基于輕量化和側碰安全性約束下的前門防撞桿結構優化

摘要：針對車輛駕駛員側車門，采用有限元仿真技術對其初始設計的圓管式防撞梁結構進行研究和結構優化，研究其輕量化和對碰撞安全性的影響。結果表明，“M”形截面的前門防撞梁在側面碰撞中抗彎性和抵御侵入的能力最優，其中部位置最大侵入量比初始方案減少了40mm，侵入量減少達27.4%，且單件減重5.5%，一定程度上達到了輕量化的目的，為這類防撞梁結構在側碰安全和輕量化設計中的應用提供了參考。

關鍵詞：側面碰撞;C-NCAP;AE-MDB;汽車輕量化;仿真分析

中圖分類號：U463.82

文獻標識碼：A

0 引言

據公安部統計，截止2018年底全國機動車保有量已達3.27億輛，其中汽車2.40億輛，小型載客汽車首次突破兩億輛[1]。伴隨著國內宏觀經濟形勢進入經濟發展“新常態”，以及正承擔家庭重任的80后和90后成為汽車消費市場的主力，家用型轎車正處于家庭購置車輛的高峰階段。其中，汽車的油耗、安全性是消費者普遍關注的焦點。

單純加強駕駛員艙結構，增加主動安全配置，改善汽車安全性能的同時，也帶來整車質量增加，繼而導致整車成本和油耗增加。為了解決該問題，汽車輕量化技術應運而生。汽車的輕量化，就是在保證汽車的強度和安全性能的前提下，盡可能地降低汽車的整備質量，從而提高汽車的動力性，降低成本、整車油耗和排氣污染[2]。其中，汽車碰撞安全性作為重要的考察指標，需要在輕量化設計前期充分開展仿真分析。

上汽集團趙娣、陳曉磊等[3]，用熱成型高強度鋼板對車輛B柱進行輕量化設計，優化后的側碰和柱碰整體侵入量均有改善，B柱中下部的侵入量明顯減小;在滿足側碰結構強度的同時，B柱單側減重24.0%，輕量化效果顯著。

邱瑞斌等以某轎車側面碰撞為實例，建立了確定性優化模型以及代理模型后，采用序列二次規劃算法求得了最優解并進行可靠性分析，最后采用6σ穩健性設計方法對原車身B柱進行了輕量化研究和改進，并與確定性優化結果以及原車身B柱進行了對比分析。結果表明，優化后的轎車車身B柱碰撞工況下性能穩健性得到全面的提高，且質量相比于原車身B柱減小了3.2%。

大連理工大學胡平、于宏元等[4]，通過數值模擬分析優化了適合車身結構的高強度熱成型零件，用1.6mm的熱成型防撞梁替換原2.5mm普通高強度鋼防撞梁，側碰車體變形顯著減小，整車減重近0.3%。

北汽集團的王元博[5]針對某車型側碰安全性能采用了不同的方案進行了CAE優化，結果表明：與使用普通高強鋼相比，熱成型超高強鋼的方案能夠明顯降低側碰侵入量，且達到了輕量化設計的目標。另外進行結構加強時，要注意結構間剛度的配合，以達到提升整體碰撞安全性能的目的。

吉林大學的莊蔚敏[6]等，將AA7075材料用于B柱內板和加強板，并對其結構和板材料厚進行了優化，結果表明：將B柱內板及加強板材料從SAPH400RS替換為AA7075，車輛側碰在IIHS標準得到“優秀”評價。包括內板和加強板在內的B柱板件總質量減輕約60%，輕量化效果明顯。

以上的研究人員，主要針對MDB壁障對車輛的側碰安全性能和輕量化進行研究和優化。2018版C-NCAP側面碰撞中使用的AE-MDB新型壁障，相對于MDB進行了加大、加高、加強和加重[7]。側面碰撞時，AE-MDB新型壁障與側門檻梁的接觸面積較老版MDB壁障減小，導致門檻梁分擔撞擊能力降低明顯。車輛在側面碰撞時，車門抗側撞梁和B柱將側向撞擊力分流給側圍框架。側向撞擊力傳遞的路徑主要由車門向車門內部的抗側撞梁傳遞，前門受到的側向撞擊力將主要被傳遞到鉸鏈柱和B柱，防撞梁作為第一傳遞路徑，其結構的設計合理性對能量的傳遞有重要影響。所以輕量化方案中針對車門防撞梁、B柱等防撞結構的方案，需重點驗算校核。

本文針對某車型在AE-MDB（圖1）新型壁障的表現進行研究，分析該車型在新壁障測試條件下前門防撞梁變形及假人傷害造成的影響。同時，針對初始圓管式防撞梁提出相應的優化方案。并以截面結構設計作為變量，對比分析防撞梁的截面對側面碰撞梁的侵入量和乘員傷害值的影響，為后續車型設計開發提供相應參考。

1 AE-MDB與MDB差異

2018版C-NCAP側碰壁障較2015版向后增加350.0mm，離地高度增加50.0mm，臺車質量增加450.00kg（表1）。側碰移動壁障撞擊的能量增加，撞擊車身的高度提高，側面碰撞時臺車撞擊到側門檻梁的接觸面積減小，門檻梁承載撞擊載荷能力明顯降低，且新版C-NCAP側碰采用WorldSID假人[7-8]。

2 仿真分析

本文分析車型為一款SUV傳統車，輪距1500.0mm，軸距2850.0mm。該車型早期開發標準為2015版C-NCAP法規技術儲備，根據2018版現行法規的側面碰撞技術要求調整提升，對側面車門結構的管式防撞梁進行法規符合度分析及優化。

本文主要根據C-NCAP2018版法規側面碰撞安全的要求，對初始設計方案的圓管型車門防撞梁進行截面結構優化，在保障側碰剛強的同時考慮輕量化，得到2種優化后的車門防撞梁方案。將2種優化方案同初始設計方案對比，分析車門防撞梁結構因素對汽車側碰侵入量和假人傷害的影響，以降低車身側面侵入量和乘員傷害，為后續車型的設計開發提供相應參考。

2.1 “防撞梁方案

本文以車輛駕駛員側車門防撞桿結構為主體優化對象，防撞梁結構材料牌號目前已由普通高強鋼材逐漸替換為超高強度PHS鋼材料，材料變化帶來的輕量化、低成本效應，為越來越多汽車整車廠商采用實施。

初始設計方案及優化后的2種防撞梁技術方案均使用PHS1800型鋼材，其屈服極限可達到1800MPa，材料的延伸率7.0%，較其他熱成型材料的強度更高、韌性更好。

如表2所示，方案1為初始設計方案，防撞梁為金屬管體，截面為圓形，結構管徑28.0mm，壁厚2.0mm，兩端匹配安裝板。方案2為優化后截面為“幾”字型的防撞梁，沖壓件，整體Z向尺寸123.0mm，截面深度26.0mm，板厚1.5mm。方案3為優化后截面為“M”型的防撞梁，沖壓件，整體Z向尺寸123.0mm，截面深度14.0mm，板厚1.5mm。

本文采用的3種防撞梁技術方案遵循的基本原則是通過截面形貌優化，以截面結構設計作為變量，對比分析側面碰撞側面乘員傷害值，得到防撞梁最優設計方案。2.2 模型搭建

本文在滿足車體側面結構防撞性能前提下，考慮防撞梁輕量化設計，對車門內外板、B柱及防撞梁等結構進行網格細化和調整。側門防撞梁結構采用殼單元模擬，尺寸為6.0mm×6.0mm;而整車分析模型由BIW、底盤、閉合件、動力電池、動力總成及座椅等組成，網格基本尺寸為8.0mm×8.0mm。分析質量標準控制最小網格尺寸5.0mm，網格最大翹曲角度15°，最小雅克比0.55。整車分析模型節點數量1897699個，單元數量1914455個。車輛模型連接模擬實際CAD數據中的連接形式，如懸架結

構采用柱鉸、阻尼以及彈簧3種連接形式模擬;發動機懸置、副車架襯套等單元采用柔性BEAM模擬。焊點采用BEAM單元模擬，包括電焊、二保焊接以及粘膠方式連接。本文采用可變形焊點通過TYPE9BEAM單元來模擬，該模擬方法可根據焊點材料的特性來判斷點焊失效，使模擬更真實。

2.3 模型驗證

仿真分析對計算過程的能量控制基本原則：總質量增加小于5.0%，總沙漏能小于5.0%，檢查各部件之間的連接、接觸關系是否定義正確，檢查模型的完整性[9]。檢查數值輸出的穩定性，確保仿真分析結果的準確性;本文計算結果見圖2及表3。

由圖2及表3可知，模型總質量縮放計算僅增加0.09kg，計算結束狀態增加百分比小于5.0%，模型計算結果準確。

3 仿真及結果分析

AE-MDB移動變形壁障模型以50km/h的速度與整車模型垂直碰撞，分析計算完畢后，結合側氣囊布置位置，輸出車門防撞梁布置位置Y向相對位移量，將2個優化方案的侵入量和假人傷害值與初始方案分析結果進行對比。

針對2018版C-NCAP側碰法規檢驗標準，考察前門防撞梁的變形量和侵入值。側面碰撞發生時，防撞梁結構本體首先受到撞擊，主要發生Y向壓縮變形。側碰仿真的前門防撞梁變形情況如圖3所示，駕駛位前門防撞梁相對距離的變化值如表4所示。

由圖3和表4可知，前門防撞梁中部侵入量較大，結構呈現內凹形式變形。初始設計方案1中，圓管式防撞梁中部侵入量過大，不滿足設定目標。方案2的“幾”字型防撞梁侵入量較方案1有所改善，但中部侵入量值仍然略微超出目標值。方案3的“M”型防撞梁抵抗壁障侵入能力較好，中部侵入量只有106.2mm，較初始方案1減少了40.0mm，侵入量減少27.4%，能夠有效抵御外部侵入，為乘員提供足夠的生存空間。

3種前門防撞梁中部位置侵入量隨時間的動態變化過程如圖4所示。由圖4可知，3種防撞梁在AE-MDB新型壁障沖擊下，梁中部變形侵入情況類似：0時刻車輛靜止，同時壁障以50km/h的時速開始接觸車輛側圍;3ms后前門外側金屬蒙皮被壓潰至防撞梁，防撞梁開始變形侵入駕駛艙。方案1的圓管式防撞梁和方案3的“M”型防撞梁，在3～11ms階段內侵入量曲線斜率較方案2的“幾”字型防撞梁較小，表明“幾”字型截面的防撞梁抗彎性能較弱。方案1的圓管式防撞梁該階段的變形量小于7.0mm，方案3的“M”型防撞梁該階段的變形量小于5.0mm。方案1和方案3在側碰前期能夠較好地抵御壁障侵入，給乘員提供充足的生存空間。在11～58ms，方案1和方案3防撞梁侵入量呈近似線性增加，表明方案1和方案3在該階段近乎按照勻速侵入駕駛艙。在3～58ms的方案2防撞梁侵入量呈近似線性增加，在該階段近乎按照勻速侵入駕駛艙。

在58ms左右，AE-MDB新型壁障與車輛速度達到一致，3種防撞梁侵入量均達到最大。58ms之后壁障與車輛分離，防撞梁發生回彈。58～115ms內，3種防撞梁的侵入量均呈線性減小。120ms左右，3種防撞梁變形量不再發生變化，方案1侵入量約80.0mm，方案2侵入量約83.0mm，方案3侵入量約40.0mm。

對比上述3種前門防撞梁方案的仿真過程和結果可知：在本文研究范圍內，方案1的圓管式防撞梁結構抗彎性最差，方案3的“M”型防撞梁結構抗彎性最優。側碰發生后，“M”型截面防撞桿方案的前門變形量比其他2種方案小。“M”型防撞梁中部最大侵入量比初始方案減少了40.0mm，能夠為乘員提供較大的生存空間，防止側圍硬物侵入量過大，造成人員傷亡。

對側面吸能影響最大的，是梁的折彎處結構強度能否足以承受梁的壓縮變形。另外，梁的兩端弱化和腹板處弱化要合理匹配，能夠較好地誘導防撞梁發生壓縮變形，從而提升防撞梁的整體吸能水平。

3種防撞梁方案在車輛側碰過程中假人的情況如圖5所示。其中，假人考察位置的傷害值如表5所示。由圖5可知，假人上、中、下三根肋骨均未與車門結構發生硬接觸，且與車門側氣囊接觸良好

方案3中側門變形最小，且由表5可知，方案3的“M”型防撞梁對應的假人傷害值在本文探討的3個方案中最小，側碰C-NCAP評分最高。

由上述分析可知，方案3的“M”型防撞梁結構抗彎性、側碰侵入量及假人傷害值在本文研究范圍內最優，且結合表2可知，壁厚減小0.6mm，較初始方案減重約5.5%，在保證側碰安全的基礎上達到了輕量化的設計要求。

4 結論

汽車前門防撞梁的截面對側碰侵入量有影響，“M”型截面能夠較好地加強防撞梁的強度，提高其抗彎性。“M”型防撞梁中部最大侵入量比初始方案減少了40.0mm，侵入量減少達27.4%，減小了側碰局部侵入量和假人傷害值，以達到2018版C-NCAP側碰的測評要求。“M”型截面在保證碰撞強度的同時，防撞梁的壁厚小，單件減重約5.5%，一定程度上減輕了車身重量，滿足車身輕量化的設計目標。

【參考文獻】

[1]http：//www.mps.gov.cn/n2254098/n4904352/c6354939/content.html

[2]邱瑞斌，陳園，雷飛，等.基于6σ穩健設計的轎車側碰車身B柱輕量化研究[J].機械強度，2016，38（03）：502-508.

[3]趙娣，陳曉磊.汽車B柱輕量化設計及碰撞分析[J].上海汽車，2014（01）：25-27.

[4]胡平，于宏元，盈亮，等.基于側面碰撞的熱成型高強度零件開發[J].汽車技術，2013（01）：57-61.

[5]王元博.某車型側碰的仿真優化研究[A].第七屆中國CAE工程分析技術年會暨2011全國計算機輔助工程（CAE）技術與應用高級研討會論文集[C].中國力學學會，2011：5.

[6]莊蔚敏，胡哲，梁莉莉.基于側碰抗撞性的AA7075B柱輕量化設計[J].汽車技術，2016（10）：1-6.

[7]中國汽車技術研究中心.C-NCAP管理規則，2018.

[8]中國汽車技術研究中心.C-NCAP管理規則，2015.

[9]王倩.白車身側碰安全件性能分析與輕量化設計[D].吉林大學，2017.