基于正交實驗法的車身側面碰撞性能優化

周 全, 宮 帥, 胡占芳

Zhou Quan, Gong Shuai, Hu Zhanfang

（東風汽車公司技術中心，湖北 武漢 430056）

轎車在發生側面碰撞時，B柱與駕駛員側車門門檻受到最大的碰撞沖擊力，B柱與門檻會發生較大的變形而擠占駕駛員的生存空間。同時，B柱也產生較大的侵入速度帶動車身的結構件對駕駛員身體形成沖擊從而給駕駛員帶來傷害。影響車身側面碰撞性能的因素有多種：側面的侵入速度、侵入量、側面內飾件的剛性、側面被動安全約束系統和座椅[1]。車身側面的侵入速度和侵入量是這些因素當中的關鍵因素。

車身由不同材料的板件沖壓焊接而成。優秀的車身側面結構，能夠表現出良好的側面碰撞性能。通過早期的商品定義和競品分析手段可以對處于概念設計階段的車身關鍵部位的碰撞性能參數定出合理的目標值，通過工程設計和CAE仿真等手段來控制車身的碰撞性能。對于已經工業化后的車型，由于設計當初的商品定義和當時的法規要求已經落后目前市場的要求，造成這些量產車型的處境尷尬。更高被動安全性的車型才能夠為市場所接受。因此，需要對車身結構進行優化以滿足市場需求。

1 側面碰撞駕駛員損傷分析

側面碰撞中，駕駛員傷害評價部位為駕駛員頭部、胸部、腹部和臀部[2]。試驗表明：在C-NCAP側面碰撞試驗中，車體側面結構的變形，特別是B柱的變形容易導致駕駛員的胸部和腹部受到損傷，當B柱的侵入速度超過7 m/s時，假人腹部的損傷十分明顯，這是由于B柱在假人腹部區域的侵入速度大，造成車門扶手等區域以較大的沖擊力撞擊假人腹部而造成損傷。同時，由于門檻梁的變形嚴重，導致B柱結構的下部對駕駛員臀部造成沖擊，致使臀部受傷[3]。

2 B柱及門檻區域結構解析

某轎車的B柱及門檻梁結構如圖1所示。B柱由4層沖壓件焊接而成。在實際的C-NCAP碰撞試驗中，B柱下部變形十分嚴重，門檻梁部位也發生較為嚴重的變形，侵入量很大，駕駛員假人的腹部與臀部扣分嚴重。

3 CAE仿真建模與試驗對標

3.1 優化目標

側面碰撞試驗實車如圖2所示。要優化車身側面的碰撞性能，不能完全依靠試驗的方法，主要手段還需要借助 CAE分析來計算優化方案是否達到優化目標。通過競品分析的試驗手段，對市場上側面碰撞安全性能較高的五星級乘用車進行試驗取得數據發現，這一類車型在側面碰撞試驗時，B柱侵入速度一般在7 m/s以下，而座椅中心點距離碰撞后的B柱最小距離通常在125 mm以上。因此將優化目標定為：B柱侵入速度不高于7 m/s，座椅中心線在側面碰撞后距離B柱不低于125 mm。

3.2 有限元模型與試驗對標

對車身建立有限元模型，進行C-NCAP側面碰撞試驗要求的CAE仿真分析，并輸出B柱加速度曲線進行對標。通過不斷調整有限元模型網格精度，利用合理的有限元單元模擬車身焊點，保證有限元模型可以反映物理車的實際碰撞結果，并具有預測性。圖3是試驗對標結果,試驗與仿真結果的曲線對標吻合度較好，所采用的仿真模型可以較好地表征物理樣車，仿真分析結果具有可信性及預測性。因此，現有的仿真模型可以作為后續優化分析的基礎模型。

3.3 CAE分析結果

在B柱與門檻梁分別設定9個測量點，測量點侵入量如圖4所示。圖5是仿真分析B柱采集點的侵入速度和座椅中心至B柱的最小距離。B柱的最大侵入速度已經高出優化目標值，達到8.2 m/s。而座椅中心距離B柱的最小距離僅104 mm，也超出了設定的優化目標值。必須通過對B柱及門檻梁區域的結構進行一定的加強優化，來實現優化目標的達成。通過正交試驗的方法來確定如何對 B柱和門檻區域進行優化。

4 正交試驗法的結構優化

4.1 正交實驗法

分析車身側面結構中最可能影響側碰性能的7個零件，見圖6、表 1。具體做法是改變這些零件的強度，采用正交試驗法，形成8種方案，考核各零件對B柱侵入量及侵入速度2個指標的影響。

在這個優化事件中，優化對象為圖 6中的 7個零件，變量為零件的2個強度等級，7個零件構成樣本空間，每個零件為影響事件的一個因素，每個因素設定兩個水平，這就構成了一個7因素2水平的優化問題。采用正交試驗法進行仿真，構建正交表如表2。A～G代表影響側面碰撞性能的7個因素，L、H代表兩個強度水平，L為低強度水平，H為高強度等級，進行8次試驗仿真計算。

表2 8種試驗方案正交表

經過對 8種組合方案仿真結果的數據處理，得到了以上7個零件對B柱侵入量、侵入速度以及門檻梁侵入量的極差圖，極差說明了各零件對評價指標的影響力，即極差數值越大，說明該零件對該指標的影響越大；反之，越小。

由正交試驗可知，因素B即門檻梁外板的強度對B柱侵入量、侵入速度的影響最大，其次為座椅前橫梁及B柱外板，極差圖如圖7所示。通過正交實驗法，利用仿真手段，對車身側面碰撞性能指標影響較大的因素可以很快找到，可以有針對性的對評價指標影響較大的部件或者該區域的結構進行優化加強，以達到優化目標。

4.2 結構優化

通過正交試驗法可以找出需要優化的區域，主要是側圍外板，門檻梁，座椅前橫梁，但具體的優化方案則要結合實車情況進行設計。采用增加加強件及改變原零件的結構等方式是首先考慮的方法，這樣做可以不影響已投產的大件模具，而僅需要較小的模具費用投入，實現新的結構方案，也不會影響量產設備，風險和投入都降到最低，也有利于工業上新零件的切換。

圖8是B柱的優化方案斷面，圖9是優化模型，采取在B柱下部增加加強件的方式實現優化。圖10是門檻區域以及座椅前/后橫梁的優化斷面示意。

4.3 CAE驗證

優化后的B柱測量點的侵入量和侵入速度如圖11、圖12所示。經過優化后，B柱侵入量明顯小于原方案，達到了降低B柱侵入量的效果。侵入速度的降低可以減少車身變形對人體的沖擊力，優化目標為低于7 m/s，從仿真結果顯示，優化目標已經達到。側面碰撞后的生存空間如圖13所示，側碰后的殘留生存空間為158 mm以上，超過優化目標120 mm。

4 結束語

通過某車型側面碰撞性能的優化提升過程，介紹了采用正交試驗的方法來對車身側面碰撞性能提升的優化設計的一般過程，提出車身側面碰撞性能的一般考核指標和合理的優化目標，也介紹了影響車身側面碰撞性能的零件因素以及水平因素。實踐證明，利用該方法可以高效地提升車身的側面碰撞性能。

此外，提升車身側面的碰撞性能的關鍵因素是：（1）關鍵指標的目標確定要借助數據積累的手段獲得；（2）仿真模型要能反映實際的物理試驗；（3）正交試驗的因素及水平因素的確定需要較豐富的工程經驗。

[1]張學榮，蘇清祖. 側面碰撞乘員損傷影響因素分析 [J]. 汽車工程, 2008, 30（2）：146-150.

[2]周軍，沈海東. 汽車側面碰撞中影響假人性能指標的因素及改進[J]. 汽車技術, 2006,（S1）：5-6.

[3]游國忠，陳曉東，程勇,等. 轎車 B 柱的優化及對側面碰撞安全性的影響[J]. 汽車工程, 2006, 28（11）：972-975.

[4]陳曉東. 汽車側面碰撞計算機仿真方法[J]. 汽車工程, 2004, 26（1）：25-29.

[5]候飛．轎車側面碰撞新車評價程序及提高轎車側面碰撞性能的措施[J]. 汽車工程, 2000, 22（6）13-16.