某乘用車側(cè)面碰撞性能分析及結(jié)構(gòu)優(yōu)化

龐 通，鄧國紅，楊鄂川，韋永平，張 勇

(重慶理工大學(xué) 重慶汽車學(xué)院，重慶 400054)

在汽車各類碰撞事故中，發(fā)生概率最大的是正面碰撞，其次為側(cè)面碰撞。汽車側(cè)面碰撞事故導(dǎo)致的乘員重傷和死亡率高達(dá)25%，是造成乘員傷亡的主要事故類型，而其中43% ～55%是由車對車碰撞事故造成的［1］。相對正面碰撞，側(cè)面碰撞中車輛的可變性吸能空間小，且乘員與車門內(nèi)板之間距離較小，一旦發(fā)生側(cè)面碰撞，乘員將受到強(qiáng)烈貫入的沖擊載荷作用，人體損傷涉及到頭部、胸部、腹部、骨盆以及上下肢，其中頭部和胸部損傷幾率高達(dá)33%，腹部或骨盆為16%［2］。隨著人們對汽車被動安全的重視程度的提高和相關(guān)汽車碰撞試驗(yàn)法規(guī)的愈發(fā)嚴(yán)格，側(cè)面碰撞的研究也越來越受到關(guān)注。

我國側(cè)面碰撞法規(guī)于2006年7月開始實(shí)施，側(cè)面碰撞的研究主要集中在車對車的碰撞(撞擊物為移動變形壁障)，即側(cè)面移動壁障碰撞方面。采用移動壁障側(cè)面碰撞可以檢測車輛發(fā)生側(cè)面碰撞時(shí)車身結(jié)構(gòu)的完整性及車內(nèi)相關(guān)約束系統(tǒng)的匹配情況。對于中低檔車型，合理的側(cè)面約束系統(tǒng)匹配成本較高，所以側(cè)碰中就車身而言，車輛側(cè)面結(jié)構(gòu)剛度及強(qiáng)度越高，越有利于保護(hù)車內(nèi)乘員。

本文利用有限元軟件LS-DYNA對某轎車進(jìn)行側(cè)面移動壁障碰撞仿真，研究碰撞中車身結(jié)構(gòu)的響應(yīng)，分析其主要吸能部件的吸能特性，針對B柱、門檻，車門防撞梁等主要承力部件進(jìn)行結(jié)構(gòu)優(yōu)化與改進(jìn)，從而使該車側(cè)面耐撞性能得到了提升。

1 有限元模型的建立

有限元模型嚴(yán)格按照建模標(biāo)準(zhǔn)建立，所有薄板沖壓成型件均采用四邊形和三角形殼單元模擬，目標(biāo)尺寸為 8 mm，整車模型共有殼單元1181979個，其中四邊形單元共有1128340個。在所有殼單元中，三角形單元占4.5%，小于5%，說明網(wǎng)格劃分合理，滿足仿真精度要求。焊點(diǎn)對碰撞性能有較大影響。因?yàn)榱簡卧皩?shí)體單元均有較高的模擬精度［3］，本文采用梁單元 BEAM(MAT100號材料)模擬鈑金件之間的焊點(diǎn)。螺栓孔的連接采用RIGID單元模擬。材料和部件之間的連接均參照實(shí)際情況建模。

側(cè)碰中的臺車有限元模型需要能真實(shí)反映實(shí)際壁障在碰撞中的力學(xué)相應(yīng)情況才能保證仿真計(jì)算的準(zhǔn)確性。本文所用的臺車模型由企業(yè)提供，臺車已通過驗(yàn)證，吸能塊力學(xué)特性及吸能特性滿足國家法規(guī)，臺車及可變性壁障質(zhì)量為961 kg。

根據(jù)GB20071—2006側(cè)面碰撞法規(guī)規(guī)定，移動變形壁障以49～51 km/h的速度撞擊駕駛室一面，以模擬側(cè)面撞擊的效果。在本次仿真工況中，移動壁障速度設(shè)為50 km/h，同時(shí)對模型施加豎直向下(沿Z軸的負(fù)方向)的重力加速度，移動變形壁障的縱向中垂面與試驗(yàn)車輛上通過碰撞側(cè)前排座椅“R”點(diǎn)的橫斷垂面之間的距離應(yīng)在±25 mm內(nèi)。側(cè)面移動壁障碰撞模型如圖1所示。

圖1 側(cè)面移動壁障碰撞模型

2 仿真結(jié)果分析

2.1 仿真可信度分析

碰撞過程中總體能量的變化情況是評價(jià)建模是否正確的重要指標(biāo)。圖2為側(cè)面碰撞整車能量的變化曲線，能量曲線表征碰撞過程中動能向內(nèi)能轉(zhuǎn)化的過程，總能量基本保持不變，車的內(nèi)能與動能曲線相互轉(zhuǎn)化，動能逐漸減小，內(nèi)能逐漸增加，在40 ms基本達(dá)到穩(wěn)定，碰撞基本結(jié)束。

圖2 側(cè)面碰撞能量變化

能量變化過程中還有一個重要的評價(jià)指標(biāo)是沙漏能和總能量的比值。沙漏能的產(chǎn)生主要是由計(jì)算過程中單元的不同積分形式而引起的，這個比值在2%以內(nèi)。由此進(jìn)一步表明了建立的仿真模型是可靠和有效的。

2.2 變形分析

圖3為整車在0～80 ms各時(shí)刻的變形情況。從圖3可以看出:前、后車門外板凹陷，門檻梁發(fā)生內(nèi)翻，B柱與側(cè)圍連接處發(fā)生彎折內(nèi)凹變形。

圖3 整車各時(shí)刻變形

圖4為碰撞結(jié)束時(shí)整車主要承力部件變形圖。由圖4可見:頂蓋橫梁未發(fā)生明顯變形，前車門防撞梁發(fā)生彎曲變形并撞擊車門內(nèi)板，造成內(nèi)板侵入量的增加;后門防撞梁變形較小，后車門外板加強(qiáng)板內(nèi)凹彎曲。圖5為碰撞結(jié)束時(shí)地板及中央通道變形情況。由于后地板沒有橫梁支撐，碰撞后，左側(cè)地板后部出現(xiàn)隆起的褶皺變形，中央通道及地板橫梁沒有出現(xiàn)明顯變形。

圖4 整車主要承力部件的變形

圖5 地板及中央通道變形

2.3 側(cè)圍及B柱侵入速度、侵入量分析

碰撞側(cè)B柱是重要的承力部件，侵入速度及侵入量直接影響乘員生存空間。圖6為B柱加速度計(jì)測量點(diǎn)位置示意圖。

圖6 B柱加速度計(jì)測量點(diǎn)位置

圖7為側(cè)碰中側(cè)圍及B柱變形圖。理想的B柱變形為“S”形，即B柱變形主要集中在下端。從圖7可看出:門檻梁及B柱下端出現(xiàn)壓潰變形，B柱上部出現(xiàn)局部彎折，整體變形呈現(xiàn)出較好的“S”形。

圖7 側(cè)圍及B柱變形

圖8為側(cè)碰中側(cè)圍及B柱Y向變形的位移云圖。從圖8看出:門檻梁及B柱下端變形位移最大，最大動態(tài)侵入量為130.0 mm。

圖8 側(cè)圍及B柱Y向變形位移

2.4 車門內(nèi)板侵入速度及侵入量分析

圖9為側(cè)碰中車門內(nèi)板在Y向動態(tài)變形量最大時(shí)的位移云圖，侵入量較大的部位主要集中在和變形壁障接觸的車門底部區(qū)域，最大動態(tài)變形量為133.0 mm，發(fā)生在車門內(nèi)板的底部。

圖9 車門內(nèi)板變形位移云圖

為了檢測車門內(nèi)板侵入速度可能對乘員造成的傷害，在車門內(nèi)板安裝加速度計(jì)，如圖10所示。編號R1～R17為加速度計(jì)安置點(diǎn)。

圖10 車門加速度計(jì)安置位置分布

3 結(jié)構(gòu)優(yōu)化

側(cè)面碰撞中，乘員的傷害主要來自車門內(nèi)板及B柱的侵入。側(cè)面碰撞時(shí)，車體變形吸能空間較小，側(cè)碰安全性能的提高需要使側(cè)門、B柱、頂棚橫梁、地板結(jié)構(gòu)、門框等吸能部件在側(cè)碰時(shí)的變形更小，同時(shí)吸收更多的碰撞能量。在側(cè)面碰撞中，B柱和門檻是側(cè)碰中兩條最主要的傳力路徑。其中B柱為垂向傳力路徑，向上傳遞至車頂縱梁，然后通過頂棚橫梁橫向傳遞給右側(cè)車身。門檻為縱向傳力路徑，通過門檻，碰撞力向前會傳遞到A柱，向后能傳遞給C柱。同時(shí)，地板橫梁將橫向的碰撞力向右側(cè)傳遞，進(jìn)而讓右側(cè)更多的部件承受碰撞力。在碰撞時(shí)，車門、B柱、門檻應(yīng)盡早使更多部件參與碰撞吸能，這樣才能減少自身變形，進(jìn)而減小乘員艙的侵入量。

從側(cè)碰分析結(jié)果可以看出:門檻梁凹陷變形明顯，B柱根部Y向侵入量較大，很有可能是內(nèi)部加強(qiáng)板剛度不夠，不足以阻止門檻梁及B柱的變形。這些部位的加強(qiáng)板，門檻梁內(nèi)部加強(qiáng)板與B柱下部加強(qiáng)板變形如圖11所示。

圖11 門檻梁內(nèi)部加強(qiáng)板變形情況

從圖11可以看出，門檻梁加強(qiáng)板剛度嚴(yán)重不足。同時(shí)，因?yàn)樵摷訌?qiáng)板與內(nèi)門檻梁之間有較大間隙，不能將Y向的碰撞力通過地板橫梁傳遞給車身右側(cè)，因此將門檻梁內(nèi)加強(qiáng)件進(jìn)行結(jié)構(gòu)改進(jìn)，將部件沿Y方向拉長，通過該加強(qiáng)件將門檻梁內(nèi)板與外部連接起來。當(dāng)門檻梁外板受到撞擊時(shí)，可以及時(shí)將碰撞力傳遞給門檻梁內(nèi)板，然后通過門檻梁內(nèi)板繼續(xù)將Y方向碰撞力由地板橫梁傳遞給中央通道及車身右側(cè)，使更多部件參與承力。同時(shí)，將其厚度從1.0 mm增加至2 mm，材料由B280更換為HC400。另外，B柱下加強(qiáng)板出現(xiàn)彎折，B柱與門檻梁連接處承受了較大的碰撞力，而該部位的剛度不足，造成B柱根部變形較大和碰撞中B柱侵入量較大，限制了B柱的吸能。為增加B柱根部剛度，將B柱下加強(qiáng)板材料由B280換為強(qiáng)度更大的材料HC400。B柱及門檻內(nèi)加強(qiáng)件的優(yōu)化見圖12。

在仿真結(jié)果分析中，發(fā)現(xiàn)后門防撞梁沒有出現(xiàn)明顯的內(nèi)凹彎曲變形，而前門防撞梁內(nèi)凹變形明顯，且前門防撞梁彎曲擠壓車門內(nèi)板(如圖13所示)，造成車門內(nèi)板侵入量增加，不利于保護(hù)乘員艙空間。因此，將前車門防撞梁厚度由1.5 mm修改為與后門防撞梁一樣的厚度，即3 mm。優(yōu)化結(jié)果如圖14所示。

圖12 B柱及門檻內(nèi)加強(qiáng)件的優(yōu)化

圖13 前門防撞梁的變形

圖14 前車門防撞梁的優(yōu)化結(jié)果

4 優(yōu)化結(jié)果分析

4.1 臺車加速度曲線對比分析

圖15為優(yōu)化前后臺車加速度曲線。優(yōu)化后的加速度在35 ms達(dá)到峰值，峰值加速度為－22.6 g。優(yōu)化前峰值加速度為22.4 g，優(yōu)化后的模型在側(cè)面碰撞中，加速度峰值增加，峰值持續(xù)時(shí)間較優(yōu)化前增加，在41 ms后又迅速減小，說明優(yōu)化后的車輛模型側(cè)面剛度增加，碰撞持續(xù)時(shí)間減少。

圖15 臺車加速度曲線對比

4.2 變形對比分析

圖16為碰撞結(jié)束后，未優(yōu)化與優(yōu)化后的整車變形情況，左前門侵入量減小，車身其他部位變形沒有太大的差別。圖17為優(yōu)化前后主要承力部件變形對比。從圖17可以看出:前門防撞梁經(jīng)加強(qiáng)后，雖然發(fā)生彎曲變形，但沒有擠壓到車門內(nèi)板，有利于保護(hù)乘員艙空間。

圖16 優(yōu)化前后整車變形對比

圖17 優(yōu)化前后主要承力部件變形對比

4.3 側(cè)圍及B柱侵入速度、侵入量對比分析

表1為優(yōu)化前后的B柱侵入速度對比。優(yōu)化之后，從安裝在B柱上的加速度計(jì)得到的最大侵入速度為 7.4 m/s，比優(yōu)化前減小0.5 m/s，其他測量點(diǎn)的侵入速度也均有下降，平均下降0.4 m/s。

表1 優(yōu)化前后B柱侵入速度對比

圖18為側(cè)圍及B柱Y向位移云圖。從圖18可以看出:最大侵入量同樣發(fā)生在前門門檻梁處，最大侵入量為85.4 mm，相比優(yōu)化前的130.0 mm的侵入量有較大改善。

圖18 側(cè)圍及B柱Y向位移云圖

4.4 車門內(nèi)板侵入速度及侵入量對比分析

圖19為車門內(nèi)板Y向變形位移云圖。從圖19可以看出:最大侵入量為96.5 mm，發(fā)生在車門內(nèi)板邊框，該處出現(xiàn)壓潰變形。相比優(yōu)化前的最大侵入量133 mm，最大侵入量明顯降低，其他區(qū)域侵入量也明顯下降，優(yōu)化效果明顯。

圖19 車門內(nèi)板優(yōu)化后Y向位移云圖

表2為由車門加速度計(jì)得到的車門內(nèi)板最大侵入速度統(tǒng)計(jì)。從表2可以看出:優(yōu)化后車門內(nèi)板最大侵入速度為7.9 m/s，比優(yōu)化前降低了0.4 m/s，其他測量點(diǎn)侵入速度也都有約0.4 m/s的減少。

表2 優(yōu)化前后車門內(nèi)板最大侵入速度對比

5 結(jié)束語

在Hypermesh中建立了整車有限元模型。通過仿真計(jì)算，得到該車側(cè)面移動壁障碰撞安全響應(yīng)。對側(cè)面碰撞仿真結(jié)果進(jìn)行了詳細(xì)分析，從側(cè)圍及B柱侵入量和侵入速度、車門內(nèi)板侵入量和侵入速度、整車及主要承力部件變形吸能形式研究了該車側(cè)面碰撞安全性。針對主要承力部件的變形吸能形式中剛度及強(qiáng)度不足的部件進(jìn)行了結(jié)構(gòu)改進(jìn)，通過仿真分析，將優(yōu)化后的結(jié)果與優(yōu)化前進(jìn)行了對比。對比發(fā)現(xiàn)，優(yōu)化后的模型側(cè)碰中，側(cè)圍、B柱及車門侵入量均有明顯減小，有效降低了側(cè)碰中乘員艙的侵入量，提高了該車的側(cè)面碰撞安全性。通過結(jié)構(gòu)優(yōu)化，該車的側(cè)面碰撞性能得到有效提升，達(dá)到了優(yōu)化設(shè)計(jì)的目的。

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