AEMDB側面碰撞性能提升方法研究

季奕 曾祥義 李向榮

中國汽車技術研究中心 天津市 300300

1 引言

近年來國內汽車的保有量逐年上升，交通事故也是呈明顯上升態勢。根據交通事故統計，側面碰撞約占事故總數的30%，是交通事故的主要形式。汽車側面碰撞安全性能被各國作為汽車安全性評價指標之一，尤其在我國道路交通環境中，道路路口以平面交叉為主，側面碰撞事故更為嚴重。當車輛發生側面碰撞時，側面吸能的區域較小，且碰撞作用的時間較短，不如汽車前部、后部那樣的足夠空間發生結構變形來吸收碰撞能量，同時被撞部分與乘員的距離比較近，容易直接撞擊乘員[1]。所以與正面和后面碰撞相比，車輛側面碰撞對乘員造成的傷害更大，因此良好的側面乘員保護性能對整車安全來說更為重要。

2 2018版C-NCAP側面碰撞測試條件變化

2.1 壁障參數的差異

相比2015版側面碰撞可變形壁障，2018版碰撞試驗參數變化比較大。其中試驗臺車的質量、重心位置、壁障距地面線高度等參數均進行了調整，詳見表1：

圖1是AEMDB大臂障的照片，從照片也可以看出，前端的形狀為階梯形，不同于之前的壁障。

表1 2018版壁障參數表

圖1 AEMDB壁障

2.2 試驗假人的變化

在2015版的側面碰撞試驗中，前排放置ES-2假人，后排放置SID IIs假人。在新版法規試驗中前排放置的是World SID假人。World SID假人與ES-2假人結構形式不同，World SID假人整體上的剛度比ES-2假人的剛度低。主要體現在當假人在y向承受相同的沖擊時，World SID假人受力更低，加速度更低，肋骨產生的位移更大。在承受斜向的沖擊時，World SID假人的胸部肋骨與ES-2假人胸部肋骨表現出明顯不同的特性，該工況下World SID假人肋骨位移比ES-2假人的肋骨位移小。對于前排的碰撞性能開發，得分難度沒有變得嚴峻，在一定程度上更容易得到相應分數。下圖是World SID假人與ES-2假人示意圖：

圖2 World SID側面碰撞假人

圖3 ES-2側面碰撞假人

2.3 評價標準變化

相對于2015版，2018版C-NCAP試驗結果的評價的指標也發生了變化。前排將根據新的WORLDSID假人調整新的高性能及低性能指標限值，包括頭部、胸部、腹部和骨盆；第二排假人的評價指標：除頭部和骨盆外，增加胸部和腹部性能評價指標，加大了后排得分的權重[2]。

3 側面碰撞機理

側面碰撞是一個移動變形壁障與試驗車輛交換動量的過程。隨著移動變形壁障的前進，試驗車輛側圍的變形逐漸增大，變形抗力也同樣增大，試驗車輛在側圍變形抗力的作用下逐漸加速；在側圍變形的同時，移動小車也逐漸減速，MDB推動被撞車輛，被撞車輛的速度逐漸增加，MDB的速度逐漸下降，最終兩者速度達到統一。如果兩者質量大致相當，這一過程滿足動量守恒定律。

由于車門的質量較小，碰撞速度上升很快，最終幾乎等于MDB的初始速度，形成車門侵入速度。詳見圖4：

圖4 側面碰撞運動過程原理圖

4 碰撞性能提升方法

4.1 開發輸入條件及要求變化

首先2018 版更換大壁障后，側碰壁障質量的增加導致碰撞能量增加。根據能量計算公式E=12mv2，其中m=1400kg，v=50km/h，計算出側碰臺車能量為135.05kJ，比2015版增加47.3%，同時壁障高度抬高，門檻對側碰的支撐作用減小，因此側碰的侵入量和侵入速度會明顯增加。圖5是側面碰撞模型壁障撞擊位置示意圖：

其次碰撞試驗后增加了第二排假人的評價指標：除頭部和骨盆外，對胸部和腹部性能進行評價。這就要求適當的提高后門及門檻后部的結構強度，控制其最大侵入量。

綜合以上兩點：在側面碰撞試驗中，相對2015版達到同樣的開發目標，新版的開發難度大幅提高，隨之帶來的是整車重量和開發成本的增加。

4.2 開發目標設定

在碰撞性能開發過程中，前期一般對車身的開發目標進行設定，特別是B柱作為側面碰撞受力的主框架，對其相關的侵入量和侵入速度都有要求，以滿足后期的開發目標。對于五星車開發，一般建議B柱侵入量控制在120 mm以內，侵入速度控制在7.5 m/s以內，見表2：

4.3 開發應對措施

對于側面碰撞，在白車身的開發過程中，通過封閉的環形結構設計來增加車身的剛度和耐撞性，下圖是側面碰撞時車身的傳力路徑示意圖。在碰撞過程中，B柱、門檻梁、座椅橫梁、B柱下部貫通梁、上邊梁等梁系結構起到至關重要的作用。下面從這幾點詳細介紹一下碰撞性能提升的措施。

圖5 側面碰撞位置示意圖

表2 側面碰撞開發目標分解

圖6 側面碰撞傳力路徑

4.3.1 B柱結構形式及強度提升

車身B柱是抵抗側面撞擊的重要部件。在側碰事故中，B柱本身要承受巨大的沖擊力，同時還必須支撐車門、頂蓋以及門檻，提高其抗彎矩強度主要靠提高各截面慣性矩和相關材料的強度來達成。

從改善傷害值的角度看，B柱在下端折彎效果較好。如果在中上部折彎，會嚴重影響假人的頭、胸部關鍵區域。通過保障B柱上端結構的相對穩定性，可以提高乘員的安全性，把較大的潰縮變形轉移到下部區域，從而達到吸收碰撞能量的目的[3]。

在提高碰撞性能提升的同時，還要考慮到輕量化及生產工藝等多方面的要求。目前來看主要有采用熱成型板材和激光拼焊兩種方法來提高B柱的整體的強度。

方案一：B柱加強板采用熱成型鋼，材質B1500HS；內板采用B340/590DP高強鋼板，板厚根據不同的車型和開發目標略有不同，一般加強板在1.5mm左右，內板1.6mm～2.0mm。

方案二：B柱加強板和內板采用激光拼焊，同時在加強板的內部增加一個內襯板，材質B340/590DP，料厚1.8mm～2.0mm。內板和加強板一般分成上下兩段，采用不同的材質和料厚板材焊接而成。具體的板材選型可以根據CAE分析的結果選取，以達到輕量化設計的目的。

圖7 熱成型鋼板B柱內部結構

圖8 激光拼焊B柱內部結構

4.3.2 門檻梁

門檻梁是車身側圍總成從前到后的貫通梁，在碰撞過程中起到和壁障接觸面X向相互接觸的作用，以達到整體傳力的目的。對于門檻梁較高的車型，傳力作用效果會更明顯，如大中型SUV車型。

在新版的開發過程中，要重點關注門檻梁兩端接頭的強度，因為碰撞能量的增加對于接頭的強度提出了更高的要求。

4.3.3 車門防撞梁結構

車門防撞桿在側碰過程中主要限制車門的侵入量和侵入速度。一般要布置在移動壁障突出的塊所接觸的區域，要有足夠的彎矩和強度來抵抗侵入變形。

防撞梁結構一般有兩種形式。一個是“M”形斷面的熱成型防撞梁，其承受的受力面積更大，作用效 果更好；還有一個是中間是圓管，兩端焊接板材防撞梁結構，其特點是成本較低，工藝上易實現。工藝和成本上如滿足要求，建議采用第一種方案。

4.3.4 前排座椅橫梁和B柱下貫通梁

座椅橫梁和B柱下貫通梁在側碰變形過程中給門檻梁提供側向的支撐，起到傳遞碰撞能量的作用，同時抑制門檻結構的翻轉，結構形式見下圖：

圖9 座椅橫梁和貫通梁示意圖

橫梁和門檻梁接觸的端面盡量的加大，以增加Y向傳力的能力。座椅橫梁和貫通梁材質一般采用B340LA或B340/590DP，料厚1.5mm～1.8mm。

5 CAE分析驗證

5.1 建立仿真模型

在整車CAD模型的基礎上利用有限元前處理軟件Hypermesh進行合理的網格劃分。因車身的大部分零件都是由薄板鋼沖壓而成，因此車身零件全部采用殼單元形式。為了保證模型精度，同時兼顧控制模型的規模以節省計算時間，在側面碰撞中主要變形或可能失效的部件上使用較小的網格來進行劃分，而在變形較小或基本不變形的次要部件上剛使用較大尺寸的網格[4]。

完成的仿真模型中沙漏能占模型總能量3.21%，小于目標要求5%；滑移界面能占模型總能量1.59%，小于目標要求5%；模型總質量增加1.59%，小于目標要求3%；模型總能量最大波動幅度為1.79%，小于目標要求3%。基于以上幾點，模型能量變化基本符合能量守恒定律，模型可用于對標。具體數值見表3：

5.2 碰撞仿真分析

仿真分析后，按照前期的開發目標對B柱的侵入量和侵入速度進行確認。圖10是優化前的侵入量，在140mm左右，不滿足開發目標要求。優化后B柱的各個部位侵入量控制在100mm左右，達到了侵入量在120mm以內的開發目標。

侵入速度主要是考察B柱頂端、腰線、鎖扣、底部四個部位，見圖13。按照要求，各部位侵入速度在7.5m/s以內。

通過CAE的仿真分析，對B柱的侵入量和侵入速度進行了驗證，從而說明了整個側面碰撞結構的合理性。既保障了碰撞性能開發目標的達成，也很好的控制了安全裕度，兼顧到其他工藝部門的要求。

6 結語

圖10 B柱優化前變形圖

圖11 B柱優化后變形圖

圖12 優化后側面侵入量示意圖

表3 仿真模型能量控制表

本文從碰撞法規及試驗條件的變化為出發點，詳細闡述了側面碰撞白車身開發的重點區域及控制方法，并提出了多種材料、多種結構形式的方案供其他車型參考。通過分析驗證，得出以下結論：

（1）新版的側面碰撞法規考察更加嚴格，其中臺車重量增加450kg，壁障下端抬高100mm。對白車身側面結構的整體性，特別是B柱周邊結構的開發提出了更高的要求。

（2）開發目標的設定較2015版變化不大，難點主要是由于碰撞能量及碰撞位置、面積的變化加大了侵入量、侵入速度目標達成的難度。

圖13 B柱關考察點示意圖

圖14 B柱頂端侵入速度

圖15 B柱腰線侵入速度

圖16 B柱鎖扣侵入速度

圖17 B柱底部侵入速度

（3）側面碰撞性能的開發重點是碰撞性能和輕量化要求的達成，同時滿足相關工藝的要求，比如涂裝、沖壓等等[5]。在車型的開發過程中，首先要保障整體側面結構的穩定性，然后在控制各個關鍵點相關參數要求，以避免不必要的工作量發生。