某車門碰撞性能分析及結構優化研究

摘要：利用有限元分析軟件Hypermesh和LS-DYNA建立某SRV白車身車門有限元模型，進行車門有限元碰撞仿真分析。針對該車門側面抗撞性能差的情況，采用拼焊板對車門外板進行結構改進，提高車門抗撞性能，保證乘員的安全。

關鍵詞：耐撞性；車門；側面碰撞；拼焊板

中圖分類號：U461 文獻標志碼：A 文章編號：1005-2550（2011）05-0016-04

A Study on the Car Door Crashworthiness and Structure Optimization Design

ZHU Jiang-sen，GUO Yan-ru，CHEN Jian

（Institute of Sound and Vibration Research，Hefei University of Technology，Hefei 230009，China）

Abstract：This paper established a finite-element model of the Vehicle door using the software of HyperMesh and LS-DYNA and the crashworthiness simulation of the Vehicle door was carried out. In order to improve the crashworthiness of side impact performance of the Vehicle door and guarantee the safety of the passengers ，an improvement scheme with tailor-welded blanks based on Vehicle door is proposed based on the results of study with good effects acquired.

Key words: crashworthiness；car door；side impact；tailor-welded blanks

近年來，隨著車輛保有量的不斷增加，以及道路交通的擁擠，道路交通事故頻頻發生。據統計，在道路交通事故中，側面碰撞導致的事故占總量的31%左右。因此，汽車側面碰撞性能成為車輛被動安全性能研究的重要內容。在側面碰撞中，車門位置離乘員最近，車門的變形很容易使乘員受傷。因此，提高車門的碰撞性能對于提高車輛的被動安全性能和保證乘員的安全具有重大意義。本文以某SRV后車門為研究對象，參照FMVSS214法規進行車門碰撞仿真分析，并利用拼焊板原理重新設計車門外板，提高車門的碰撞性能。

1 原車門白車身有限元模型的建立

1.1 碰撞有限元模型

在HyperMesh的LS-DYNA模塊中，根據FMVSS214法規的規定，建立車門碰撞有限元模型，如圖1所示，其中剛性柱直徑為305 mm，高度為620 mm，距離車門下邊緣127 mm，以50 km/h的速度垂直撞向車門。

1.2 各板件連接方式

車門各板件之間均采用點焊連接，因此點焊模型的選擇對仿真結果的精確性影響較大。本文采用實體單元模擬點焊連接：首先在所需點焊位置建立實體單元表示焊核；其次，利用RBE2單元將焊核的各節點與對應兩塊板件的網格節點相連接；最后，賦予焊核相關的點焊材料屬性，使之能較精確的模擬點焊連接。點焊模型如圖2所示。

圖1 車門碰撞有限元模型

圖2 點焊有限元模型

1.3 接觸定義

在碰撞仿真中，接觸的定義也是至關重要的。本文定義如下兩個接觸：剛性柱與車門外板之間的接觸，定義其為自動面面接觸（Automatic Surface To Surface）；車門各板件之間的接觸，定義其為自動單面接觸（Automatic Single Surface）；兩個接觸的靜摩擦系數均為0.3，動摩擦系數均為0.25，衰減系數為0.15。

2 碰撞仿真結果分析

2.1 仿真結果

由于車門與乘員之間的空間有限，一般在20 ms左右車門內板就會接觸到乘員，故選取前20 ms的碰撞過程進行分析。分別取5 ms、10 ms、15 ms和20 ms時的車門變形云圖，如圖3所示。由圖可以看出，車門與剛性柱接觸部分隨著時間的推移變形越來越大；邊框部分變形較小，但左側邊框處有部分焊點斷裂；該碰撞仿真過程與實際碰撞過程大致相符。

圖3 車門碰撞變形過程

衡量車門碰撞性能的三個重要指標是車門內板侵入量，車門內板侵入速度和車門吸能能力。下面針對這三個性能指標，對車門碰撞性能進行分析。

2.2 車門侵入量

由于該車門模型沒有添加內飾，車門內板結構簡單，無法用于確定車門侵入量，故選擇防撞桿上編號304 008的單元的侵入量來衡量該車門的碰撞性能。在LS-DYNA中，提取碰撞過程中單元304 008的位移——時間曲線，如圖4所示，在3 ms時，單元開始侵入，20 ms時侵入量最大為215.08 mm，入侵量與時間呈線性關系。

圖4 單元304008的位移——時間曲線

2.3 侵入速度

侵入速度越小，速度變化曲線越平緩，乘員所受傷害值就越小。圖5所示為單元304008的速度——時間曲線。可以看出，在3~4 ms這個時間段，速度變化極大，在4 ms時達到最大值14.59 m/s，4 ms以后速度衰減不明顯，且變化過程有少許的波動，仿真結束時速度為10.19 m/s。

圖5 單元304008的速度——時間曲線

2.4 車門內能

車門的內能變化反映其吸能大小。碰撞過程中系統各能量隨時間的變化曲線如圖6所示。從圖中可以看出，在2 ms之前，碰撞過程尚未進行，各能量保持不變，隨著碰撞過程的進行，車門內能增加，系統動能減小，但總能量不變，符合能量守恒定律，仿真結束時車門內能為11.82 kJ，也即吸收能量11.82 kJ。

圖6 系統各能量隨時間的變化曲線

由上述三個指標可以看出，該車門在碰撞過程中侵入量大，侵入速度過快，速度衰減量較小，吸能能力較差，無法有效的保證乘員的安全，應給予改進。

3 改進措施

拼焊板是將不同厚度、不同材質或不同表面涂層的平板焊接在一起。拼焊板技術有諸多優點：

1）車輛輕量化的兩個方法是結構輕量化和材料輕量化，拼焊板能減少零件的數量，同時可以用高性能材料進行局部加強，從而確保在整體性能不下降的前提下實現輕量化。

2）在提高耐撞性方面，拼焊板可以減少加強件的數目，在碰撞主要接觸區域采用大厚度或者高強度材料的母板來提高碰撞性能。

3）拼焊板在我國的生產技術日趨成熟，生產能力不斷提高。

因此本文采用拼焊板技術進行車門結構改進。

由圖1所示的20 ms時的車門碰撞變形云圖可知，車門與剛性柱接觸區域的變形較大，故將該區域定為母板1，寬度等于剛性柱半圓周長；根據變形大小，確定其余各母板位置，如圖7所示。母板1所在位置是碰撞關鍵區域，增加它的厚度或者采用高強度材料，均可以提高車門抗撞性能。根據實際提供的板件，選擇厚度為1.5 mm的高強度鋼板作為母板1的材料。母板5的邊框處有部分焊點失效，需要加強，選擇與原板件厚度一樣的高強度鋼板作為其材料。其余各母板位置處在原車門碰撞過程中變形不明顯，也無焊點失效，故它們的板件厚度和材料與原車門外板的一致。去除母板1、3處的外板加強板，確保改進后的車門質量不增加。

圖7 車門外板拼焊板母板位置

4 改進后的仿真分析

將原車門碰撞有限元模型中的外板改為如圖7所示的拼焊板，重新建立碰撞仿真模型，模擬車門碰撞變形過程。利用侵入量、侵入速度和車門內能三個指標，評價改進后的車門碰撞性能。

4.1 改進后的侵入量

改進后單元304008的位移——時間曲線如圖8所示。

圖8 改進后的單元304008的位移——時間曲線

在仿真結束時，單元304008的最大侵入量為195.11 mm， 比改進前減小了19.97 mm。侵入量與時間也呈線性關系。

4.2 改進后的侵入速度

圖9為單元304008在改進前后的速度——時間曲線。從圖中可以看出，在12 ms之前，改進前后的速度基本一致，在12 ms以后，改進后的速度衰減量明顯大于改進前，變化基本呈線性，較平緩。仿真結束時的速度為6.48 m/s，比改進前的速度減小了3.71 m/s。

圖9 單元304008改進前后的速度——時間曲線

4.3 改進后的車門內能

圖10描述了改進后系統各能量隨時間的變化曲線，可以看出各能量的變化符合能量守恒定律。在仿真結束時，改進后的車門內能為20.1 kJ，較未改進前提高了8.28 kJ，吸能效果變好。

圖10 改進后的系統各能量隨時間的變化曲線

拼焊板母板1提高了接觸區域的剛性，變形吸收的能量顯著增加，同時使剛性柱入侵過程中所受阻力加大，入侵速度衰減量增大。所有利用拼焊板改進車門，可以有效提高車門的耐撞性，保證乘員的安全。

5 結論

通過相關的碰撞仿真分析，得出如下結論：

1）車門由于其結構特點在側面碰撞中的耐撞性差，又與乘員之間的空間較小，需要對其改進，以提高側面碰撞性能，保證乘員安全。

2）拼焊板母板一般根據碰撞的變形情況加以分塊，同時去除部分加強件，以確保車門質量不增加。

3）加強碰撞主要發生區域處的母板強度，可以有效地提高車門碰撞性能。該方法為以后的拼焊板的設計提供了有價值的參考。

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