模型

2.2 正面碰撞

敞篷版較原型車缺少頂棚、A 柱上邊梁等部件，傳力載荷將更多地被A 柱下段、彎梁、地板縱梁和中通道縱梁等分擔(dān)。從圖3正面碰撞前端結(jié)構(gòu)變形圖來看（圖2），原型車與敞篷版正面碰撞變形模式基本一致。原型車由于后端支撐較強，前縱梁前端潰縮和折彎等程度略篇大。

圖2 正面碰撞前端變形

A 柱上邊梁及頂蓋為非主要傳力路徑，綜合正面碰撞結(jié)果匯總為表1，兩者結(jié)果都可以接受。同時，可以考慮對A 柱適當(dāng)加強，增強A 柱抗扭能力，提升傳遞效率，使門檻和地板縱梁等分擔(dān)更多的載荷。

表1 正面碰撞結(jié)果匯總

2.3 側(cè)面碰撞

原型車具有完整的籠式車身結(jié)構(gòu)，敞篷版取消車頂?shù)炔考?，變成一個半開放式的車身框架。所以敞篷版最大的挑戰(zhàn)就在側(cè)面碰撞，特別是B 柱的承載能力，提升B 柱的抗翻轉(zhuǎn)能力至關(guān)重要。

原型車與敞篷版整車側(cè)面變形如圖3所示。原型車整體侵入較小，上邊梁未見明顯變形；B 柱區(qū)域變形均勻，未發(fā)生彎折失穩(wěn)現(xiàn)象；前、后門侵入量有限，拉手等區(qū)域未見異常變形；整體變形較小。

圖3 側(cè)面碰撞整車變形

敞篷版車型從側(cè)面碰撞內(nèi)部變形圖可以看到（圖4），B 柱翻轉(zhuǎn)侵入量非常大，前、后門無有效支撐，整體侵入較大。詳細(xì)數(shù)據(jù)見側(cè)碰B 柱指標(biāo)對比（表2）和側(cè)碰前門指標(biāo)對比（表3）。原型車與敞篷版的A 柱、C 柱和地板等區(qū)域變形模式相近，差異不大。這說明敞篷版車型在側(cè)面碰撞過程中，傳力路徑被截斷后，無法有效進(jìn)行側(cè)碰力的傳遞，需要重新規(guī)劃傳力路徑，進(jìn)行結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計。

表2 側(cè)碰B 柱指標(biāo)對比

表3 側(cè)碰前門指標(biāo)對比

圖4 側(cè)面碰撞內(nèi)部變形

2.4 結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計

新增左、右B 柱連接結(jié)構(gòu)，在2 個B 柱間增加雙排管梁連接。這樣B 柱、座椅橫梁和雙排管梁整體形成環(huán)形加強結(jié)構(gòu)，相當(dāng)于用雙排管梁替代原車型的頂棚支撐，為敞篷版新增一條主傳遞載荷路徑。

對比敞篷版和優(yōu)化方案仿真結(jié)果，優(yōu)化方案減少了側(cè)碰車身侵入。根據(jù)表1和表2計算結(jié)果看出，B 柱指標(biāo)點和前門指標(biāo)點（圖5）等指標(biāo)均明顯降低，側(cè)面結(jié)構(gòu)耐撞性可滿足GB 性能開發(fā)的要求。

3 結(jié)束語

原型車具備完整車身結(jié)構(gòu)碰撞傳力路徑，而敞篷版半開放式懸臂結(jié)構(gòu)對結(jié)構(gòu)耐撞性影響很大。針對該車型的正面、側(cè)面碰撞分析，總結(jié)如下。

圖6 側(cè)碰B 柱和前門指標(biāo)點

（1）正面碰撞，敞篷版結(jié)構(gòu)耐撞性指標(biāo)比原型車有所降低，整體影響可以接受。后續(xù)可以對A柱結(jié)構(gòu)適當(dāng)加強，提升地板縱梁、門檻梁傳力載荷。

（2）側(cè)面碰撞，敞篷版結(jié)構(gòu)耐撞性能非常差。B 柱懸臂梁結(jié)構(gòu)翻轉(zhuǎn)嚴(yán)重，無法對車門形成有效支撐，需要通過重新規(guī)劃傳力路徑、優(yōu)化結(jié)構(gòu)以及提升材料牌號等方法，提升側(cè)面結(jié)構(gòu)耐撞性能。