汽車偏置碰撞中前防撞梁結構優化

孫會偉 張向超 劉志法 辛勇 楊哲

（海馬汽車有限公司）

目前，國外汽車正面碰撞試驗法規中對正面碰撞的評價方法分為全寬碰撞試驗和40%偏置碰撞試驗2種[1]。根據事故車輛不同碰撞重疊率的乘員傷亡分布情況可知，重疊率為30%～40%的事故中乘員嚴重受傷率最高，而40%偏置碰撞試驗能夠較精確地模擬該重疊率的交通事故[2]。因此進行汽車40%偏置碰撞安全性的相關研究，對提高整車的碰撞安全性有重要的意義。40%偏置碰撞研究的重點是汽車車身結構剛度的設計是否能有效實現縱向階梯變化，減少駕駛室的變形量。汽車前機艙結構的整體剛度匹配對偏置碰撞影響較完全正碰更為顯著，而且單純加大板厚或者增加加強板會導致汽車質量的大量增加[3]。文章通過有限元方法對2種不同防撞梁結構進行對比，分析2種防撞梁的吸能變形模式以及分析吸能盒的應變大小，從而可以進一步優化防撞梁的耐撞和吸能性能，提高吸能盒撞擊力的均勻性，最終確定防撞梁的結構形式。

1 碰撞性結構分析

1.1 吸能理論

整車與可變形壁障接觸時，車身前部緩沖吸能區發生擠壓變形吸能，并通過前縱梁和輪罩加強件等部件向后傳遞，在車體A柱和乘員艙底部縱梁等部件處發生吸能變形。碰撞能量按各部分吸能區域進行劃分[4-5]，可表示為：

式中：E0——初始動能，J；

E1，E2，E3——可變形壁障、前部結構及乘員艙的變形能，J；

m——汽車質量，kg；

v0——初始速度，m/s；

Δxi（i=1，2，3）——可變形壁障擠壓變形、前部吸能結構平均擠壓變形、乘員艙平均擠壓變形，m；

Ki（i=1，2，3）——可變形壁障、前部吸能結構及乘員艙的等效縱向剛度，N/m。

文章主要通過優化前防撞梁的結構，改進前防撞梁的吸能變形模式，改善前圍板侵入量，從而保證乘員有足夠的生存空間。

1.2 碰撞性結構分析

通過碰撞性結構分析，結合該款車的結構特點，40%偏置碰撞性設計應包含一個剛度較大的乘員艙和設計合理的許可變形區域。汽車前部耐撞結構和前縱梁結構設計示意圖，如圖1所示。當發生偏置碰撞時，通過剛度較大的乘員艙設計，確保乘員艙的完整性；通過許可變形區的壓縮變形吸收能量，并產生平緩的碰撞加速度；通過許可變形區內主要承載結構的變形控制，來控制汽車的整體變形[6]。

圖1 汽車40%偏置碰撞耐撞性結構設計示意圖

2 偏置碰撞有限元模型的建立

2.1 有限元模型信息

偏置碰撞仿真有限元模型前處理在HyperMesh中完成，利用LS_DYNA進行碰撞仿真求解。40%偏置碰撞有限元模型，如圖2所示。

圖2 汽車40%偏置碰撞有限元模型圖

2.2 偏置碰撞邊界條件設置

按照Euro-NCAP的試驗要求，壁障距離地面高度為200 mm，偏置碰撞試驗車碰撞速度為64 km/h，可變形壁障與汽車重疊率為40%，碰撞計算時間為150 ms，試驗車與可變形壁障保持一直線，可變形壁障右側表面偏移汽車中心線約10%的汽車寬度，如圖3所示。

圖3 汽車40%偏置碰撞中汽車與壁障位置關系圖

3 偏置碰撞仿真結果分析

3.1 2種防撞梁結構對比

優化前結構為防撞梁本體與吸能盒之間是CO2焊接，優化后狀態為防撞梁本體與吸能盒之間增加一個吸能盒前擋板，防撞梁本體與吸能盒前擋板采用螺栓連接，吸能盒前擋板與吸能盒之間采用CO2焊接。防撞梁優化前后結構對比，如圖4所示。

圖4 汽車偏置碰撞防撞梁優化前后結構對比

3.2 偏置碰撞右側吸能盒整體應變結果對比

偏置碰撞右側吸能盒應變結果對比，如圖5所示。從圖5可以看出，優化前狀態的右側吸能盒存在應變大于20%（零件撕裂極限點）的區域，存在較大的撕裂風險，而優化后狀態的右側吸能盒的應變只有10%，風險較小。

圖5 汽車偏置碰撞右側吸能盒優化前后整體應變模型圖

3.3 優化前防撞梁40%偏置碰撞吸能盒變形結果

優化前防撞梁40%偏置碰撞吸能盒變形結果，如圖6所示。從圖6可以看出，左側吸能盒變形嚴重，焊縫周圍應變較大，有失效風險；右側吸能盒變形較小，但焊縫周圍應變普遍大于20%，且主要受力為剪切力，整體失效風險較大。

圖6 汽車偏置碰撞防撞梁吸能盒優化前變形模型圖

3.4 優化后防撞梁偏置碰撞吸能盒及前擋板變形結果

優化后防撞梁40%偏置碰撞吸能盒變形結果，如圖7所示。從圖7可以看出，左側吸能盒變形嚴重，但焊縫處受剪切力很小，失效風險不大；右側吸能盒變形較小，焊縫處有少量單元應變大于20%，但整體失效風險不大。

圖7 汽車偏置碰撞防撞梁吸能盒優化后變形模型圖

優化后防撞梁40%偏置碰撞吸能盒前擋板變形結果，如圖8所示。從圖8可以看出，左隔板螺栓孔周圍應變小于20%，無失效風險；右隔板螺栓孔周圍應變小于20%，無失效風險。

圖8 汽車偏置碰撞防撞梁吸能盒前擋板優化后應變模型圖

3.5 偏置碰撞車體加速度和前圍板侵入量結果對比

優化前后左側B柱加速度時間響應曲線，如圖9所示。

圖9 汽車偏置碰撞防撞梁左側B柱加速度時間響應曲線

從圖9可以看出，防撞梁優化前狀態的B柱左側加速度峰值大幅增加，時間點靠后，同時前圍板整體侵入量也增加到160.1 mm，超過了目標值，對乘員保護極為不利。

3.6 仿真分析結果對比

1）吸能盒和吸能盒前擋板的應變對比情況為：防撞梁優化前狀態存在應變大于20%的區域，存在較大的撕裂風險，而優化后狀態的應變只有10%，風險較小；

2）車體加速度和前圍板侵入量對比結果為：防撞梁優化前狀態的B柱左側加速度峰值大幅增加，且時間點靠后，同時前圍板整體侵入量也增加到160.1 mm，超過了目標值，對乘員保護極為不利；

3）前防撞梁和左側吸能盒壓潰變形穩定性分析：防撞梁本體與吸能盒之間采用螺栓連接的方式，在防撞梁折彎變形過程中會使防撞梁和吸能盒間有一定程度的緩沖過程，將明顯降低對吸能盒或安裝板的拉力和剪切力，所以優化后的吸能盒傳力更為均勻、可靠，潰縮變形充分，對前縱梁的潰縮和折彎變形有利；

4）優化后防撞梁結構的各項指標優于優化前，所以在車身開發過程中應考慮采用新狀態防撞梁結構。

4 結論

前防撞梁是保證汽車碰撞安全性的關鍵零部件，當前防撞梁強度不足或吸能變形不合理時，會影響整車的碰撞性能，且不利于后期約束系統的匹配。通過40%偏置碰撞安全仿真分析，對防撞梁進行結構優化設計，防撞梁本體與吸能盒之間增加隔板后的結構會使吸能盒的應變不超過20%，大大減少了在偏置碰撞過程中出現零件撕裂的風險；且新結構能夠使乘員艙侵入量得到明顯改善，這樣可以為車內乘員提供一個更加安全舒適的環境，在一定程度上提高了該款車在偏置碰撞過程中的安全性能。

文章建立的整車有限元仿真模型未包含假人模型，未對人體傷害值進行比較分析，后續可以開展這方面的相關分析，同時新結構會加大零部件的采購成本，這也是在后續防撞梁開發過程中需要考慮的因素之一。