基于C-IASI小偏置碰的車(chē)體抗撞性研究

吳純福 陳楓 葉寶文 耿富榮

摘 要：本文基于中國(guó)保險(xiǎn)汽車(chē)安全指數(shù)（C-IASI）正面25%偏置碰評(píng)價(jià)規(guī)程，對(duì)某MPV車(chē)型小偏置碰分析評(píng)價(jià)結(jié)果為“Poor”的基礎(chǔ)模型進(jìn)行抗撞性?xún)?yōu)化研究?；谂鲎怖碚摷翱蚣軅鬟f路徑分析的基礎(chǔ)上，對(duì)車(chē)身結(jié)構(gòu)進(jìn)行相關(guān)設(shè)計(jì)與優(yōu)化，從而提升傳遞路徑能量吸能效率和提升抵抗變形的能力。仿真分析結(jié)果表明，車(chē)體結(jié)構(gòu)評(píng)級(jí)由“Poor”提升到最高評(píng)價(jià)等級(jí)“Good”，為后續(xù)提高碰撞安全性能車(chē)型開(kāi)發(fā)提供了設(shè)計(jì)參考和借鑒。

關(guān)鍵詞：小偏置碰;傳力路徑;結(jié)構(gòu)優(yōu)化

中圖分類(lèi)號(hào)：U467.14 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A

0 引言

為進(jìn)一步提升車(chē)輛的正面碰撞保護(hù)性能，中國(guó)C-IASI在參考美國(guó)IIHS的基礎(chǔ)上2017年發(fā)布正面25%偏置碰撞試驗(yàn)規(guī)程，2020年增加乘員側(cè)考評(píng)，這給車(chē)身安全設(shè)計(jì)提出更高的要求和挑戰(zhàn)[1]。

本文根據(jù)小偏置碰的評(píng)價(jià)規(guī)程，基于碰撞理論及框架傳遞路徑分析的基礎(chǔ)上，對(duì)某MPV車(chē)型小偏置碰分析評(píng)價(jià)結(jié)果為“Poor”的基礎(chǔ)模型進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)研究。

1 試驗(yàn)及評(píng)價(jià)規(guī)程說(shuō)明

小偏置碰工況車(chē)輛與壁障示意如圖1所示。測(cè)評(píng)等級(jí)分“Good”、“Acceptable”、“Marginal”和“Poor”4個(gè)等級(jí)。鑒于仿真模型分析與實(shí)際碰撞試驗(yàn)存在一定誤差，故設(shè)定仿真評(píng)級(jí)目標(biāo)值高于實(shí)驗(yàn)?zāi)繕?biāo)值，仿真等級(jí)分布圖如圖2所示。

2 碰撞有限元模型建立

采用Hypermesh軟件建立整車(chē)碰撞分析模型，計(jì)算求解器為L(zhǎng)S-DYNA。車(chē)身網(wǎng)格單元類(lèi)型為Shell，單元尺寸10 mm。輪胎、下擺臂、轉(zhuǎn)向節(jié)等部分要求按照實(shí)際情況精細(xì)化建模，并設(shè)置失效。小偏置碰仿真模型如圖3所示。該模型按照模型重量為2 150 kg，計(jì)算時(shí)間為200 ms[2]。

3 基礎(chǔ)模型結(jié)果分析

3.1 車(chē)體入量及評(píng)價(jià)等級(jí)

該MPV車(chē)型小偏置碰結(jié)果如圖4所示，分析得知，車(chē)體侵入量下車(chē)體綜合評(píng)價(jià)為M，上車(chē)體綜合評(píng)價(jià)為P，整體綜合評(píng)價(jià)P。

3.2 整車(chē)關(guān)鍵區(qū)域分析

如圖5所示，上短梁壓潰，輪轂失效壓潰;上A柱折彎，變形較大;門(mén)檻前端壓潰;地板橫梁扭轉(zhuǎn)變形[3]。

如圖6所示，防撞梁碰撞壁重疊不足，吸能盒壓饋不充分，縱梁無(wú)壓饋折彎變形;副車(chē)架吸能盒與縱梁不在車(chē)寬25%范圍內(nèi)，前端結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)不滿(mǎn)足小偏置要求。

上邊梁壓潰充分，但“Y”向支撐力不足，沒(méi)有充分帶動(dòng)主縱梁參與變形吸能。

乘員艙內(nèi)前地板上縱梁蓋板變形大，A柱侵入量明顯且前圍板橫梁變形大，門(mén)檻折彎變形程度大，地板縱梁折彎變形大;左前門(mén)折彎變形明顯，車(chē)門(mén)開(kāi)啟風(fēng)險(xiǎn)高。

4 優(yōu)化方案及結(jié)果分析

4.1 小偏置碰性能提升開(kāi)發(fā)策略

根據(jù)小偏置碰整車(chē)變形和關(guān)鍵區(qū)域變形結(jié)果分析，并結(jié)合主要傳遞路徑受力模式，如圖7所示。將從如下三個(gè)方面對(duì)相關(guān)結(jié)構(gòu)進(jìn)行優(yōu)化[4]。

（1）增大車(chē)體與碰撞壁重疊量，提升防撞梁、縱梁、副車(chē)架等參與吸收更多能量，重點(diǎn)優(yōu)化副車(chē)架傳遞路徑1和主縱梁傳遞路徑2。

（2）增強(qiáng)上邊梁吸能結(jié)構(gòu)，并提升其“Y”向支撐力，充分帶動(dòng)主縱梁參與變形吸能，主要優(yōu)化上邊梁路徑3。

（3）加強(qiáng)乘員艙前部結(jié)構(gòu)，優(yōu)化乘員艙前部路徑4[5]。

4.2 增大車(chē)體與碰撞壁重疊量

首先優(yōu)化前副車(chē)架傳力通道，把前副車(chē)架Y向外擴(kuò)（約125 mm），增加與小偏置碰壁障重疊量，如圖8（a）所示。然后再優(yōu)化前防撞梁與前縱梁路徑，把前防撞梁兩端Y向加寬80 mm，前縱梁Y向外撇（2°，形成倒八字形梁結(jié)構(gòu)）30 mm，增加與小偏置碰壁障重疊量，如圖8（b）所示[6]。

如圖9分析結(jié)果表明，該方案可有效提高前副車(chē)架、前防撞梁等截面力，并提升吸能和傳力效率。

從變形對(duì)比分析，優(yōu)化后前副車(chē)架、前縱梁壓潰和折彎更充分，如圖10所示;從截面力水平對(duì)比分析，優(yōu)化后副車(chē)架、縱梁比基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)截面力分別提升約46%、35%，如圖11所示[7];從吸收能量對(duì)比分析，前副車(chē)架和縱梁吸能分別提升約33%和50%，如圖12、圖13所示。

4.3 增強(qiáng)上邊梁吸能結(jié)構(gòu)和“Y”向支撐力

如圖14，上邊梁材料和結(jié)構(gòu)優(yōu)化，上邊梁前部Y向靠外約40 mm，并中上邊梁中、后部分別增加與左縱梁、右側(cè)上邊梁的連接支撐結(jié)構(gòu)梁，在后部增加Y型支撐，同時(shí)將內(nèi)、外板材料由340LA提升至420/780DP，提高上邊梁吸能和傳力效率。

分析結(jié)果表明，該方案可有效帶動(dòng)上邊梁及其周邊結(jié)構(gòu)參與吸能，從而提升前機(jī)艙吸能和傳力效率，如圖15所示。

從變形對(duì)比分析，優(yōu)化后上邊梁壓潰和折彎更充分，并帶動(dòng)其周邊部件變形吸能，如圖16所示;從截面力水平對(duì)比分析，其結(jié)構(gòu)優(yōu)化后截面力相應(yīng)提升，如圖17所示;從吸收能量對(duì)比分析，上邊梁吸能提9 600 kJ，吸能比例提升34%，如圖18所示：

4.4 加強(qiáng)乘員艙前部結(jié)構(gòu)

如圖19，A柱上邊梁上部、中部增加加強(qiáng)板，門(mén)檻外板、門(mén)檻內(nèi)板增加加強(qiáng)板。門(mén)檻及周邊結(jié)構(gòu)增加熱成型支撐件，提升乘員艙前部整體剛強(qiáng)度。

分析結(jié)果表明，該方案提升乘員艙前部整體抗變形能力，如圖20、圖21所示。

通過(guò)圖22截面力對(duì)比分析，A柱、門(mén)檻截面力相對(duì)基礎(chǔ)都有一定的提升。通過(guò)圖23、圖24對(duì)比分析A柱及門(mén)檻梁吸能下降明顯，前門(mén)框及門(mén)檻變形量明顯減少。

4.5 車(chē)體綜合方案優(yōu)化

結(jié)合以上所有方案對(duì)車(chē)身進(jìn)行綜合優(yōu)化分析，分析結(jié)果如圖25所示，車(chē)體侵入量下車(chē)體評(píng)價(jià)Good，上車(chē)體評(píng)價(jià)Good，整體評(píng)價(jià)Good。如圖26所示，機(jī)艙前縱梁、上邊梁、副車(chē)架等吸能充分，A柱、門(mén)檻結(jié)構(gòu)基本保持完整[8]。

5 結(jié)束語(yǔ)

本文以某MPV車(chē)型小偏置碰分析評(píng)價(jià)結(jié)果為“Poor”的基礎(chǔ)模型為研究對(duì)象，基于碰撞理論及框架傳遞路徑分析的基礎(chǔ)上，對(duì)車(chē)身結(jié)構(gòu)進(jìn)行相關(guān)設(shè)計(jì)與優(yōu)化，仿真分析對(duì)比，車(chē)體結(jié)構(gòu)評(píng)級(jí)由“Poor”提升到最高評(píng)價(jià)等級(jí)“Good”。

通過(guò)研究對(duì)比表明：通過(guò)增大車(chē)體與碰撞壁重疊量;通過(guò)增強(qiáng)上邊梁吸能結(jié)構(gòu)，并提升其“Y”向支撐力;通過(guò)加強(qiáng)乘員艙前部結(jié)構(gòu)等方法可提升整車(chē)的小偏置碰安全性能，為后續(xù)高碰撞安全性能車(chē)型開(kāi)發(fā)提供了有效的設(shè)計(jì)參考和借鑒。

參考文獻(xiàn)：

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[8]陳可明，樂(lè)中耀，李雪玲.國(guó)內(nèi)車(chē)輛小偏置正面碰撞試驗(yàn)現(xiàn)狀[J].汽車(chē)技術(shù)，2016（5）：5.