某MPV 正面碰撞中結構改進優化研究

史愛民，費 敬，崔淑娟，李氣輝

（1.汽車噪聲振動和安全技術國家重點實驗室，重慶 401122；2.中國汽車工程研究院，重慶 401122）

某MPV 在針對GB 11551—2014 的一次正面碰撞試驗中，出現駕駛員的頭部和頸部傷害值[1]超標的情況，安全性不滿足國標要求。該款車型的優化改進存在時間進度緊張、成本控制嚴格的情況，無法配備安全氣囊來對駕駛員的頭部和頸部提供保護，針對其存在的問題，通過優化車體關鍵零部件結構，達到相關約束系統開發要求，并進行了整車試驗驗證，試驗結果滿足法規要求。

1 整車碰撞模型建立

根據整車數模及相關參數，建立了50 km/h正面撞擊剛性墻有限元仿真模型，模型總質量為1 840 kg，包括整備質量1 690 kg、正副駕駛位上50% Hybrid III 男性假人（75 kg×2）。整車節點數量為2 152 846 個，整車單元數量為2 639 185 個。

由圖2 和圖3 可知，整車能量變化曲線過渡光滑，沙漏能、滑移界面能變化均小于3.5%，動能與內能的轉換正常，沒有出現較大的能量突變，質量增加（0.46%）對整車碰撞的能量貢獻可忽略，計算結果可信度較高[2]。

圖1 整車碰撞有限元模型

圖2 整車能量變化曲線

圖3 質量增加百分比曲線

2 整車有限元模型對標分析

為保證整車有限元模型能夠真實地反映出實車在正面碰撞過程中的運動及變形模式，對有限元計算結果與試驗結果進行了對標分析。

2.1 曲線對標分析

圖4 為試驗與仿真中的B 柱下端加速度、速度以及位移曲線對比，由圖可知，試驗與仿真曲線走勢基本一致。左右B 柱下端加速度峰值、速度歸零時刻以及最大位移量對比見表1。除左B 柱下端速度歸零時刻誤差為12.9%，其它仿真與試驗的誤差值均控制在10%以內。B 柱下端速度歸零時刻不一致的主要原因是仿真分析中沒有考慮焊點失效。

圖4 仿真與試驗各曲線對比

表1 峰值對比

2.2 變形模式對標分析

圖5 為試驗與仿真車體運動狀態對比，由圖可知，試驗與仿真車體運動狀態基本一致。試驗與仿真車體關鍵零部件變形模式對比如圖6 所示，由圖可知，試驗與仿真中發動機后懸置橫梁彎曲，變速器和傳動軸之間間隙被壓縮，縱梁前段壓潰后上抬，防撞梁壓潰形式基本一致。綜上所述，此整車仿真模型可用于下一步的優化工作。

圖5 試驗與仿真車體運動狀態對比

圖6 試驗與仿真車體關鍵零部件變形模式對比

3 整車結構優化方案

由于該款車型沒有配備安全氣囊，正面碰撞后，駕駛員頭部撞向了方向盤，導致頭部和頸部的傷害值超標，為降低傷害情況，必須降低駕駛員頭部與方向盤接觸時刻的能量密度。該款車型的總體優化思路為：提升縱梁前段的剛度，提升0 ～25 ms 期間的加速度峰值，使縱梁前段盡量多地吸收能量，優化防撞梁和前縱梁的傳力路徑，削弱縱梁后段的強度，增大車體的壓潰位移[3-4]。由縱梁前、后段的剛度分析及正面碰撞中縱梁的截面力分析結果可知：縱梁前、后段剛度差較大，可適當提高縱梁前段的剛度，降低縱梁后段剛度來實現提高加速度的前期峰值，且適當增大車體的壓潰位移。

具體優化方案見表2。針對縱梁前段壓潰不充分的試驗結果，在縱梁前段增設3 個誘導槽和1 個翻邊，同時在不影響正常使用的情況下將拖車鉤的長度縮短15 mm；為提高加速度曲線的前期峰值，在縱梁前段增加一個加強板；為適當提高車體的壓潰位移，將前縱梁后蓋板的厚度由2 mm 更改為1.5 mm；前縱中段前加強件的材料由B340/590DP 更改為B280VK，厚度不變，同時將電瓶托架在前縱梁后蓋板上的兩個安裝位置分離，如圖7 所示。

表2 具體優化方案

圖7 優化方案示意圖

優化前后的左、右B 柱加速度曲線對比如圖8 所示，加速度第1 個峰值由294 m/s2提高到了490 m/s2，第2 個波形整體降低，達到了前期波形優化的目的。

表3 優化前后假人損傷值對比

將優化后的結構方案和優化后的約束系統參數應用到實車驗證試驗中，優化前后假人傷害值對比見表3，優化后駕駛員側以及乘員側假人的傷害值均滿足GB 11551—2014 的法規要求，滿足了此車型在未配備安全氣囊情況下的開發要求。

4 結論

現有某MPV 在未配備安全氣囊的情況下，駕駛員側假人頭頸部指標和乘員側假人頸部指標超標。針對此情況，建立了正面碰撞整車有限元模型并進行了試驗對標，分析了現有車型B 柱加速度曲線存在的問題并通過優化縱梁前段等關鍵零部件對B 柱加速度曲線進行改進，改進后的B 柱加速度滿足約束系統匹配要求，最后通過實車試驗驗證了優化方案，試驗結果滿足開發要求。后續的工作應對比發現類似車型的碰撞特點，總結相關的控制策略，以便為此類車型的乘員提供更好的保護。