座椅安裝橫梁結構對整車側碰的影響

卜曉兵金旭龍張連洪張桂賢馮亞玲高鵬飛蔡曉林

（1.天津大學；2.中國第一汽車股份有限公司天津技術開發分公司）

整車側面碰撞是指汽車在極短的時間內受到巨大的沖擊載荷。合理的碰撞載荷傳遞路徑可以顯著地改善汽車碰撞性能。汽車的骨架結構，如前座椅安裝橫梁結構設計不合理，將會導致碰撞能量無法快速傳遞，存在車身變形和乘員損傷的風險。鑒于整車設計過程中座椅前橫梁安裝點問題以及B柱和門檻梁造型的問題，涉及到2種座椅安裝橫梁結構的方案，文章通過仿真模擬車身設計中出現的2種座椅安裝橫梁結構，探討了其對整車側面碰撞吸能和變形模式的影響。

1 側面碰撞有限元模型建模

整車的有限元建模是一個幾何模型離散化的過程，主要包含幾何模型網格化、定義材料參數和屬性、建立連接關系及定義邊界條件四部分。

有限元仿真本質上是利用仿真的方法進行近似的模擬計算，這種近似的計算有賴于有限元模型的準確度和穩定性，其中有限元的網格大小、連接關系、邊界條件及控制參數的設置都會對仿真的精度產生很大影響。

整車模型主要由殼單元和梁單元組成，節點數為1 258 056個，單元總數為2 825 923個，三角形單元總數控制在5%以下，殼單元的平均尺寸為4 mm×4 mm。在建模過程中，嚴格控制單元的品質，尤其是對于單元翹曲度、長寬比及最大和最小內角等都有嚴格的要求。彈塑性材料可以很好地模擬整車中大量使用的低碳鋼沖壓板[1]，材料參數通過試驗測得，并兼顧碰撞過程中的大應變問題，同時注意了焊點布置的問題[2]。

按照新車評價規程C-NCAP的試驗方法，設置移動變形壁障的縱向中垂面軌跡垂直于被撞汽車的縱向中垂面，移動變形壁障下沿離地高度為300 mm，移動變形壁障模型加載初速度為50 km/h，被撞汽車與移動變形壁障模型的位置，如圖1所示。

圖1 整車側碰工況仿真模型

文章設計了2種不同結構的前座椅安裝橫梁，如圖2所示，圖2a示出前座椅安裝橫梁前端搭接在門檻梁內板上，且與座椅的安裝點有一定的高度差，為了使碰撞載荷可以順利并快速地引導到中央通道及車身，高度差采用了一定的弧度設計；圖2b示出前座椅安裝橫梁前端由于高度大幅降低，不能搭接在門檻梁內板上，因此安裝橫梁前端和座椅的安裝點不會再產生高度差，但左右翻邊的焊點各由原來的3個變為現在的2個，少了1個與門檻梁內板的焊點。汽車座椅安裝橫梁屬于側面碰撞的關鍵梁系，須有一定的剛/強度和結構搭接，使碰撞載荷可以有效的傳遞到車身右側。

圖2 座椅安裝橫梁結構模型圖

2 側面碰撞有限元仿真結果

對2種不同結構設計的前座椅后安裝橫梁的整車側面碰撞進行仿真計算，仿真模型通過LS-dyna計算，分別從仿真結果中輸出駕駛員側B柱測量點的侵入量以及門檻梁內板和座椅安裝橫梁的變形模式。側面碰撞首先是被撞一側的車門、B柱及側圍直接與可移動壁障發生碰撞接觸，這些鈑金件在受到碰撞沖擊載荷后，先發生局部的變形吸能，然后再通過門檻梁、頂蓋橫梁及座椅安裝橫梁等碰撞路徑，將碰撞的載荷傳遞出去。

通過求解軟件LS-dyna計算的結果，如圖3所示。圖3a示出與門檻梁內板搭接的方案，從圖3a可以看出，座椅安裝橫梁前端發生變形較小，對門檻梁內板起到了一定的支撐作用；圖3b示出不與門檻梁內板搭接的方案，從圖3b可以看出，座椅安裝橫梁前端發生變形明顯，由于高度差的存在，使得紅色的座椅前安裝橫梁受力增大。從圖3可以看出，未與門檻梁搭接的內板在座椅前安裝橫梁處變形明顯增大。

圖3 座椅安裝橫梁與門檻梁內板變形圖

由于座椅后安裝橫梁的位置與B柱處于側面碰撞的重疊區域，B柱受到的碰撞載荷通過門檻梁、頂蓋橫梁及座椅后安裝橫梁傳遞，因此座椅后安裝橫梁的結構以及與門檻梁內板的搭接方式將會影響到B柱的侵入量。

整車側面碰撞中關注的侵入量測量點，如圖4所示，4個測量點的位置，從上而下分別對應假人的頭部、胸部、腹部及骨盆的位置。側面碰撞關注的侵入量與假人的傷害值息息相關，超過一定的侵入量限值，將給假人帶來傷害，從而影響C-NCAP中側面碰撞的得分，進而影響到整車的星級評價。

圖4 側面碰撞侵入量測量點

表1示出仿真結果中統計測量點的B柱動態最大侵入量數值。從表1可以看出，與門檻梁搭接的座椅后安裝橫梁方案的整體侵入量要小于沒有與門檻梁搭接的座椅后安裝橫梁方案，且侵入量的差值依次加大，尤其是在較為關注的假人胸部和腹部位置差值增大，未與門檻梁搭接的方案在假人胸部和腹部位置數值上分別增大了7.79 mm和9.13 mm；在假人骨盆位置的侵入量，未與門檻梁搭接的座椅后安裝橫梁方案數值過大，達到了127.23 mm，存在扣分的風險。

表1 B柱測量點的動態最大侵入量 mm

側面碰撞發生時，各個鈑金件受力情況的應力分布可以通過應變分布云圖間接體現，圖5示出整車側面碰撞中門檻梁內板的應變分布云圖。

圖5 門檻梁內板應變分布云圖

從圖5可以看到，座椅后安裝橫梁和前安裝橫梁處的應力最為集中，尤其是座椅前安裝橫梁與門檻梁內板搭接的地方，應力集中明顯。如果結構設計參照圖2b座椅橫梁未與門檻梁搭接的方案，將直接增加門檻梁的翻轉和彎折的風險，當門檻梁發生大的彎折或者翻轉時受力集中，將增加B柱的侵入量，從而加大駕駛員在側面碰撞發生時受到傷害的風險；如果結構設計參照圖2a座椅橫梁與門檻梁搭接的方案，門檻梁和座椅橫梁的受力均較小，可以減緩門檻梁發生大翻轉的可能性，并且B柱的侵入量在可控的限值內，避免了假人在側碰試驗中受到大的傷害而扣分。

3 結論

文章分析了整車側面碰撞工況下2種不同座椅安裝橫梁方案的仿真結果，2種座椅方案設計的仿真結果在B柱和門檻梁內板的變形模式上存在較為明顯的測點差異，主要表現在門檻梁的應變和B柱侵入量數值大小2個方面。搭接門檻梁的座椅方案，門檻梁應變數值和B柱侵入量數值都較小，說明座椅安裝橫梁與門檻梁搭接的方案可以有效的將碰撞產生的運動載荷快速傳遞到車身，增加連接部件的軸向剛度和吸能能力。發生相同變形時，需要的碰撞力顯著增大，并對B柱和門檻梁產生一定的支撐作用，防止門檻梁在碰撞中發生大的扭轉變形，減少B柱的動態最大侵入量，尤其是在較為關注的假人胸部和腹部的關鍵位置，侵入量的數值明顯小于未與門檻梁搭接的座椅方案，從而減少對試驗假人的傷害，提高了整車側碰試驗的分值。