基于MPDB和25%偏置碰的白車身設計研究

畢思剛 范凱 唐明理

（一汽奔騰轎車有限公司，長春 130012）

縮略語

BIW Body In White

MPDB Mobile Progressive Deformable Barrier

C-NCAP China-New Car Assessment Program

C-IASI China Insurance Automotive Safety Index

SD Standard Deviation

OLC Occupant Load Criterion

0 引言

伴隨著供給端的技術革命和需求端的消費升級，汽車產業(yè)正處在深刻變革轉型期，產品與技術領域呈現(xiàn)出電動化、智能網聯(lián)化、駕乘體驗化、安全健康化、節(jié)能降耗化的“五化”發(fā)展趨勢。一方面，“安全健康化”以及日益嚴格的汽車安全評價指標對白車身安全性能開發(fā)提出了更高的要求。以中國新車評價規(guī)程（China-New Car Assessment Program,C-NCAP）和中國保險汽車安全指數(shù)（China Insurance Automotive Safety Index,C-IASI）為例，2021版C-NCAP采用正面50%重疊移動漸進變形壁障碰撞試驗（Mobile Progressive De?formable Barrier,MPDB）替代了2018 版正面40%重疊可變形壁障碰撞試驗[1]，在關注車輛自我保護的同時對車輛的攻擊性和碰撞兼容性提出了新的要求。CIASI 中的正面25%偏置碰撞試驗工況憑借低碰撞重疊率（25%），高碰撞速度（64.4 km/h）的特點已成為白車身安全性能開發(fā)新的重點課題[2]。另一方面，“駕乘體驗化”和“節(jié)能降耗化”對白車身輕量化設計提出了更多的挑戰(zhàn)。在滿足高安全性能目標的同時兼顧輕量化開發(fā)對白車身開發(fā)的關鍵技術能力提出了更高要求。

本文結合某高安全（2021 版C-NCAP 五星，2020版C-IASI G 評價）SUV 車型白車身產品開發(fā)，圍繞MPDB碰撞兼容性和25%偏置碰工況的解決方案及輕量化技術開展設計研究。

1 MPDB碰撞兼容性的開發(fā)難點及解決方案

1.1 開發(fā)難點及應對思路

傳統(tǒng)的正面100%重疊剛性壁障碰撞試驗與正面40%重疊可變形壁障碰撞試驗，正面碰撞工況更加關注的是車輛自身結構件對于碰撞能量的吸收能力，而MPDB工況更加關注車與車正面碰撞過程中平衡分配碰撞能量以實現(xiàn)“共贏”的能力，即碰撞兼容性水平。平衡“自我保護”與“保護對方”之間的矛盾是MPDB碰撞兼容性開發(fā)的難點和關鍵點。MPDB碰撞兼容性開發(fā)的關鍵控制指標包括以下3方面：

（1）碰撞后壁障變形量的標準偏差（Standard De?viation,SD）：考察壁障評價區(qū)域內，碰撞侵入量偏離平均值的離散程度。

（2）依據(jù)壁障減速度測得的臺車上乘員載荷準則（Occupant Load Criterion,OLC）：考察碰撞臺車虛擬假人所受約束的減速度，反應對方車輛乘員所受傷害情況。

（3）碰撞后壁障入侵深度：考察壁障是否“擊穿”[3]。

分析以上關鍵控制指標可以得出影響碰撞兼容性設計的3大關鍵要素：

（1）車輛前端傳力結構與壁障評價區(qū)域的接觸面積；

（2）碰撞接觸面的平整程度；

（3）傳力路徑的合理分布以及強度匹配。

1.2 某SUV車型解決方案及輕量化技術

1.2.1 優(yōu)化車輛前端與壁障評價區(qū)域的接觸面積

為使車輛前端傳力結構能夠有效覆蓋壁障評價區(qū)域，使碰撞載荷得到合理分布，某SUV 車型前端采用了寬防撞梁加雙吸能盒設計，并在主防撞梁下部增加副防撞梁，如圖1所示。同時，前防撞梁及雙吸能盒采用擠壓鋁型材，副防撞梁采用管梁代替鈑金橫梁結構實現(xiàn)輕量化。

圖1 車輛前端傳力結構與壁障重疊區(qū)域示意

1.2.2 碰撞接觸面及傳力路徑設計

主副防撞梁作為車輛前端與壁障最先接觸區(qū)域，其平整程度是設計關鍵。該車型主副防撞梁X向型面采用平齊設計，且曲率保持一致，確保與壁障的碰撞接觸面平整無突兀。在傳力路徑設計方面，增加上部路徑，將前端梁（Shotgun）前伸至前縱梁前端板，與加寬后的雙吸能盒以及前縱梁相連，加強對碰撞載荷的吸收與傳導，如圖2所示。

圖2 車輛前端傳力路徑及與壁障接觸面示意

1.2.3 方案分析驗證

通過增大碰撞接觸面積、提升接觸面平整度和優(yōu)化碰撞傳力路徑，提升白車身碰撞兼容性。經CAE分析及實車試驗驗證，車輛前端的碰撞傳力結構變形合理，最終總體罰分為-1.5 分，滿足兼容性罰分開發(fā)目標。實車驗證試驗結果如圖3和圖4所示。驗證結果表明：本文中SUV車型白車身應對MPDB 碰撞兼容性工況所采用的設計方案可行，具備推廣借鑒基本條件。

圖3 實車試驗壁障變形示意

圖4 實車試驗壁障表面變形云圖

2 25%偏置碰開發(fā)難點及解決方案

2.1 開發(fā)難點及應對思路

正面25%偏置碰撞試驗時車速高達64.4 km/h，且剛性壁障與傳統(tǒng)車型縱梁幾乎不發(fā)生接觸，A柱及門檻受到較大沖擊，如何將碰撞能量有效合理的吸收和傳導是25%偏置碰工況開發(fā)的難點和關鍵點[4]。應對25%偏置碰的車體結構策略主要有2大類。

2.1.1 側滑策略

通過Shotgun前伸后與前端框架上橫梁弧形連接形成環(huán)抱式封閉框架，同時加強Shotgun 與前縱梁的連接，當車輛與壁障接觸時能夠產生足夠的Y向側推力，使車輛繞過壁障側向滑出，從而減小對乘員艙的侵入量。該策略對前機艙的橫向剛度要求很高，除Shotgun 自身的截面和厚度比較大以外，Shotgun 與縱梁、兩側Shotgun 之間的連接也需要采用剛度較高的材料和結構設計。同時，由于輪胎與壁障接觸面積較大，為確保車輛能夠與壁障順利分離需要輪胎能夠在碰撞中失效脫出，這對輪胎連接結構的可靠性設計提出了較高要求。由于車輛首次碰撞后仍然具有較大的滑移速度，也容易產生二次碰撞傷害。

2.1.2 吸能策略

通過對傳力路徑及吸能結構的合理有效設計，使前機艙對碰撞能量的吸收最大化。同時，對乘員艙A柱、門檻、地板縱梁關鍵承力結構進行加強，將碰撞能量有效傳導和吸收，從而達成侵入量指標。目前，吸能策略在行業(yè)內的應用較為廣泛。

2.2 某SUV車型解決方案及輕量化技術

某SUV 車型基于吸能策略，圍繞車體傳力路徑、傳力結構設計以及材料工藝選用進行了技術優(yōu)化與創(chuàng)新應用。

2.2.1 傳力路徑設計

為實現(xiàn)剛性壁障與車體傳力結構有效接觸，對車體前部傳力結構進行重構優(yōu)化，如圖5所示：

圖5 機艙前部傳力結構設計示意

（1）前防撞梁及吸能盒Y向擴展，增加與壁障接觸面積；

（2）前縱梁前部在避讓輪胎包絡后Y向外張，加強對吸能盒的支撐，增加與壁障接觸面積；

（3）Shotgun 前伸至前縱梁前端板，與加寬后的雙吸能盒以及前縱梁相連。

為實現(xiàn)碰撞載荷的有效分解和傳導，該車型在傳力路徑設計上著重采取了3方面優(yōu)化措施（圖6～圖8）：

圖6 傳力路徑示意（側向視角）

圖7 傳力路徑示意（底部視角）

圖8 傳力路徑示意（車內視角）

（1）Shotgun 前伸后形成上部傳力路徑，增加前機艙對碰撞能量的吸能，同時更好的將碰撞能量傳導至A柱區(qū)域（圖6）；

（2）下部采用“E”形傳力路徑設計，將碰撞能量分解至門檻和中通道，同時縱梁主體前后連續(xù)貫通，避免局部應力集中（圖7）；

（3）強化縱梁與A柱及門檻間的連接，提升橫向剛度，避免縱梁與門檻間因相互錯動導致侵入量超標（圖8）。

2.2.2 傳力結構優(yōu)化及材料工藝創(chuàng)新

為確保前機艙各吸能結構充分有效，傳力路徑上各零部件強度相互匹配，在該車型開發(fā)中針對傳力結構開展了6項細節(jié)優(yōu)化，包括創(chuàng)新應用新材料、新工藝實現(xiàn)輕量化，如圖9所示。

圖9 傳力結構優(yōu)化示意

（1）A柱上部加強板創(chuàng)新采用1.8 GPa熱成型鋼+補丁板（Patch）設計，通過Patch板對易彎折區(qū)域進行局部加強，同時可節(jié)省模具費用。A柱內板創(chuàng)新應用第三代超高強鋼QP980，料厚由1.2 mm優(yōu)化至1.0 mm實現(xiàn)輕量化。

（2）A 柱下部與前圍搭接區(qū)域增加螺接結構加強件，強化關鍵傳力接頭，提升局部穩(wěn)定性。

（3）在前地板上部增加T 形穩(wěn)定結構，強化縱梁與門檻間的橫向剛度，避免發(fā)生錯動變形。

（4）對前門洞轉角區(qū)域焊點進行加密，強化關鍵傳力接頭，同時規(guī)避焊點失效風險。

（5）門檻加強板延伸至A 柱下部最前端，同時局部增加L形角板進行補強。

（6）A柱下部加強板及內板采用全包裹設計，提升關鍵傳力接頭的結構強度。

2.2.3 方案分析驗證

通過傳力路徑的合理設計、傳力結構的細節(jié)優(yōu)化以及材料工藝創(chuàng)新技術的應用，經CAE 分析驗證，白車身碰撞傳力結構變形合理，A柱上部未發(fā)生明顯彎折，各項侵入量指標達成開發(fā)目標要求，如圖10、圖11所示。驗證結果表明，本文中SUV車型應對25%偏置碰工況所采用的設計方案可行。

圖10 CAE分析變形結果示意

圖11 CAE分析侵入量結果

3 結束語

結合某高安全（2021版C-NCAP 五星，2020版CIASI G評價）SUV車型白車身產品開發(fā)，圍繞MPDB碰撞兼容性和25%偏置碰工況的開發(fā)難點、應對思路、解決方案及輕量化技術進行了詳細分析闡述，經CAE分析及實車試驗驗證達成開發(fā)目標要求，形成了應對MPDB 碰撞兼容性和25%偏置碰工況的有效路徑，夠滿足碰撞兼容性和輕量化要求，該方案可以推廣到后續(xù)高安全車型白車身產品開發(fā)中。