某SUV車型側(cè)面柱碰工況安全性能結(jié)構(gòu)優(yōu)化

唐家亮　歐世聲

某SUV車型側(cè)面柱碰工況安全性能結(jié)構(gòu)優(yōu)化

唐家亮歐世聲

（東風柳州汽車有限公司，廣西 柳州 545006）

為使某在研SUV車型側(cè)面柱碰達到2021版C-NCAP的五星要求，首先，根據(jù)收集整理的北美側(cè)面柱碰數(shù)據(jù)初步設定車身側(cè)圍侵入設計目標值；然后，搭建側(cè)面柱碰仿真計算模型進行有限元仿真計算并根據(jù)基礎狀態(tài)的結(jié)果對車身結(jié)構(gòu)進行優(yōu)化設計。通過分析對比不同方案，制定出能滿足安全要求的方案，經(jīng)CAE和實車試驗驗證有效。

側(cè)面柱碰；C-NCAP；設計目標值；結(jié)構(gòu)優(yōu)化

引言

近年來，我國汽車工業(yè)快速發(fā)展，截至2021年，汽車保有量達3.02億輛，隨著保有量增加隨之帶來交通事故的增加，造成了巨大的生命和財產(chǎn)損失。而在汽車交通事故中，側(cè)碰致傷率僅次于正面碰撞[1]。其重要原因是車輛側(cè)面的碰撞吸能空間較小，當車輛與剛性較大的柱狀物發(fā)生碰撞時，往往車身變形程度很大，使車內(nèi)乘員發(fā)生嚴重二次碰撞，直接影響乘員的生命安全[2]。能在碰撞事故特別是側(cè)面柱碰撞事故中保證乘員的安全，也就成了汽車安全研究的一個重要課題。2021版《中國新車評價規(guī)程》（C-NCAP）也增加了新能源汽車側(cè)面柱碰工況。本文參照NCAP柱碰的基本要求，結(jié)合公司在研車型的柱碰耐撞安全性開發(fā)，探討幾種不同結(jié)構(gòu)對柱碰侵入量的影響，為新車型的安全性能研發(fā)提供了參考。

1　基礎車型柱碰分析

1.1　側(cè)面柱碰工況簡介

側(cè)面柱碰工況示意如圖1 所示。

碰撞速度：32 km/h，方向與車輛前進方向成75°；

前排試驗假人：WS 50%男性；

后排試驗假人：無；

試驗壁障：直徑254 mm剛性柱；

壁障定位方式：壁障中心線對準前排假人頭部質(zhì)心。

圖1　柱碰分析工況

2021版C-NCAP在2018版的基礎上進行了完善和提升。側(cè)面柱碰撞法規(guī)是2021版C-NCAP新加入的法規(guī)，目前只對電動汽車和混沌汽車實施，燃油車還沒有實施。法規(guī)規(guī)定，在前排撞擊側(cè)放置 World SID 50th型假人，假人按照 ISO 15830和WG5 N1041 的規(guī)范進行準備和標定。壁障為剛直徑為254 mm的剛性柱。側(cè)面柱碰實驗也不同于側(cè)碰實驗，側(cè)碰實驗是碰撞臺車上的蜂窩鋁與車身接觸，接觸面積大，而且蜂窩鋁本身能夠變形吸能，只要車身整體有一定的結(jié)構(gòu)強度即可滿足要求。而柱碰的實驗壁障是直徑254 mm剛性柱，與車身接觸面積小，對車身結(jié)構(gòu)強度要求更高。

1.2　基礎車型拓撲優(yōu)化分析

如圖2所示，基礎車型是典型的承載式車身臺階型地板結(jié)構(gòu)，此種結(jié)構(gòu)優(yōu)點是拓展性較強，同一個下車為基礎可以開發(fā)出轎車、SUVMPV等一系列車型。其前地板本體高度較低，座椅橫梁位于地板上方，前座椅前后橫梁與門檻、中央通道組成前地板組要受力框架。作為公司近年來主要車型平臺，該下車體前座椅橫梁采用了590 DP超高強鋼，前座椅后橫梁和中央通道采用了780 DP超高強鋼，門檻采用了1180 MS馬氏體超高強鋼，B柱更是采用了抗拉強度1500 MP的熱成型鋼。綜合考慮性能、成本和輕量化，車型前地板結(jié)構(gòu)開發(fā)的款車型獲得18版C-NCAP五星評價。然而，隨著汽車工業(yè)的發(fā)展，人們對汽車安全性能要求越來越高，C-NCAP將增加側(cè)面柱碰工況，這對車型平臺結(jié)構(gòu)是一個新的挑戰(zhàn)。

模擬仿真評價標準建立：C-NCAP試驗法規(guī)側(cè)面柱碰撞主要是將假人頭部、胸部、腹部、骨盆的傷害值進行對比評價，因此，對于車身而言主要評估車門和B柱的侵入量。目前國內(nèi)的評價體系尚未正式開展燃油車的側(cè)面柱碰試驗，因此，尚無成熟的設計開發(fā)經(jīng)驗作為借鑒，北美幾款與本研究車型相近車型的NHTSA側(cè)面柱碰試驗結(jié)果如表1所示。

表1　北美柱碰試驗結(jié)果

有限元仿真分析方法是目前車輛被動安全仿真的主要方法，具有成本低、操作簡單、能實現(xiàn)變量的合理控制和設計等特點。隨著計算機軟件、硬件的不斷發(fā)展。車企、政府科技單位、科研院校都對有限元分析非常重視，目前相關(guān)研究已經(jīng)滲透到汽車開發(fā)周期的各個階段。近年來隨著車型不斷開發(fā)，科研人員通過實驗手段驗證仿真結(jié)果，然后不斷修正仿真相關(guān)參數(shù)，使得模擬仿真得到的結(jié)果準確性與實車碰撞效越來越接近，雖然仍不能完全代替實車試驗，但變形趨勢分析已經(jīng)非常準確可靠?；诒?參考數(shù)據(jù)建立仿真的VTS目標。參照試驗規(guī)范搭建仿真計算模型，主要包括立柱位置、車輛的初始速度及方向、車輛配重，建立接觸對等操作[3]，得到仿真模型對基礎車型進行拓撲優(yōu)化建模分析，其基礎車型柱碰關(guān)鍵區(qū)域數(shù)據(jù)如圖2所示，采用HyperWorks和LSDYNA軟件進行有限元建模、計算及后處理。網(wǎng)格尺寸6 mm，加載工況（如圖1所示）。基礎車型分析結(jié)果如表2和圖3所示，因基礎車型基于18版C-NCAP開發(fā)，只考慮了MDP側(cè)面壁障碰撞，而柱碰中車身變形主要集中在柱體撞擊的狹小區(qū)域里，B柱、門檻梁、地板均產(chǎn)生了嚴重的變形，撞擊區(qū)域內(nèi)整個側(cè)圍向內(nèi)凹陷，駕駛員的生存空間被擠壓到很小，對其生存產(chǎn)生了嚴重的威脅，從表2可以看出，主要考察點的侵入量都嚴重超標。

圖2　基礎車型數(shù)據(jù)

表2　基礎車型仿真情況

圖3　基礎結(jié)構(gòu)仿真變形過程

2　優(yōu)化方案制定

傳力路徑分析：承載結(jié)構(gòu)的高剛度、高強度、低重量設計是結(jié)構(gòu)工程師長期追求的目標，特別是航天、航空及汽車等領域，傳力路徑是指力在結(jié)構(gòu)中的傳遞路線，始于力的作用點，到對應的平衡反力處終止，其作為一種新的設計理念，近年來受到學者們的廣泛關(guān)注。

2.1 方案一

近年來的研究認為力總是沿著結(jié)構(gòu)剛度最大的通道傳遞，提出了一種基于相對剛度的傳力路徑可視化法，在汽車等結(jié)構(gòu)的傳力性能評價中得到應用。通過仿真的柱碰變形過程（如圖3所示）可以看出，碰撞的過程力量的傳遞可以分為3個層次，首先是門檻和B柱受到撞擊變形，然后傳遞到前后座椅橫梁、最后中央通道也受力變形。因為B柱用的是1500 MP強度級別的熱成型鋼，本身已經(jīng)比較強，要減少側(cè)面柱碰撞時侵入量，需要從提升門檻、座椅橫梁、和中央通道的強度入手制定方案。同時，因基礎車型是量產(chǎn)車型，盡量沿用現(xiàn)有車型零件，通過增加加強板來增強，以減少工裝和模具投入滿足安全性能的同時做到質(zhì)量增加最少，以滿足輕量化的需求，項目分解給車身重量增加不超過8 kg結(jié)構(gòu)簡單，滿足沖壓、焊接、涂裝工藝性要求，綜合以上分析，制定出方案一如圖4所示。另外，方案還需要考慮如下方面。

圖4　方案一優(yōu)化內(nèi)容

（1）門檻優(yōu)化：考慮到門檻長度尺寸達到1300 mm，屬于大件，若整體加厚或更換熱成型材料開發(fā)成本很高，于是在門檻內(nèi)外板上各增加了一塊加強板來提升其強度，材料選用超高強鋼780 DP，厚度均為1.2 mm；780 DP材料是目前應用最廣泛的冷沖壓高強鋼之一，同類常用的DP鋼按強度級別依次為590 DP、780 DP和980 DP，其強度級別依次變強，沖壓和焊接的工藝難度逐級升高。DP雙向鋼是鐵素體和馬氏體的混合組織，具有高加工硬化率、高抗拉強度、低屈強比、高延伸率、烘烤硬化性、高能量吸收能力，沖壓和焊接工藝成熟，是目前結(jié)構(gòu)類零件的首選用材。

（2）前座椅后橫梁正對B柱，與碰撞中心距離只有110 mm，提升后橫梁強度是必須的，但后橫梁受限于第二排乘客Z向腳部空間的約束無法加高，于是將座椅后橫梁替換為BR1500HS熱成型鋼。熱成型鋼目前在汽車上大量應用，熱成型鋼的原始組織為鐵素體和珠光體，經(jīng)過熱處理后快速沖壓冷卻形成均勻的馬氏體組織，即將常溫下抗拉強度級別500 MP～600 MP鋼板，經(jīng)過加熱到950℃左右高溫，一次加工成型后迅速冷卻所獲得的特殊高強度鋼。近年來隨著熱沖壓技術(shù)和熱成型用鋼材生產(chǎn)技術(shù)的發(fā)展，熱成型件成本降低到15元/kg～25元/kg，為其大批量應用于價格相對較低的普通乘用車奠定了基礎。

（3）在中央通道在中通道與前座椅橫梁搭接區(qū)域增添兩個幾字形加強件，其材料為590 DP厚度為 1.4 mm，使車身地板區(qū)域的 Y 向傳力路徑貫通。這兩個零件配合位置較多，形狀相對復雜，如果采用更強的材料成型難度太大。

對該車型進行以上結(jié)構(gòu)優(yōu)化，其仿真結(jié)果見表3 和圖5。

表3　方案一仿真情況

從分析結(jié)果來看，方案一基本滿足了設定目標要求，說明車身加強的基本思路是對的。但車身門檻左右四個零件，再加上中央通道增加的加強板，車身共增加8.8 kg，面對當今日趨苛刻的輕量化要求，如何對方案進行輕量化優(yōu)化成了主要問題。對方案一的幾個更改點進行詳細分析發(fā)現(xiàn)，其第一點檻加強板卻導致了5.3 kg增重；第二點優(yōu)化沒有增加車身質(zhì)量，耐撞強度卻得到了很大改善，第三點兩個中央通道加強板也只增加了1.2 kg。保留方案一中第二三點優(yōu)化措施，不增加門檻加強板，通過優(yōu)化傳力路徑解決門檻變形的問題將會是更優(yōu)的解決方案。前座椅后橫梁高度受人機布置限制不能加高，前橫梁的截面Z向尺寸比后橫梁大45 mm，其整體抗彎能力比后橫梁要強，如何讓前橫梁分擔更多碰撞能量，是解決此問題另一個思路。

2.2 方案二

方案二如圖6所示，沒有對門檻本身進行加強，而是從增加柱碰時力的傳遞路徑入手，在地板前后座椅橫梁之間增加了一根斜撐梁，材料采用780 DP。梁的一段連接到座椅前橫梁，另一端頂住門檻。柱碰時柱子直接撞擊到該加強梁的一端，該梁與門檻同時承擔撞擊力，直接減小門檻的受力大?。皇沟匕甯嗖课皇芰?，緩沖撞擊動能，減少侵入量并降低侵入速度。座椅前橫梁在司機座椅正下方，截面要比后橫梁大很多，其抗彎能力也比后橫梁要強，故通過增加的斜梁將沖擊力更多分散到座椅前橫梁上。另外，斜梁與座椅前橫梁鏈接點選擇在雪撬板的后端，而雪撬板的下方是前縱梁，此方案讓前縱梁也分擔了部分碰撞能量。對方案二進行柱碰CAE仿真模擬發(fā)現(xiàn)，主要考察點侵入量和侵入速度與方案一相當，詳見表4。

圖6　方案二增加斜撐梁

表4　兩種種優(yōu)化方案結(jié)果比較

從表4可以看出，兩種方案都能滿足目標要求，方案二和方案一都是傳統(tǒng)的增加鈑金加強，工藝上容易實現(xiàn)，但方案一是方案二重量的兩倍以上，因此選定方案二作為下車體優(yōu)化方案，匹配上車體和約束系統(tǒng)帶入模型進行詳細計算，評估駕駛員傷害在設定的目標范圍之內(nèi)。

3　實車試驗

為進一步驗證仿真結(jié)果的正確性，需要進行實車試驗，實車試驗法主要是通過實車與實車間的碰撞驗證整車安全性能的一種試驗手段，在實驗中找碰撞發(fā)生車身變形情況、侵入量、侵入速度、碰撞時車身在各個時間段加速度大小等數(shù)據(jù)，通過數(shù)據(jù)分析修正設計方案，從而提升車身安全性能保護乘員的生命安全。同時，從實車碰撞試驗中到的可靠數(shù)據(jù)對約束系統(tǒng)的參數(shù)設置也具有重要的意義，可以為安全氣囊引爆時間點設置，主動安全帶啟動時機提供可靠參數(shù)。文中涉及的幾個新開零件采用軟工裝開發(fā)試制，可快速按設計數(shù)據(jù)制造出樣車。軟工裝零件模具不同于正式模具，通常稱其為軟模，軟模的壽命很短，一般完成幾十套零件的沖壓就報廢，一般只開發(fā)成型工序，切邊和沖孔用激光完成[4]。以本文中新開發(fā)的前座椅后橫梁為例，其采用熱成型材料，由公司配套的專業(yè)熱成型廠家提供，正常的熱成型模具模座采用鑄鐵制作，工作部分零件是硬質(zhì)合金鋼鑲塊，鑲塊中間設置有水道以保證能實現(xiàn)快速冷卻，而軟模直接采用標準模座，無需全新投入，工作部分采用鑄造鋼，不設置水道，通過延長保壓時間來實現(xiàn)零件冷卻。所有零件樣件檢驗采用三坐標配合軟模形面進行100%檢測，確保零件精度。地板焊接小總成采用專用于試制開發(fā)的柔性焊接生產(chǎn)線焊接，軟工裝試制要求的產(chǎn)量不高，不需像量產(chǎn)一樣的高效率節(jié)拍。使用試制車間的柔性化生產(chǎn)線，該生產(chǎn)線上焊接夾具的基座上設置有很多安裝孔，可以根據(jù)不同試制件的需求調(diào)整焊接定位、夾持的位置。試制時只需要開發(fā)與焊接零件定位的部分，從而縮短開發(fā)和某一車型專用焊接線的時間，降低試制開發(fā)的成本。試制團隊對每一道工序焊接件進行檢查，確保每一個焊點符合設計數(shù)據(jù)要求，總裝裝配完成后組織研發(fā)和制造、質(zhì)量相關(guān)人員對車輛狀態(tài)進行評審確認。

如圖7所示，試制車制作完成后，車輛按試驗要求狀態(tài)配置，運送到特定試驗場進行測試。為收集數(shù)據(jù)，先將覆蓋在車身上內(nèi)飾件拆除，在需要測量的點上做上標記并進行三坐標測量，記錄數(shù)據(jù)。然后將拆掉的零件全部裝回，根據(jù)試驗的要求進行配重、檢查胎壓及電瓶電量狀態(tài)等。碰撞試驗完成后，根據(jù)評分規(guī)則對假人進行評分，總得分為15.05（滿分16分）得分率94.1%超過目標值85%，滿足五星目標要求。在車上左側(cè)主要考察點貼上檢測點標識和傳感器，通過車身右側(cè)非變形區(qū)域前門鉸鏈安裝孔和和后門鎖扣按建立基準，測出主要考察點的侵入量和侵入速度，與CAE模擬仿真情況做對比，見表5。

圖7　實車試驗

表5　B柱侵入量 CAE模擬仿真和實車試驗比較

通過以上數(shù)據(jù)對比可以發(fā)現(xiàn)，CAE仿真和試車實驗雖然存在差異，但整體變形趨勢基本一致，說明分析方法和設定的目標基本合理，也說明車身耐撞性能優(yōu)化方案著實有效。

4　結(jié)束語

本文圍繞白車身前地板結(jié)構(gòu)對車車身柱碰耐撞性能的提升進行探討，通過對對碰撞傳力路徑進行分析找出可以解決問題的備選方案，優(yōu)化方案并結(jié)合CAE分析對幾種方案進行分析對比找出最優(yōu)方案，并經(jīng)試車實驗驗證有效。文中方案二重量輕、成本低、工藝性好，此結(jié)構(gòu)構(gòu)可以為今后其他車型安全性能開發(fā)提供參考，這種解決問題的思路和方法也可供其他車型開發(fā)借鑒。

[1] Mcneill A, Haberl J, Holzner M, et al. Current worldwide side impact activities-diver gence versus harmonisation and the possible effect on future car design[C]. 19th Intemation Technical Conference on the Enhanced Safety of Vehicles, 2005.

[2] 劉金鑫. 汽車側(cè)面柱碰結(jié)構(gòu)安全性及乘員損傷仿真研究[D]. 蘭州: 蘭州交通大學，2016.

[3] 肖海濤，董江濤，王月，等. 某車型側(cè)面柱碰車身結(jié)構(gòu)耐撞性優(yōu)化[J]. 汽車安全與節(jié)能學報，2015，6(2): 156-163.

[4] 汪紅，張正舉，黎志梅，等. 柔性軟工裝在樣車試制中的應用[J] . 時代汽車，2018(7): 122-123，126.

Safety Performance and Structural Optimization of an SUV under Side Pole Impact Condition

In order to make the side pole impact of an SUV model under research meet the five-star requirements of 2021 version C-NCAP, firstly, the design target value of body side wall intrusion is preliminarily set according to the collected side pole impact data at north America. Then, the side column impact simulation calculation model is built for finite element simulation calculation and the optimization design of the body structure is carried out according to the results of the foundation state. Through analysis and comparison of different schemes, a scheme that can meet the safety requirements is developed, which is verified to be effective by CAE and real vehicle test.

side pole impact; C-NCAP; design target value; structural optimization

U461

A

1008-1151(2022)10-0060-04

2022-05-21

唐家亮（1980－），男，東風柳州汽車有限公司車身工程師，研究方向為車身結(jié)構(gòu)設計。