面向輕量化的某車型正面碰撞安全性研究

孫倬 宋博

（本鋼板材股份有限公司研發(fā)院，本溪 117000）

1 前言

通過車身輕量化減輕整車質(zhì)量是降低整車油耗的有效手段。同時，汽車保有量的增加和復(fù)雜多樣的路況對車輛自身的安全性能提出了更高的要求[1-8]。

在保證車身安全性的前提下進(jìn)行輕量化設(shè)計是新車型開發(fā)過程中的重要任務(wù)，本文對A 柱加強(qiáng)板、車身前縱梁內(nèi)外板進(jìn)行輕量化設(shè)計及強(qiáng)度升級，參考中國新車評價規(guī)程（China New Car Assessment Program，C-NCAP）[9]50 km/h 正面100%重疊剛性墻碰撞要求，應(yīng)用LS-DYNA 軟件對白車身進(jìn)行正面碰撞分析，獲取各參考點的碰撞分析結(jié)果，并對比優(yōu)化前、后的碰撞分析結(jié)果，驗證方案的有效性。

2 有限元模型建立

準(zhǔn)確的白車身有限元模型是保證分析結(jié)果正確的前提。有限元模型的建立過程包括幾何建模、網(wǎng)格劃分、材料賦予、載荷施加等。

圖1所示為某車型白車身的正面碰撞仿真分析模型，白車身質(zhì)量為307.9 kg，組件數(shù)量為296個，節(jié)點數(shù)量為553 354 個，網(wǎng)格數(shù)量為498 793 個，網(wǎng)格基本尺寸為10 mm。焊點設(shè)置為Hexa 多邊形焊點，焊縫采用二維面網(wǎng)格焊縫，使用REB2剛性螺栓。

圖1 白車身的正面碰撞仿真分析模型

3 輕量化材料

針對該車型進(jìn)行車身輕量化設(shè)計，分別選取前保險杠橫梁、前縱梁內(nèi)外板、A柱加強(qiáng)板進(jìn)行材料升級替換和厚度減薄，如圖2所示，優(yōu)化方案和輕量化效果如表1所示，實現(xiàn)質(zhì)量減輕6.224 kg。

表1 零件優(yōu)化質(zhì)量對比

圖2 材料升級零件示意

在試驗室中利用Zwick 100 kN 電子拉伸試驗機(jī)測得6 種材料的基本力學(xué)參數(shù)，如表2 所示，其中Rp0.2為屈服強(qiáng)度，Rm為抗拉強(qiáng)度，n為加工硬化指數(shù)。

表2 單向拉伸力學(xué)性能指標(biāo)測試結(jié)果

4 材料正面碰撞性能優(yōu)化

依據(jù)《C-NCAP 管理規(guī)則（2018 年版）》，設(shè)置正面碰撞速度為50 km/h，并設(shè)置剛性地面和剛性壁障，接觸方式為*AUTOMATIC_SINGLE_SURFACE和*AUTOMATIC_SURFACE_TO_SURFACE，工況設(shè)置具體如圖3 所示。對于整車碰撞仿真，主流的材料屬性有MAT1、MAT20、MAT24、MAT100 等，本文碰撞仿真使用的是MAT24 材料卡。設(shè)定邊界條件和求解控制參數(shù)后，導(dǎo)入LS-DYNA 軟件中進(jìn)行求解。用HyperView 和Hypergraph 后處理器分別對優(yōu)化前、后的整車的正面碰撞情況進(jìn)行分析，對整車能量變化曲線、加速度曲線和部件侵入量進(jìn)行整體評價。

圖3 工況設(shè)置

4.1 可信性驗證

仿真模型需進(jìn)行可信性分析，本文的考察重點為計算過程中的能量變化和沙漏能占比。

白車身結(jié)構(gòu)質(zhì)量增量如圖4 所示，質(zhì)量最大增量為4.6%，且質(zhì)量增量穩(wěn)定，模型質(zhì)量增量檢驗合格。碰撞過程中的能量變化是評判仿真結(jié)果是否可信的重要依據(jù)。白車身結(jié)構(gòu)在碰撞過程中的動能、內(nèi)能、沙漏能和總能量曲線如圖5 所示。由圖5可知，碰撞過程滿足能量守恒定律，白車身零部件系統(tǒng)的動能與內(nèi)能相互轉(zhuǎn)化，沙漏能的變化較小。能量曲線無異常，總能量守恒，動能轉(zhuǎn)換為白車身勢能的過程曲線平滑無缺陷，沙漏能占比低于3%，計算結(jié)果具備可信性。

圖4 質(zhì)量增量

圖5 碰撞能量曲線

4.2 加速度曲線

車身受力與加速度呈正相關(guān)，因此正面碰撞過程中需考察整車的加速度。為充分反映整車的加速度變化情況，選取B 柱內(nèi)側(cè)安全帶卷收器下方的某個點（該區(qū)域穩(wěn)定，試驗狀態(tài)下傳感器安裝在此處）作為整車加速度計算點。B 柱下端參考點加速度曲線如圖6所示，在正面碰撞過程中，原始參考點最大加速度為71.3g，材料優(yōu)化后最大加速度為63.9g，B 柱加速度顯著降低，這是因為前保險杠橫梁及前縱梁優(yōu)化后材料強(qiáng)度更高，在形變過程中吸收能量更加充分。

圖6 B柱下端考察點加速度曲線

4.3 侵入量

車身變形量反映了車體被損壞的程度與車身的抗碰撞能力。在整車正面碰撞過程中，考慮到乘員艙的被動安全性，需重點關(guān)注的部件為A 柱和前圍板。

選擇左側(cè)B 柱鎖鉤后側(cè)某參考點，選擇同水平高度下A 柱平面上的碰撞點作為測點，測量A 柱加強(qiáng)板侵入量，如圖7 所示，隨著時間的推移，在正面碰撞過程中，A 柱加強(qiáng)板開始侵入乘員艙，在第0.049 s 時侵入量達(dá)到最大值，隨后車身結(jié)構(gòu)產(chǎn)生回彈，A 柱侵入量減小。A 柱加強(qiáng)板優(yōu)化后侵入量降低8.97%，優(yōu)化效果明顯。

圖7 A柱加強(qiáng)板考察點侵入量曲線

同時，前排乘員的腿部需依靠前圍板保護(hù)，因此選取駕駛員腿部及足部區(qū)域參考點，前圍板侵入量曲線如圖8所示，可以看出，優(yōu)化后目標(biāo)車型對應(yīng)駕駛員腿部、足上部及足下部的前圍板部分侵入量有所降低，降幅分別為15.9%、9.9%、8.8%，因此，優(yōu)化后的白車身碰撞安全性更佳。

圖8 前圍板侵入量曲線

零件優(yōu)化前、后結(jié)構(gòu)耐撞性變化情況如表3 所示，由表3可知，優(yōu)化后正面碰撞性能大幅提高。

表3 材料優(yōu)化前、后耐撞性變化情況

4 結(jié)束語

本文針對某車型白車身，建立了正面碰撞有限元分析模型，并進(jìn)行了模型的可信性驗證，分析結(jié)果表明：

a.正面碰撞模型的最大質(zhì)量增量為4.6%，沙漏能占比低于3%，表明計算結(jié)果具備可信性。

b.A柱加強(qiáng)板熱成形鋼P(yáng)HS1500替代傳統(tǒng)高強(qiáng)鋼、前縱梁內(nèi)外板使用DP780 替代B410LA、前保險杠橫梁使用QP980替代QSTE500TM后，侵入量降低8.97%，優(yōu)化效果明顯。前圍板部分各參考點的侵入量有所降低，降幅分別為15.9%、9.9%、8.8%，因此優(yōu)化后的白車身碰撞安全性更佳。

c. 優(yōu)化后總質(zhì)量減輕6.224 kg，有效實現(xiàn)輕量化的同時，提高了白車身碰撞安全性。