基于40%偏置碰撞的車身結(jié)構(gòu)優(yōu)化

蔣珂

（200093 上海市 上海理工大學(xué) 機(jī)械工程學(xué)院）

0 引言

汽車保有量的日益增加給交通環(huán)境帶來了巨大壓力，頻發(fā)的交通事故造成了慘痛的人員傷亡和經(jīng)濟(jì)損失，汽車的碰撞安全性是車身結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)階段必須考慮的重要因素。汽車安全技術(shù)分為被動(dòng)安全和主動(dòng)安全，主動(dòng)安全的研究方向是盡可能避免汽車發(fā)生安全事故；被動(dòng)安全的研究方向是在汽車發(fā)生事故后，最大程度減少車內(nèi)外人員受到的損傷[1]。被動(dòng)安全技術(shù)對(duì)減少道路交通事故死亡率具有顯著作用，對(duì)提升汽車碰撞安全性能有重要意義。

車與車碰撞的事故一般分為正面碰撞、側(cè)面碰撞和追尾碰撞等，其中正面碰撞事故的發(fā)生率最高。正面碰撞的形式又可分為正面100%全寬碰撞（FRB）、正面40%偏置碰撞（ODB）和正面25%小偏置碰撞（SOB）等[2]。在實(shí)際的交通事故中，偏置碰撞事故是很常見的碰撞情況，本文將基 于2018 版C-NCAP（China-New Car Assessment Program，中國(guó)新車評(píng)價(jià)規(guī)程）的40%偏置碰撞工況要求，對(duì)某在研純電動(dòng)SUV 進(jìn)行車身結(jié)構(gòu)的仿真與優(yōu)化，提升汽車的碰撞安全性能。

為提高汽車廠商對(duì)車輛耐撞性設(shè)計(jì)的重視，構(gòu)建安全可靠的道路交通環(huán)境，世界各地區(qū)都制定了相應(yīng)的碰撞安全法規(guī)和評(píng)價(jià)體系[3-4]。目前可分為2 種：以美國(guó)為代表的美標(biāo)FMVSS 法規(guī)和US NCAP 評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)，以歐盟各國(guó)為代表的歐標(biāo)ECE法規(guī)和Euro NCAP 評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)。我國(guó)的C-NCAP 依托于中國(guó)汽車技術(shù)研究中心，于2006 年發(fā)布了首版評(píng)價(jià)手冊(cè)，包括乘員保護(hù)、行人保護(hù)和主動(dòng)安全三大部分，推動(dòng)了汽車廠商對(duì)車輛安全技術(shù)的重視，促進(jìn)了中國(guó)汽車產(chǎn)業(yè)的健康發(fā)展。

1 有限元仿真模型的建立

目前，研究汽車碰撞安全性能的方法主要為實(shí)車試驗(yàn)法和有限元仿真分析法。實(shí)車試驗(yàn)法是最直觀的方法，但其成本較高，且車輛一經(jīng)碰撞后不能重復(fù)進(jìn)行試驗(yàn)，試驗(yàn)費(fèi)用也很高。而有限元仿真分析法能夠貫穿于整個(gè)汽車開發(fā)流程，有效縮短研發(fā)周期，減少經(jīng)濟(jì)損耗，可以大量重復(fù)地進(jìn)行試驗(yàn)，結(jié)合各種專業(yè)工程軟件及時(shí)修改設(shè)計(jì)缺陷，提升新車型的研發(fā)效率。有限元法的中心思想是將復(fù)雜的結(jié)構(gòu)離散為有限的一個(gè)個(gè)小單元，通過求解出每個(gè)小單元的近似解，進(jìn)而推導(dǎo)出整個(gè)結(jié)構(gòu)的解。汽車碰撞是一個(gè)大變形和非線性的過程，通常采用有限元顯示非線性方法進(jìn)行求解。

2018 版C-NCAP 規(guī)定的正面40%重疊可變形壁障碰撞試驗(yàn)工況如圖1 所示[5]。

圖1 正面40%重疊可變形壁障碰撞試驗(yàn)Fig.1 Front 40% overlap deformable barrier crash test

試驗(yàn)車輛的碰撞速度設(shè)為64 km/h，車身前端與可變形壁障的重疊率為車寬的40%，上下限在±20 mm，撞擊側(cè)位于車身前端左側(cè)。此外，為了模擬和評(píng)估車內(nèi)乘員受傷害的程度，駕駛員側(cè)和副駕駛員側(cè)放置Hybrid Ⅲ型50 百分位男性假人，第2 排左側(cè)座椅放置Hybrid Ⅲ型5 百分位女性假人?？勺冃伪谡系男问饺鐖D2 所示，由蜂窩鋁主體、保險(xiǎn)杠元件、背板、覆板、保險(xiǎn)杠面板和黏合劑組成，其中蜂窩鋁高650 mm，寬1 000 mm，深450 mm，材料為鋁3003。

圖2 可變形壁障結(jié)構(gòu)尺寸Fig.2 Deformable barrier structure dimensions

根據(jù)C-NCAP規(guī)定的試驗(yàn)工況，基于三維模型，利用有限元前處理軟件ANSA 搭建整車碰撞仿真模型，如圖3 所示。模型建立步驟：（1）將CATIA模型導(dǎo)入ANSA 進(jìn)行幾何清理，簡(jiǎn)化對(duì)碰撞結(jié)果影響較小的部分；（2）網(wǎng)格劃分，檢查網(wǎng)格質(zhì)量，修復(fù)干涉和穿透等；（3）對(duì)各零部件進(jìn)行連接，包括螺栓連接、點(diǎn)焊模擬和粘膠模擬等；（4）賦予各零部件對(duì)應(yīng)的材料；（5）設(shè)置接觸形式，整車自身采用自動(dòng)單面接觸，整車和壁障間采用自動(dòng)面面接觸。對(duì)整車施加重力加速度9.8 m/s2，賦予初始速度64 km/h，設(shè)置仿真時(shí)間為150 ms，提交有限元求解器LS-Dyna 進(jìn)行仿真分析。

圖3 40%偏置碰撞有限元仿真模型Fig.3 40% offset collision finite element simulation model

汽車碰撞過程中，大部分動(dòng)能會(huì)轉(zhuǎn)化成內(nèi)能，總能量基本保持不變，而沙漏能會(huì)不可避免地產(chǎn)生[6]。為提高模型計(jì)算效率，減少仿真時(shí)間，LSDYNA 在求解汽車碰撞過程中，會(huì)縮減積分單元，導(dǎo)致單元節(jié)點(diǎn)位移可能不為零，但因積分節(jié)點(diǎn)位于單元中心，插值運(yùn)算得出的應(yīng)變?yōu)榱?，即沙漏現(xiàn)象。沙漏現(xiàn)象在物理中不會(huì)發(fā)生，但數(shù)學(xué)計(jì)算中會(huì)發(fā)生。一般認(rèn)為，有限元模型的沙漏能不大于總能量的5%，即可認(rèn)為該模型符合精度要求。圖4 為該仿真模型的能量變化曲線?？梢钥闯?，沙漏能占總能量的比例遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于5%，因此可認(rèn)為該仿真模型具有一定的有效性。

圖4 有限元仿真模型能量變化曲線Fig.4 Energy change curve of finite element simulation model

2 偏置碰撞車身結(jié)構(gòu)仿真結(jié)果分析

2.1 車身加速度與乘員艙侵入量

一般以B 柱加速度作為評(píng)價(jià)整車加速度的指標(biāo)，測(cè)量點(diǎn)取B 柱下端。車身加速度是評(píng)價(jià)車身所受沖擊的重要指標(biāo)，車身加速度越大，整車所受的沖擊越大，車內(nèi)乘員受到的損傷程度也越高，整車碰撞安全性能就越差[7]。對(duì)優(yōu)化前的碰撞模型進(jìn)行仿真分析，得到B 柱加速度曲線如圖5 所示?？梢钥闯?，0～150 ms 內(nèi)，在12 ms 左右出現(xiàn)了加速度的第1 個(gè)峰值，此時(shí)保險(xiǎn)杠與可變形壁障發(fā)生接觸，最大加速度出現(xiàn)時(shí)刻為92 ms，達(dá)到40.0 g，按照C-NCAP 五星車型的標(biāo)準(zhǔn)，應(yīng)降低至35.0 g以下，當(dāng)前模型仿真結(jié)果不能滿足目標(biāo)要求。

圖5 B 柱加速度曲線Fig.5 Acceleration curve of B pillar

汽車碰撞事故發(fā)生后，車內(nèi)乘員的生存空間是保證乘員生命安全的重要因素。取駕駛員腳部、踏板、中部橫梁、防火墻及方向盤下部為測(cè)量點(diǎn)，同時(shí)測(cè)量車身左側(cè)A 柱和B 柱的位移，共同作為評(píng)價(jià)乘員艙生存空間的指標(biāo)，得到仿真后的各測(cè)量點(diǎn)結(jié)果見表1。

表1 乘員艙侵入量Tab.1 Crew cabin intrusion

可以看出，除踏板侵入量以外，其他各測(cè)量點(diǎn)侵入量均不滿足目標(biāo)要求。其中，駕駛員側(cè)腳部腳趾處侵入量為92 mm，遠(yuǎn)高于目標(biāo)上限值60 mm，駕駛員下肢受到的損傷風(fēng)險(xiǎn)較大。中部橫梁侵入量為77 mm，超出目標(biāo)上限值3 倍多，直接減小了乘員的胸部生存空間。防火墻侵入量達(dá)到上限，乘員艙整體變形情況較差。

2.2 車體結(jié)構(gòu)變形分析

觀察仿真結(jié)果，發(fā)現(xiàn)A 柱發(fā)生較為嚴(yán)重的折彎，如圖6 所示，該變形情況有可能導(dǎo)致碰撞事故發(fā)生后，車門不能正常開啟，駕駛員無法順利逃生，對(duì)車內(nèi)乘員的生命安全造成威脅。A 柱作為連接車頂和前艙的部件，應(yīng)保證一定的剛度，因此需要對(duì)A 柱進(jìn)行優(yōu)化改進(jìn)。

圖6 A 柱變形仿真結(jié)果Fig.6 Deformation of A pillar

前縱梁是汽車重要的承載部件，在汽車正面碰撞過程中，前縱梁是關(guān)鍵的吸能部件，碰撞后的前縱梁變形結(jié)果如圖7 所示?？梢钥闯?，縱梁后部變形情況不夠理想，發(fā)生失穩(wěn)現(xiàn)象。

圖7 前縱梁變形情況Fig.7 Deformation of front middle rail

關(guān)注本研究純電動(dòng)車型碰撞后前艙內(nèi)高壓線束的擠壓變形情況。圖8 為碰撞仿真后的變形情況及高壓線束的有效塑性應(yīng)變，可以看出高壓線束受到了三電橫梁和水箱上橫梁的擠壓變形。

圖8 高壓線束變形情況Fig.8 Deformation of high-voltage wiring harness

3 車身結(jié)構(gòu)優(yōu)化方案及仿真結(jié)果

正面碰撞過程中，車身前端的碰撞力傳遞路徑一般分為上中下3 條。碰撞力在上部由上邊梁傳向乘員艙及A 柱；在中部由前防撞梁和吸能盒傳至前縱梁；在下部由下邊梁、副車架傳至車輪等[8-9]。

40%偏置碰撞工況下的傳力路徑及截面力如圖9 所示。碰撞力從前防撞梁及吸能盒傳至后部的前縱梁及乘員艙，分析各零件截面力，針對(duì)上文討論的車體結(jié)構(gòu)變形情況，提出增大吸能盒吸能能力、增強(qiáng)前縱梁吸能強(qiáng)度和提升A 柱結(jié)構(gòu)強(qiáng)度的優(yōu)化方案，并進(jìn)行仿真分析。

圖9 車身碰撞力傳力路徑Fig.9 Body impact force transmission path

吸能盒在碰撞過程中的變形形式為壓潰變形，它可以將前防撞梁傳遞的能量吸收并傳遞至前縱梁，起到關(guān)鍵的橋梁作用[10]。常見的吸能盒截面有方形和圓形，基于與前縱梁的形狀尺寸配合，采用方形截面，為提升吸能率，在吸能盒中部添加橫筋。此外，由上文所述優(yōu)化前縱梁變形情況知，縱梁在潰縮時(shí)失穩(wěn)，基于工程經(jīng)驗(yàn)，在吸能盒前端4個(gè)角落開孔，如圖10 所示。同時(shí)，將前縱梁厚度由2.2 mm 增大至2.6 mm，截面形狀采用目字形，如圖11 所示。吸能盒和前縱梁的材料均采用6063鋁合金，彈性模量為69 000 MPa，泊松比為0.33。優(yōu)化后的仿真結(jié)果可看出縱梁變形趨于平穩(wěn)，如圖12 所示。

圖10 吸能盒結(jié)構(gòu)形式Fig.10 Crash box structure

圖11 前縱梁結(jié)構(gòu)形式Fig.11 Middle rail structure

圖12 優(yōu)化后的前縱梁變形情況Fig.12 Deformation of optimized front middle rail

針對(duì)上文討論的A 柱嚴(yán)重折彎現(xiàn)象，為提升A 柱強(qiáng)度，在A 柱內(nèi)板側(cè)增加一塊加強(qiáng)板，厚度為1.2 mm，材料為CR980T/700Y，彈性模量為207 000 MPa，泊松比為0.29；A 柱外板側(cè)也增加一塊加強(qiáng)板，厚度為1.2 mm，材料為CR780T/420Y，彈性模型為207 000 MPa，泊松比為0.29，如圖13所示。優(yōu)化后的A 柱變形情況如圖14 所示，

圖13 A 柱添加加強(qiáng)板Fig.13 Reinforcement plate for A pillar

圖14 優(yōu)化后的A 柱變形情況Fig.14 Deformation of optimized A pillar

此外，觀察結(jié)構(gòu)優(yōu)化后的高壓線束變形情況如圖15 所示。高壓線束未受到擠壓，無斷裂風(fēng)險(xiǎn)。

圖15 優(yōu)化后的高壓線束擠壓情況Fig.15 Squeezing of optimized high-voltage wiring harness

提取優(yōu)化后整車模型的碰撞仿真結(jié)果，得到B柱加速度，如圖16 所示。在0～150 ms 的仿真時(shí)間內(nèi)，最大加速度峰值為35.1 g，位于88 ms。相較結(jié)構(gòu)優(yōu)化前的加速度值40.0 g，B 柱加速度值得到了明顯的降低，基本達(dá)到目標(biāo)要求。

圖16 模型優(yōu)化后的B 柱加速度曲線Fig.16 Acceleration curve of B pillar after model optimization

測(cè)量乘員艙入侵量得到表2?？芍?，各測(cè)量指標(biāo)均滿足目標(biāo)要求，防火墻最大侵入量由120 mm降低至50 mm，駕駛員腳部侵入量降低至最大值以下，中部橫梁侵入量由77 mm 降低至11 mm，A 柱和B 柱僅發(fā)生微小位移，乘員艙的生存空間一定程度上得到了改善和保證。

表2 模型優(yōu)化后的乘員艙入侵量Tab.2 Intrusion of crew cabin after model optimization

（續(xù)表）

4 結(jié)論

本文基于C-NCAP 規(guī)定的40%偏置碰撞工況，對(duì)某在研SUV 車型進(jìn)行了碰撞仿真分析與優(yōu)化，通過分析碰撞力在車身的傳遞路徑，對(duì)主要吸能零部件進(jìn)行結(jié)構(gòu)優(yōu)化，改善吸能盒和前縱梁截面形狀，增大前縱梁厚度，采取輕型鋁合金材料。對(duì)A 柱添加加強(qiáng)板，材料采用高強(qiáng)度鋼。優(yōu)化后的碰撞仿真結(jié)果表明車身變形情況趨于合理，前艙內(nèi)高壓線束未受到擠壓。此外，選取B 柱加速度和乘員艙變形量作為評(píng)價(jià)車內(nèi)乘員受到的損傷風(fēng)險(xiǎn)，模型優(yōu)化后得到的各評(píng)價(jià)指標(biāo)都有明顯的降低，滿足優(yōu)化目標(biāo)的需求，汽車的碰撞安全性能得以提升。