基于正面40%重疊的不同撞擊速度下汽車車體耐撞性分析及優(yōu)化改進(jìn)

摘要：為研究汽車與40%重疊率壁障在不同撞擊速度下的耐撞性及主要影響因素，基于GB 11551—2014法規(guī)，并聯(lián)合HyperWorks、LS—DYNA軟件構(gòu)建正面碰撞模型進(jìn)行模擬分析，提取整車系統(tǒng)能量時間曲線及仿真過程中沙漏能、界面滑移能的時間曲線驗證了模型的精度。通過分析不同撞擊速度下車體B柱下端加速度變化、前圍板縱向侵入量變化，確定了危險工況。通過整車在正面碰撞過程中主要承力部件的分析，分析了不同剛度、不同部件對車體耐撞性的影響及敏感性，進(jìn)而確定上邊梁、縱梁以及門檻梁的最終剛度，并進(jìn)行仿真模擬，得出優(yōu)化后的車體加速度時間曲線、前圍板縱向侵入量時間曲線，并將結(jié)果與初始參數(shù)下的曲線進(jìn)行了對比。結(jié)果表明：優(yōu)化后的B柱下端加速度、前圍板縱向侵入量最大值及出現(xiàn)時間均優(yōu)于原始指標(biāo)，優(yōu)化后車體耐撞性有所提高。研究結(jié)果可為整車的結(jié)構(gòu)改進(jìn)提供理論依據(jù)。

關(guān)鍵詞：正面碰撞；40%重疊率；車體耐撞性；有限元仿真；結(jié)構(gòu)優(yōu)化

中圖分類號：U461.91 收稿日期：2024-08-28

DOI：10.19999/j.cnki.1004-0226.2024.12.011

1 前言

汽車在發(fā)生正面重疊率碰撞時其前排乘員艙的生存空間和車體受到?jīng)_擊加速度是影響乘員損傷的主要原因，對此，以往的研究人員做了大量的分析與研究。

一部分研究者通過假人對車體耐撞性進(jìn)行了分析與研究。武和全等[1]分析了汽車正面撞擊速度為50 km/h下后排不同坐姿乘員的損傷生物力學(xué)，結(jié)果表明乘員損傷最嚴(yán)重的坐姿是左傾15°，因此，使用3+2點式安全帶能有效減輕乘員頭部損傷。彭旭東等[2]基于C—NACP正面碰撞工況搭建碰撞分析模型及實車試驗，分析了碰撞過程中后排家人的損傷情況，基于此提出了優(yōu)化方案，此項研究為后排假人損傷的優(yōu)化提供參考。黎和俊等[3]對NASS-CDS數(shù)據(jù)進(jìn)行了分析，得出女性乘員的頭部和腹部損傷最為嚴(yán)重，身體其他部位的損傷相對較輕。葉凡等[4]基于ECE R129法規(guī)，通過利用Hybrid Ⅲ 6YO假人模型構(gòu)建胸部動力學(xué)方程，并分析了正面碰撞過程中撞擊力對假人胸部加速度的影響，結(jié)果表明假人模型所受到的頸部力與安全的肩帶力對胸部加速度的影響較大。

另一部分研究者對車體的耐撞性直接進(jìn)行了研究分析。蔣珂[5]基于C-NCAP的正面40%重疊可變形壁障碰撞試驗對某純電動SUV進(jìn)行測試，通過改善車身前端吸能機(jī)構(gòu)、提升乘員艙剛度對車身結(jié)構(gòu)進(jìn)行優(yōu)化，優(yōu)化方案可提升碰撞安全性能。孫偉[6]聯(lián)合Hyper Mesh和LS—DYNA軟件建立MPDB有限元模型并進(jìn)行50%重疊率的仿真，分析了關(guān)鍵部件的沖擊加速度、侵入量，并對兩車的相容性進(jìn)行優(yōu)化，將優(yōu)化后的數(shù)據(jù)與優(yōu)化前的數(shù)據(jù)進(jìn)行比較，結(jié)果發(fā)現(xiàn)優(yōu)化方法可行。趙世婧等[7]通過分析前縱梁壓潰失效、折彎失效等影響吸能過程的因素，對前縱梁進(jìn)行結(jié)構(gòu)的優(yōu)化設(shè)計。劉翔等[8]利用HyperWorks仿真軟件建立了車輛正面100%碰撞有限元模型。通過后處理軟件提取了加速度、前圍板侵入量及A柱上部折彎角等參數(shù)的數(shù)據(jù)，以此評估正面碰撞中車體的耐撞性能。

以上研究方法為汽車正面重疊偏置碰撞提供了相應(yīng)的研究基礎(chǔ)。本文基于40%重疊率對不同撞擊速度下的車體耐撞性進(jìn)行了分析。

2 模型的構(gòu)建及仿真結(jié)果分析

2.1 模型的構(gòu)建及有效性驗證

以某SUV車輛作為仿真分析模型，構(gòu)建某SUV汽車的整車模型，并設(shè)置接觸參數(shù)。根據(jù)GB 11551—2014規(guī)定，在車輛正面碰撞測試中，試驗車輛（以下通稱子彈車）以50 km/h的速度、重疊率為40%撞擊靜止于前方的壁障，如圖1所示。

通過HyperWorks、LS—DYNA軟件后處理，提取仿真數(shù)據(jù)，整理得出本次正面系統(tǒng)能量時間曲線以及碰撞過程中沙漏能、界面滑移能時間曲線，如圖2所示，可以看出在仿真模擬碰撞過程中求解較穩(wěn)定，能量守恒，沙漏能在5%以內(nèi)，所以整個仿真碰撞模型是有效的。

2.2 仿真結(jié)果分析

2.2.1 乘員艙加速度分析

B柱與門檻梁相交的位置剛性較高，故選擇此處安裝加速度傳感器以測定正面撞擊過程中加速度波動情況[9]。子彈車分別以速度為36 km/h、50 km/h、64 km/h撞擊40%重疊率的剛性壁障，提取并整理仿真數(shù)據(jù)，得出的加速度時間特性曲線如圖3所示。從圖3可以看出，隨著碰撞速度的增大，曲線波動的幅度逐漸變大，并且在64 km/h時撞擊加速度存在最大值18.5 g，對應(yīng)的撞擊危險時間為55～95 ms之間，之后3種速度工況下沖擊加速度曲線逐漸趨于穩(wěn)定狀態(tài)。綜上，當(dāng)撞擊速度為64 km/h時車體處于危險狀態(tài)。

2.2.2 前圍板變形的分析

在碰撞法規(guī)中，前圍板變形量大小也是影響車體耐撞性的主要評價指標(biāo)，因為前圍板侵入量的大小嚴(yán)重影響前乘員艙的生存空間，所以有必要對其進(jìn)行分析。圖4所示是車體在撞擊過程中不同時刻下的前圍板位移云圖，相應(yīng)各工況下時間-侵入量曲線圖如圖5所示。

可以看出，由于汽車前部存在散熱器、發(fā)動機(jī)等主要部件，使得車體在發(fā)生正面撞擊時存在較大的緩沖空間，所以曲線從0時刻開始沒有較大的變化量，但是隨著撞擊的進(jìn)行，車體前部主要部件壓縮到極限時，前圍板開始變形，出現(xiàn)的時間是75 ms，此后，隨著撞擊速度的不同，曲線的斜率不盡相同?？梢钥闯觯畲笄秩肓颗c撞擊速度成正比，當(dāng)撞擊速度為64 km/h時，前圍板侵入量存在最大值，整個曲線走勢符合實際要求。

3 汽車車體結(jié)構(gòu)耐撞性的改進(jìn)措施

3.1 改進(jìn)措施中的參數(shù)調(diào)整

根據(jù)仿真過程中車體變形情況分析可知，車輛發(fā)生40%重疊碰撞時，車輛前艙中的前縱梁和上邊梁是主要的吸能部件，其通過折彎變形可吸收碰撞能量［10］。因此，本文對汽車前部主要吸能部件的剛度在不同狀態(tài)下進(jìn)行仿真，研究主要吸能部件剛度調(diào)整后對B柱下端加速度和前圍板侵入量這兩項評價指標(biāo)的影響。

首先做以下定義：a.設(shè)置上邊梁厚度以調(diào)整其剛度的大小，進(jìn)而分析不同剛度條件下對車體耐撞性的影響；b.調(diào)整縱梁厚度以改變其剛度的大小，并分析對耐撞性的影響；c.門檻梁作為乘員艙下部主要的關(guān)鍵支撐部件及傳力通道，在研究剛度變化對車體耐撞性影響時可將其作為一個整體，可通過調(diào)整材料厚度來實現(xiàn)剛度的變化。

以上三個影響因素主要通過碰撞側(cè)B柱下端最大加速度a及前圍板的侵入量d來進(jìn)行考查。定義完成上面的三個影響因素之后，要給出對影響因素的調(diào)整策略[10]。

在建立的車輛40%重疊正面碰撞模型中，通過仿真結(jié)果得到車輛以64 km/h的初始碰撞速度發(fā)生重疊為40%正面碰撞時耐撞性最差，選擇這種工況作為初始模型通過調(diào)整部件厚度來優(yōu)化車體結(jié)構(gòu)的耐撞性。

首先調(diào)整上邊梁的厚度，縱梁和門檻梁的厚度不變，只研究上邊梁整體厚度調(diào)整后對整車車體耐撞性的影響。然后分別用同樣的方法調(diào)整縱梁和門檻梁的厚度改變其剛度，找出這三個影響因素對B柱下端最大加速度和前圍板侵入量的影響。

表1是調(diào)整的三個部件整體厚度的變化，各部件厚度均是由參數(shù)組1到參數(shù)組3依次遞減，其中參數(shù)組2是三個影響因素的初始模型中部件材料厚度。

3.2 各評價指標(biāo)影響參數(shù)分析

3.2.1 B柱下端加速度影響參數(shù)分析

在正面碰撞工況下車體結(jié)構(gòu)的耐撞性可以用加速度響應(yīng)來衡量，若加速度過大還會影響乘員生存空間，因此可用加速度響應(yīng)這一指標(biāo)來判斷車體結(jié)構(gòu)優(yōu)化時的優(yōu)化效果。圖6是各部件剛度調(diào)整后對子彈車B柱下端加速度amax值的影響結(jié)果。從圖6中可以看出，上邊梁剛度的調(diào)整對車體受到?jīng)_擊時的amax值的影響不是很明顯。但是縱梁和門檻梁的剛度調(diào)整會使得加速度響應(yīng)變得比較敏感，縱梁整體剛度的減小使得車體的沖擊加速度最大值amax整體趨勢減小，門檻梁剛度的增加會使車體的amax值增加。

3.2.2 前圍板侵入量影響參數(shù)分析

圖7為主要吸能部件剛度調(diào)整后對子彈車車體前圍板侵入量峰值的影響結(jié)果。從圖中可以看出，門檻梁剛度對車體前圍板dmax的影響不明顯，車體前圍板dmax隨著上邊梁剛度的減小逐漸減小，隨著縱梁剛度的減小逐漸下降，但是厚度值太小，會導(dǎo)致變形量又有回升。

4 結(jié)構(gòu)優(yōu)化

4.1 結(jié)構(gòu)剛度匹配設(shè)計

結(jié)構(gòu)改進(jìn)的主要目標(biāo)是減小車體B柱下端加速度和前圍板侵入量，來保證乘員艙在發(fā)生碰撞事故時不會出現(xiàn)大的變形，從而有效保證乘員生存空間。根據(jù)仿真結(jié)果分析可知，上邊梁剛度對B柱下端加速度和前圍板侵入量的影響不是很明顯，可適當(dāng)減小其剛度?？v梁剛度的調(diào)整對B柱下端加速度和前圍板的影響都相對比較明顯，但是剛度太大或太小都會增加沖擊加速度和前圍板侵入量，因此通過比較分析，可對縱梁剛度不做改進(jìn)。門檻梁剛度的調(diào)整對前圍板侵入量的影響不大，但是降低門檻梁剛度對優(yōu)化車體的B柱下端加速度效果很明顯，因此可降低門檻梁的剛度。表2是根據(jù)分析結(jié)果對上邊梁、縱梁及門檻梁的板厚作出的調(diào)整情況。

4.2 優(yōu)化改進(jìn)結(jié)果對比

圖8是仿真模型未調(diào)整吸能部件厚度時的B柱下端加速度曲線與仿真模型按照表2吸能部件厚度調(diào)整以后所得到的車體B柱下端加速度曲線對比圖。從圖中加速度曲線對比可以看出，車體B柱下端加速度amax值的出現(xiàn)時間延遲，并且最大值amax降低，其最大值列于表3，可以看出改進(jìn)后車體B柱下端加速度amax的值降低了23.38%。說明車體耐撞性的提高可通過調(diào)整剛度來實現(xiàn)，為乘員提供更多的生存空間。

圖9為按照4.1節(jié)中各部件厚度調(diào)整方案進(jìn)行優(yōu)化以后所得到的前圍板侵入量時間曲線和未調(diào)整厚度時的前圍板侵入量時間曲線對比圖。

從圖中侵入量時間曲線可以看出，前圍板侵入量最大值dmax有所減小，其最大值列于表3，可以看出改進(jìn)后車體前圍板侵入量dmax的值降低了38.45%。

5 結(jié)語

a.本文聯(lián)合HyperMesh軟件和LS-DYNA求解器研究了某SUV汽車在40%重疊率不同碰撞速度下與壁障的正面碰撞，提取撞擊過程中的整車系統(tǒng)能量、沙漏能、界面滑移能時間曲線，驗證了模型的有效性。通過對不同撞擊速度下車體B柱下端加速度、前圍板侵入量進(jìn)行了分析，得出最危險工況是撞擊速度64 km/h。

b.選取對正面40%重疊率撞擊下影響車體耐撞性較大的上邊梁、縱梁、門檻梁等三個部件進(jìn)行分析，通過改變以上三種零部件的剛度（以改變厚度的方式改變剛度）分析車體的耐撞性，分析不同零件剛度對B柱下端加速度、前圍板侵入量的影響敏感性。

c.得出了影響車體耐撞性的三個零件的主次順序、影響方式，并確定了各零部件剛度的取值范圍，以此進(jìn)行仿真模擬并與初始參數(shù)下的仿真結(jié)果進(jìn)行了比較，得出優(yōu)化改進(jìn)后的參數(shù)值對車體耐撞性更高。

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作者簡介：

許鵬善，男，1989年生，講師，研究方向為汽車被動安全性。