某款轎車變型開發中車身結構輕量化的研究?

洪求才，劉衛國，2，周大永，2

(1.浙江吉利汽車研究院有限公司，杭州 311228； 2.浙江省汽車安全技術研究重點實驗室，杭州 311228)

某款轎車變型開發中車身結構輕量化的研究?

洪求才1，劉衛國1，2，周大永1，2

(1.浙江吉利汽車研究院有限公司，杭州 311228； 2.浙江省汽車安全技術研究重點實驗室，杭州 311228)

本文中針對現有平臺車型C-NCAP五星級碰撞安全車身，基于車身結構輕量化要求，通過CAE仿真改進車身結構，開發了一款滿足C-NCAP五星級碰撞標準的全新緊湊型A級轎車。在現有平臺車型基礎上，構建高精度整車碰撞有限元模型，通過前縱梁、副車架和前防撞梁結構的改進設計，以整車加速度波形、前圍侵入量和前縱梁變形模式等為結構開發目標，進行車身輕量化設計。結果表明，在達到車身結構輕量化要求的同時，改善了車輛的安全性能。

車身；輕量化；仿真；碰撞性能

前言

被動安全性是整車性能的核心，為造出更安全、更環保和更節能的轎車，從被動安全角度來說，重點在于保護車內乘員，減小碰撞對乘員的傷害[1-4]。一個能充分吸收碰撞能量和有良好乘員保護空間的安全車身結構是碰撞星級開發的基礎，而能兼顧車身輕量化要求，設計出一款在消費市場上具備競爭力的產品也是各大汽車主機廠研發車型時所追求的目標[5]。

本文中以現有碰撞五星級車身平臺為基礎，進行變型開發。通過去除現有車型的副車架前縱梁，前懸長度縮短80mm，配置加大尺寸的輪胎，優化車身前結構，開發出一款滿足碰撞五星級輕量化要求的緊湊型A級轎車。

1 車身輕量化設計優化方法

基于車身結構輕量化設計要求，為實現整車碰撞性能目標，在原始車型有限元模型的基礎上，通過優化縱梁截面承載力、提升縱梁能量吸收效率、優化碰撞傳遞路徑和防撞梁抗彎特性等設計變量，考察整車碰撞加速度水平、車輛前圍侵入量和前縱梁變形模式3項指標，評估車輛結構水平、乘員生存空間要求和碰撞結構穩定性要求，結構優化流程如圖1所示。

圖1 結構優化流程圖

2 基礎車型仿真

圖2 “井”字型副車架結構

基礎車型采用“井”字型副車架結構形式，輪胎尺寸為215/55/R16，五星級碰撞標準車身結構，如圖2所示。在100%剛性墻50km/h碰撞試驗的同時，進行建模、仿真，結果如圖3～圖6所示。從車身左右側碰撞加速度波形、車身關鍵結構件變形模式和碰撞后測量點變形結果可以看出，加速度波形與試驗波形較為接近，處于相同水平，左右側縱梁變形模式、前防撞梁變形仿真與試驗一致，車身測量點位移量與試驗較為接近，說明仿真模型能足夠精確地反映試驗狀態，可以此仿真模型為基礎，進行車身輕量化仿真[6-12]。

圖3 車身B柱下部左側加速度仿真與試驗結果對比

圖4 車身B柱下部右側加速度仿真與試驗結果對比

圖5 車身結構試驗與仿真結果對比

3 變型車型車身開發

以五星級安全車身為基礎進行變型開發，即去除“井”字型副車架，改為“半”字型副車架結構，前懸長度縮短80mm，輪胎尺寸增大，輪輞外徑由R16變為R17，如圖7～圖9所示。為使變型車型車身滿足C-NCAP五星級標準，須從結構和零部件性能開發兩個方向進行優化匹配。其難點為：(1)“井”字型副車架改為“半”字型車架，減少了原有結構傳遞路徑；(2)輪胎尺寸的改變減少了碰撞有效利用空間，同時增加了輪胎在碰撞過程中接觸A柱的風險；(3)前懸長度縮短80mm，減小了有效的前部碰撞吸能空間。考慮到布置和行人保護小腿碰撞空間的要求，將前防撞梁系統吸能盒長度縮短54mm，如圖8所示。

圖6 車身變形量試驗與仿真結果對比

圖7 “井”字型副車架與“半”字型副車架

圖8 輪輞尺寸R16與R17對比

圖9 前防撞梁布置位置

3.1 防撞梁系統性能開發

基于輕量化要求，把基礎車型的滾壓前防撞梁替換為熱成型前防撞梁，為保證前防撞梁自身的抗彎特性，通過CAE仿真優化其結構，達到預期設計要求的抗彎特性，進一步通過零部件試驗驗證熱成型前防撞梁力學抗彎特性，如圖10和圖11所示。基礎車型滾壓前防撞梁材料厚度780DP/1.4mm與熱成型前防撞梁材料厚度BTR165/1.8mm抗彎力學性能相當，達到基礎車型的力學抗彎要求。

圖10 前防撞梁抗彎力與位移曲線關系

3.2 車身性能優化方案

由于對基礎車型進行配置“精簡”，導致碰撞性能不理想，無法滿足C-NACP五星級碰撞標準。所以需要優化車身結構，在滿足整車輕量化目標前提下，保證碰撞性能。優化方案如圖12～圖15所示，其中：縱梁前段誘導筋優化；縱梁前段結構特征孔去除；縱梁前段增加內加強板，材料為0.8mm/590DP，縱梁中部內加強板材料由原先的1.0mm/DC01改為1.5mm/590DP；修改A柱內部截面，增加乘員艙內斜支撐件與A柱搭接的面積，斜支撐件厚度由原先的1.5mm增至1.8mm。

圖11 前防撞梁三點壓彎試驗

圖12 前縱梁誘導筋優化

圖13 前縱梁特征孔優化

圖14 前縱梁內加強板結構優化

圖15 A柱與斜支撐件結構優化

3.3 正面碰撞效果

由于去除副車架前縱梁結構，縮短了碰撞力傳遞路徑，且車身縱梁長度不變的前提下，通過采用熱成型防撞梁，滿足前懸縮短80mm整車布置要求，但結構碰撞性能有所降低，不能滿足五星級碰撞車身結構設計要求。

表1 輕量化車身質量變化

通過與前防撞梁抗彎性能設計要求和車身前縱梁結構的優化匹配，使整車結構質量減輕7.01kg，既達到車身輕量化目的，又滿足車身碰撞性能開發要求。優化前后質量的變化如表1所示。優化結果如圖16～圖19所示，其中：左側B柱底部加速度峰值由原先的47.2g降低至38.7g，右側B柱底部加速度峰值約為42g，優化后的左右側B柱底部加速度水平基本達到原型車加速度水平，即五星級碰撞車身安全開發要求；防火墻動態最大侵入量由原先的110mm降低為102mm；同時正面剛性墻50km/h碰撞，縱梁變形模式明顯改善，前防撞梁抗彎作用明顯、吸能盒充分壓潰，縱梁前段軸向壓潰，縱梁變形穩定性顯著增強。

圖16 縱梁變形模式優化對比

圖17 前防火墻侵入量云圖對比

圖18 左側B柱底部加速度優化對比

圖19 右側B柱底部加速度優化對比

4 結論

基于車輛輕量化開發要求，開發出滿足CNCAP五星級安全車身結構。在前懸縮短、采用大尺寸輪胎和去除副車架前縱梁等整車改動前提下，通過優化車身結構達到設計目標要求，車身質量減輕7.01kg。縱梁變形模式較為合理，加速度峰值明顯降低，同時防火墻動態最大侵入量也減小了近10mm，改善了車輛的安全性能，滿足碰撞安全設計目標，達到車身結構輕量化要求。

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A Study on Body Structure Lightweighting in the Transfiguration Development of a Sedan

Hong Qiucai1，Liu Weiguo1，2＆Zhou Dayong1，2
1.Geely Automobile Institute，Hangzhou311228； 2.Zhejiang Key Laboratory of Automobile Safety Technology，Hangzhou311228

According to the lightweighting requirements of car body structure and based on the body of a car with existing platform and five-stars crashworthiness by C-NCAP，a novel compact A class sedan meeting the CNCAP five-stars crashworthiness criteria is developed in this paper.Specifically，a high accuracy finite element model for car crash is constructed based on the car model with existing platform.Through the design modification of the structures of front side rail，sub-frame and front bumper，with the acceleration wave form，front bulkhead intrusion and the deformation pattern of front side rail as the development objective of structure，the lightweight design of car body is carried out.As a result，the safety performance of vehicle is improved while meeting the lightweighting requirements of car body structure.

car body；lightweighting；simulation；crashworthiness

?浙江省汽車安全控制技術重點實驗室建設項目(2009E10013)資助。

原稿收到日期為2016年1月20日，修改稿收到日期為2016年3月20日。

洪求才，碩士，E-mail：hongqiucai＠163.com。

10.19562/j.chinasae.qcgc.2017.02.018