正面碰撞安全性車身結構設計

張洪生

摘要：汽車車身結構的碰撞性能直接關系到汽車的被動安全性指標。本文從某純電動轎車在設計中提出的具體要求出發，建立了用于碰撞分析的整車車身結構的有限元模型，同時按照車身碰撞性能的評價目標，利用計算機模擬技術對車身局部結構進行了優化和改進。模擬結果與實車碰撞實驗結果的對比表明，計算方法和模擬過程正確，提出的建模方案和局部改進方案可以提高汽車產品的被動安全性設計水平。

關鍵詞：轎車車身；結構設計；正面碰撞；仿真；評價；被動安全性

1.1 本文的研究內容

本文針對某純電動轎車的正面碰撞安全性進行了車身結構設計，并結合仿真分析的結果提出了優化設計方案，相關工作如下：

（1）通過閱讀大量的參考文獻，分析了國內外汽車被動安全性的研究現狀和法規現狀，以及取得的最新成果及最新發展動態等。

（2）借助于大變形非線性有限元理論，對車身正面碰撞評價指標進行了分析。

（3）建立了某純電動轎車的整車三維CAD數學模型.

（4）以典型正碰結構框架為基礎，對網格劃分、材料定義、算法選擇、焊接工藝、接觸條件設定進行了細致的分析和參數比較。根據仿真分析的需要，對數據進行了適當的處理和簡化，并進行了全面檢查和校正。

（5）按照ECE R95法規對轎車車體總成進行了正碰仿真分析，針對仿真結果中出現的問題，提出了比較優化的改進方案。

（6）對改進方案進行了多次仿真分析，結果顯示新增零件具備良好的吸能特性，改進方案提高了車體正面抗撞性，方案是可行的。

（7）將仿真分析的結果與實車碰撞試驗數據進行了比較，驗證了仿真分析結果的有效性。

（8）總結出了一套應用非線性有限元理論、組合多種應用軟件進行碰撞仿真分析的方法，該方法對車身結構的優化設計具有重要的指導作用。對其它同類車型的車身結構設計具有一定的借鑒意義。

第2章 整車模型的建立

2.1白車身三維CAD數學模型的建立

在CAD模型的建立中，采用了法國Dassault公司推出的三維CAD軟件CATIA，它是當今汽車工業界應用最廣泛的軟件之一，白車身CAD模型見圖2-1。

第3章 前縱梁碰撞性能的評價和局部改進

本文對車身結構的主要吸能部件---前縱梁總成的結構進行了多次優化設計和局部改動，使其碰撞吸能性能得到進一步的改進。

3.1第一次模擬結果的評價及結構局部改進

結果分析：該前縱梁在碰撞時，前部沒有很好的壓潰變形，在梁的中部產生了很大的彎曲變形。由于彎曲變形吸收能量的能力較低，且變形大，而壓潰變形則具有很大的能量吸收比，所以從模擬的結果來看，要想辦法使前縱梁盡可能的沿著軸向壓潰變形，控制其彎曲變形量。

結構改進：1、通過局部調整截面形狀（通過吸能筋與加強筋的布置），使結構的變形阻力保持在適當水平，并重視局部弱化使整車剛度分配符合設計原則及能量吸收曲線圖。具體有如下措施：1）在縱梁上設計易于軸向壓潰的結構要素，如：凸臺、凹臺、長孔或方孔、缺口等；2）縱梁、車架局部制成波紋管狀；3）設計縱向布置的加強筋，局部控制彎曲變形。采取了第1）和3）種措施，即在縱梁上設計易于軸向壓潰的結構要素，增加縱向布置的兩道加強筋。

2、在縱梁的內外板之間，增加一個小隔板，抑制縱梁的彎曲變形。

3.2 第二次模擬結果的評價及結構局部改進

結果分析：從圖中可以看出，前縱梁前部有些壓潰變形，但不充分；后部剛性差，變形嚴重。

結構改進：

（1）將前縱梁的內板前部的厚度由1.8mm改為1.6mm，以利于壓潰變形；后部還保持料后1.8mm，以利于提高剛性。兩個厚度不相等的鋼板先進行激光拼焊，之后再整體沖壓，形成前縱梁的內板，這在工藝上是可行的。

（2）在前縱梁的后部，在內外板之間，增加一個加強件，以提高剛性。

3.3第三次模擬結果的評價

結果分析：壓潰變形非常充分，達到了比較滿意的結果，后部剛性大大提高，沒有明顯的變形。從加速度、速度、變化曲線等幾方面分析，改進結構令人滿意。

結論：

本文從某純電動轎車在設計中提出的具體要求出發，對該車的正面抗撞性進行了研究，將先進的CAD和CAE技術應用碰撞仿真分析中去，不但可以有效驗證實車試驗的結果，還可以非常清晰地剖析總體和局部結構的抗撞特性，為車身結構零件的改進和優化設計提供了理論依據，并直接對改進后零件的抗撞性能進行分析，從而大大縮短車身的開發周期，減少車身的設計成本，并可保證更高的可信度。

本文所取得的成果如下：

（1）較完整地建立了某純電動轎車的整車三維CAD數學模型。

（2）按照ECE R95法規對轎車車體總成進行了正碰仿真分析，針對仿真結果中出現的問題，提出了比較優化的改進方案。

（3）對改進方案進行了多次仿真分析，結果顯示改進方案提高了車體正面抗撞性，方案是可行的。

（4）將仿真分析結果與實車碰撞試驗數據進行了比較，驗證了仿真分析過程的有效性，從而得出某純電動轎車的車身正面碰撞安全性的結構設計是成功的。

參考文獻

[1]王瑄，李宏光，趙航，現代汽車安全. 北京：人民交通出版社，1998。

[2]黃世霖，張金換，王曉冬等，汽車碰撞與安全. 北京：清華大學出版社，2000