某SUV車型結(jié)構(gòu)碰撞優(yōu)化分析

摘? 要：本文探討了某SUV車型結(jié)構(gòu)碰撞優(yōu)化分析。根據(jù)某SUV車型“50公里/小時(shí)”正面剛性壁障碰撞結(jié)構(gòu)摸底試驗(yàn)，加速度與防火墻侵入量均滿足要求，但是底板結(jié)構(gòu)碰撞效果不佳，需要繼續(xù)優(yōu)化;原因分析為縱梁、副車架折彎，吸能不足;縱梁與底板連接處的Kick down區(qū)域結(jié)構(gòu)太強(qiáng)。優(yōu)化方案為降低Kick down區(qū)域多余的加強(qiáng)板，增大了底板與門檻處的焊點(diǎn)密度，該方案經(jīng)過第二次碰撞試驗(yàn)驗(yàn)證有效，徹底解決了底板結(jié)構(gòu)問題。

關(guān)鍵詞：正面碰撞;Kick down;焊點(diǎn)撕裂

汽車在國內(nèi)已經(jīng)漸漸成為了人們生活中的必需品，中國機(jī)動(dòng)車的保有量已接近飽和狀態(tài)，每年汽車銷量的不斷攀升也使得交通事故的發(fā)生率逐年升高，正面碰撞形式在所有的交通事故中占比最高[1]，更有2020年，交通事故死亡人數(shù)為1.66萬人。各國均制定了強(qiáng)制法規(guī)來規(guī)范正面碰撞工況，國標(biāo)有GB 11551-2014《汽車正面碰撞的乘員保護(hù)》[2]和GB/T 20913-2007 《乘用車正面偏置碰撞的乘員保護(hù)》[3]，同時(shí)，正面碰撞工況從2009年開始就是C-NCAP 管理規(guī)則中的重要考核工況[4]。

車輛發(fā)生正面碰撞時(shí)，會(huì)導(dǎo)致車身變形及車輛加速度的產(chǎn)生，進(jìn)而引起乘員與車輛的相對運(yùn)動(dòng)。車身產(chǎn)生加速度，但碰撞的部分能量被車身前部的結(jié)構(gòu)變形所吸收，約束系統(tǒng)裝置也可對乘員的運(yùn)動(dòng)加以控制，從而實(shí)現(xiàn)對乘員的保護(hù)。乘員受到損傷是由于防火墻侵入與車輛加速度的共同作用。若車身剛度過低，則隨著車身變形量的增大，防火墻的侵入量也變大，并導(dǎo)致儀表板和轉(zhuǎn)向盤等部件向后運(yùn)動(dòng)，在碰撞過程中與向前移動(dòng)的乘員接觸，給乘員帶來嚴(yán)重的損傷。相反，若車身剛度過高，則碰撞過程中車輛加速度會(huì)變得較大，使安全帶對人體施加的作用力增大，導(dǎo)致發(fā)生胸部肋骨骨折。由于加速度導(dǎo)致的損傷和由接觸導(dǎo)致的損傷與車身剛度的關(guān)系正好相反。可見，多種因素都會(huì)使得乘員的損傷風(fēng)險(xiǎn)上升。因此，為了同時(shí)緩解由加速度和防火墻侵入帶來的損傷，必須找到最優(yōu)化的車身碰撞剛度[5]。

在碰撞安全開發(fā)過程中，主要是針對降低假人傷害值的開發(fā)與優(yōu)化，前艙結(jié)構(gòu)（縱梁等部件）在設(shè)計(jì)時(shí)要求足夠“軟”，讓車身盡可能地多吸收碰撞產(chǎn)生的能量，降低整車的加速度峰值，從而降低乘員的慣性力，同時(shí)也減輕了約束系統(tǒng)的壓力，起到降低乘員傷害值的目的;相反地，乘員艙（Kick down，門檻等部件）在設(shè)計(jì)時(shí)要求足夠“硬”，這樣能夠在碰撞中保證前艙內(nèi)的發(fā)動(dòng)機(jī)或者電機(jī)等剛性部件不會(huì)侵入到乘員艙，從而不會(huì)侵占乘員的生存空間，起到保護(hù)乘員的目的。所以在碰撞中保證乘員艙的結(jié)構(gòu)完整性至關(guān)重要。

2 碰撞試驗(yàn)后的結(jié)構(gòu)問題

碰撞中的結(jié)構(gòu)失效問題在前期的仿真過程中很難發(fā)現(xiàn)，即使在仿真中設(shè)置了一些失效定義，在沒有進(jìn)行CAE對標(biāo)之前，一般都是不準(zhǔn)確的。在目前的仿真精度條件下，一些結(jié)構(gòu)的失效預(yù)測只有通過經(jīng)驗(yàn)才能識(shí)別。本論文中提到的焊點(diǎn)撕裂，在前期的仿真過程中沒有被準(zhǔn)確預(yù)測，在實(shí)車碰撞試驗(yàn)中出現(xiàn)焊點(diǎn)撕裂問題。

本車輛在50km/h 的正面剛性壁障碰撞結(jié)構(gòu)摸底試驗(yàn)中，防火墻最大侵入量為80mm，主駕歇腳區(qū)域侵入量為68mm，左右B柱底部加速度峰值為38g，吸能盒完全壓潰，縱梁前端變形良好。侵入量和加速度均滿足結(jié)構(gòu)要求目標(biāo)，車身結(jié)構(gòu)總體表現(xiàn)良好。但是底板與門檻焊接處焊點(diǎn)有撕裂現(xiàn)象，如圖1所示，試驗(yàn)后門檻區(qū)域位置相對于中通道區(qū)域位置靠前，前排座椅安裝橫梁焊點(diǎn)開裂，座椅安裝橫梁扭曲，致使座椅發(fā)生扭轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)，影響乘員運(yùn)動(dòng)姿態(tài)。乘員艙的完整性喪失，需要優(yōu)化并解決。

3 原因分析及方案優(yōu)化

從試驗(yàn)后底板結(jié)構(gòu)的表現(xiàn)來看，底板與門檻產(chǎn)生了相對位移，底板與門檻焊接處撕裂。

焊點(diǎn)撕裂原因分析：

車身設(shè)計(jì)本身存在缺陷，底板結(jié)構(gòu)剛度過大（Kick down太強(qiáng)）;在碰撞中，底板結(jié)構(gòu)與門檻結(jié)構(gòu)受到的碰撞力相差太大，導(dǎo)致兩種之間產(chǎn)生了較大的相對位移，而底板與門檻的焊點(diǎn)密度太小，焊點(diǎn)連接力不足以支撐底板與門檻的錯(cuò)位力，導(dǎo)致了焊點(diǎn)的撕裂。

經(jīng)過對碰撞車身的拆解和勘察，所有的焊點(diǎn)撕裂均為母材撕裂，不存在虛焊現(xiàn)象;底板結(jié)構(gòu)與門檻結(jié)構(gòu)最大相對位移測量為20mm。并且存在焊點(diǎn)開裂現(xiàn)象，綜上判定，原因?yàn)榈装褰Y(jié)構(gòu)的剛度過大，Kick down區(qū)域結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)過強(qiáng);底板與門檻結(jié)構(gòu)焊點(diǎn)密度過低，焊點(diǎn)力過小。

針對焊點(diǎn)開裂的原因，制定了以下優(yōu)化方案：

降低Kick down強(qiáng)度，原始的Kick down 區(qū)域板料有7塊，如圖2所示，板料名稱，所用材料牌號(hào)及料厚分別為：

（1）Kick down上蓋板（材料：590DP/料厚：1.5mm）;

（2）Kick down上蓋板加強(qiáng)板（材料：HC340LA/料厚：1.2mm）;

（3）底板（材料：DC03/料厚：0.65mm）;

（4）Kick down下蓋板（材料：780DP/料厚：1.5mm）;

（5）Kick down下蓋板加強(qiáng)板1（材料：HC340LA/料厚：1.2mm）;

（6）Kick down下蓋板加強(qiáng)板2（材料：HC340LA/料厚：1.2mm）;

（7）Kick down下蓋板加強(qiáng)板3（材料：HC340LA/料厚：1.2mm）。

減少Kick down 區(qū)域板材累計(jì)數(shù)量，由原來的7塊板材減少到5塊板材，如圖3所示，板料名稱，所用材料牌號(hào)及料厚分別為：

（1）Kick down上蓋板（材料：590DP/料厚：1.5mm）;

（2）底板（材料：DC03/料厚：0.65mm）;

（3）Kick down下蓋板（材料：780DP/料厚：1.5mm）;

（4）Kick down下蓋板加強(qiáng)板1（材料：HC340LA/料厚：1.2mm）;

（5）Kick down下蓋板加強(qiáng)板3（材料：HC340LA/料厚：1.2mm）。

增加底板與門檻的焊點(diǎn)密度，調(diào)整焊點(diǎn)與焊點(diǎn)之間的間距，以焊裝工廠規(guī)定的最小焊接間距為輸入，焊點(diǎn)間距由原始的50mm減小到30mm。

由于項(xiàng)目時(shí)間緊急，CAE模型沒有時(shí)間進(jìn)行試驗(yàn)對標(biāo)，直接將優(yōu)化方案代入CAE計(jì)算并與原始CAE結(jié)果對比，兩次CAE仿真B柱底部加速度曲線無明顯差異，優(yōu)化后模型加速度峰值稍低;各結(jié)構(gòu)碰撞監(jiān)測指標(biāo)如表1所示，從表1可以看出，前圍板等部位侵入量稍有增加，但是都在目標(biāo)限制范圍內(nèi);剎車踏板，離合踏板，方向標(biāo)等X向和Z向額跳動(dòng)量均無改變。從優(yōu)化后的CAE計(jì)算結(jié)果的結(jié)構(gòu)和加速度波形表現(xiàn)來看，優(yōu)化方案沒有產(chǎn)生新的結(jié)構(gòu)問題，說明該方案可行，可以用于進(jìn)行實(shí)車試驗(yàn)。

4 優(yōu)化方案試驗(yàn)驗(yàn)證

經(jīng)過CAE仿真驗(yàn)證，上述優(yōu)化方案可以解決焊點(diǎn)撕裂問題，重新修改軟模模具，再次造車進(jìn)行第二輪實(shí)車碰撞試驗(yàn)。

為了消除碰撞試驗(yàn)本身誤差的影響，規(guī)定第二輪試驗(yàn)加速度傳感器的位置必須和第一輪的位置一致，第二輪的車身測量點(diǎn)的位置必須和第一輪試驗(yàn)的位置一致，第二輪的數(shù)采設(shè)備編號(hào)必須和第一輪數(shù)采設(shè)備編號(hào)一致，第二輪的各種假人的編號(hào)的位置必須和第一輪試驗(yàn)假人的編號(hào)一致，第二輪的碰撞試驗(yàn)質(zhì)量必須和第一輪碰撞試驗(yàn)質(zhì)量一致，碰撞速度設(shè)置也和第一輪一致。

優(yōu)化前后碰撞試驗(yàn)B柱下部加速度曲線峰值為42g，比優(yōu)化前低（優(yōu)化前43g），整體加速度曲線走勢好于優(yōu)化前。圖4為優(yōu)化前后碰撞試驗(yàn)OLC對比，優(yōu)化后的OLC（27.5g）要小于優(yōu)化前（29g），優(yōu)化后的結(jié)構(gòu)更有利于約束系統(tǒng)的后期優(yōu)化。

優(yōu)化后碰撞試驗(yàn)，車身底板完整，且變形較小，拆解碰撞車后檢查，底板與門檻連接區(qū)域無焊點(diǎn)撕裂，縱梁與門檻的之間的接連件與底板無焊點(diǎn)撕裂，前座椅前橫梁與后橫梁均無明顯變形，部分監(jiān)測點(diǎn)位的三坐標(biāo)儀測量值見表2，前圍板最大入侵量從80mm增大到90mm，踏板侵入和方向盤跳動(dòng)都有5mm左右的增加，主駕和副駕前圍板歇腳區(qū)的入侵量均稍有所增大，所有的試驗(yàn)結(jié)構(gòu)指標(biāo)都在可接受的范圍內(nèi)。優(yōu)化方案有效，第一輪碰撞試驗(yàn)中的焊點(diǎn)撕裂問題被解決，優(yōu)化方案已被用于量產(chǎn)車輛。

5 結(jié)論

綜上優(yōu)化方案的試驗(yàn)驗(yàn)證，得出以下結(jié)論：

（1）縱梁，Kick down，門檻的剛度匹配的合理性至關(guān)重要，Kick down 區(qū)域的剛度設(shè)計(jì)不宜過強(qiáng)，縱梁與門檻之間的連接板結(jié)構(gòu)合理，焊接間距不宜過大，控制焊點(diǎn)間距在30mm;

（2）碰撞中，底板與門檻之間會(huì)產(chǎn)生X向的沖擊力，沖擊力的大小根據(jù)門檻和底板剛度匹配程度會(huì)有所差異，底板結(jié)構(gòu)與門檻的焊點(diǎn)連接力必須要大于此沖擊力，底板與門檻之間焊點(diǎn)密度不宜過小，可以控制焊點(diǎn)間距在30mm左右。

（3）Kick down設(shè)計(jì)需要有一定的強(qiáng)度，有利于減小乘員艙的侵入量，但是強(qiáng)度不能設(shè)計(jì)太高;總結(jié)為，對于A級(jí)車，Kick down區(qū)域的板材累計(jì)不宜超過5個(gè)，總料厚不宜超過6.05mm，鋼材以高強(qiáng)鋼板為主;并且適當(dāng)降低Kick down 區(qū)域的強(qiáng)度，有利于降低車身加速度波形;有利于座椅的穩(wěn)定性和假人姿態(tài)的保持，有利于乘員艙的完整性。

參考文獻(xiàn)

[1] 連勝利，張向亮，劉劍，等.汽車側(cè)面碰撞B柱結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)[J].汽車實(shí)用技術(shù)，2015，（4）：l1-12.

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[3] GB/T 20913-2007 乘用車正面偏置碰撞的乘員保護(hù)[S].天津：中國汽車技術(shù)研究中心，2007.

[4] C-NCAP管理規(guī)則（2021版）[M].天津：中國汽車技術(shù)研究中心，2021.

[5] 水野幸治，韓勇，陳一唯，等.汽車碰撞安全[M].北京：人民交通出版社，2016.

作者簡介：

趙鵬程（1985.10），男，漢族，籍貫湖北，中級(jí)工程師，碩士研究生，從事碰撞安全工作。