基于2018版C-NCAP的某車型側面碰撞性能分析與結構優化

羅培鋒 謝鋒 胡敏

廣州汽車集團股份有限公司汽車工程研究院 廣東 廣州 511434

1 引言

整車側面碰撞性能作為被動安全的重要部分，其在實際道路行駛中，汽車側面碰撞事故發生率僅次于正面碰撞事故[1-2]，因此側面碰撞的模擬和研究越來越受到相關研究機構和消費者的重視。為更精確的模擬實際交通事故中側面碰撞情況，以便更好的保護在側面碰撞事故中，車內乘員安全，2018版C-NCAP中側碰工況對壁障和假人均進行了調整[3]，對車身側面耐撞性能提出了更高的要求[4-7]。而汽車側面結構是車身中較為薄弱的區域，合理設計和匹配側圍B柱、C柱以及門檻區域的強度和剛度是提升車身側面碰撞性能的關鍵[8-9]。

本文以2018版C-NCAP標準為基礎，首先建立了整車側面碰撞分析模型，對側面碰撞性能進行了分析，根據分析結果對車身結構進行優化，并對優化后的模型進行了整車碰撞仿真分析。優化結果表明，在白車身重量增加很少的前提下，大大提升了整車側面碰撞性能。

2 整車側面碰撞結構設計

整車側面碰撞過程中，主要通過側圍（A柱、B柱、C柱、門檻梁）、前后門防撞梁傳遞給地板各橫梁和頂蓋各橫梁。車身在框架結構設計過程中，考慮到側面碰撞性能，需通過接頭的合理設計、梁架的合理布置，形成一個籠式的封閉結構，更好的抵抗和傳遞側面碰撞過程中的力，以達到側面碰撞過程中保護乘員的目的。

（1）2018版C-NCAP和2015版C-NCAP相比，對壁障和假人均做出了調整，本文主要考慮壁障的調整對車身結構設計的影響。側面碰撞規則主要變化點和對車身結構設計的影響分析如下：

（2）新壁障相比舊壁障，前端硬塊下表面離地間距抬高了50mm，壁障下表面的抬高會使壁障與門檻的重疊量減少甚至壁障下表面高出門檻上端高度。此調整對B柱的強度、B柱頂部與上邊梁的搭接以及前后門防撞梁的布置和強度均提出了更高的要求；

（3）新壁障相比舊壁障寬度增加了200mm，而新壁障的楔形設計卻使前端硬塊寬度由原來的1500mm 減小為1100mm。前端硬塊變小變窄，碰撞過程中將導致車身局部變形增大；

（4）壁障重量由950kg增加到1400kg。重量增加47%意味著碰撞能量相應增加47%。對車身側面結構要求更高；

（5）撞擊點位置相比2015版后移250mm。壁障后移對后門及車身C柱區域結構強度要求更高。

3 整車側面碰撞結構分析

基于整車3D數據，根據相關標準和企業規范建立整車側面碰撞有限元模型，如圖3.1所示：

圖3.1 整車側面碰撞有限元模型

前后門和B柱測量關鍵點選取：把假人上中下肋骨、腹部和髖部分別向前車門上投影，得到B1～B5各點，見圖3.2；把假人上中肋骨、腹部和髖部分別向后車門上投影，得到B1～B4各點，見圖3.3；選取B柱中下部各關鍵點B1～B10（側碰過程中乘員易受傷害位置），見圖3.4。

圖3.2 前門關鍵點

圖3.3 后門關鍵點

圖3.4 B柱各關鍵點

在側面碰撞過程中，為減小碰撞對乘員的傷害，需盡量提高碰撞中乘員的生存空間。本文設定最小生存空間為200mm。

通過仿真分析，側面碰撞結果如下：B柱測量點最大速度9.2m/s（圖3.5）；B柱測量點最大動態侵入量為272.6mm（圖3.6），最小生存空間為103.2，不滿足最小生存空間200mm的目標要求；

圖3.5 B柱各關鍵點的侵入速度

圖3.6 B柱各關鍵點的侵入量

左前車門測量點最大速度12.6m/s（圖3.7）；左前門最大侵入量為312.6mm（圖3.8），最小生存空間為94.4，出現在假人盆骨對于的位置， 不滿足最小生存空間200mm的目標要求；

圖3.7 左前門各關鍵點的侵入速度

圖3.8 左前門各關鍵點的侵入量

車身側面碰撞變形結果如圖3.9，B柱、門檻、前后門區域變形都比較大。

圖3.9 車身側面碰撞變形結果

4 整車側面碰撞性能優化

4.1 原因分析

與正面碰撞不同，側面碰撞幾乎沒有緩沖空間，因此，必須通過優化碰撞區域側面結構，合理地控制側面侵入量，以保證假人的生存空間。從上節分析結果來看，侵入過大的原因為B柱強度不足、門檻抗翻轉能力較弱、后門與C柱下端區域重疊量不足、前后門防撞梁布置不合理等；

另外對比2015版、2018版C-NCAP發現車身門檻區域變形模式由壓潰變形變成翻轉變形。在2015版規則中，壁障與車身門檻有一定的重疊量，碰撞過程中，門檻會受到較大的Y向碰撞力F和比較小的翻轉力矩M（圖4.1），此時門檻由于受到的翻轉力矩較小，其變形模式主要為碰撞力F引起的壓潰變形。

圖4.1 2015版壁障高度的門檻變形模式示意

而在2018版規則中，壁障已高出門檻區域，碰撞過程中，門檻會受到較小的Y向碰撞力F和較大的翻轉力矩M（圖3.11），此時門檻由于受到的翻轉力矩較大，其變形模式主要為力矩M引起的翻轉變形。

圖4.2 2018版壁障高度的門檻變形模式示意

4.2 優化方案

根據上節碰撞分析結果和侵入量過大原因分析，主要對以下幾個方面進行結構優化：

優化前門防撞板的位置；

圖4.3 前門防撞板布置優化

門檻加強板材料提升為熱成型；

取消B柱內部補丁板，將B柱加強板厚度由1.4mm改為1.8mm，B柱內板材料強度等級降低;

后門檻底部支撐橫梁增加橫向加強筋，并在橫梁內部增加加強板;

圖4.4 后門檻底部支撐橫梁優化（左圖：優化前/右圖：優化后）

取消門檻加強板內部三個碰撞盒，增加重新設計的加強襯板；

圖4.5 門檻內加強板結構優化（上圖：優化前/下圖：優化后）

C柱加強板結構光順，增加后門防撞梁與C柱重疊量。

門檻加強板后段加長向上延伸。

圖4.6 門檻加強板后段結構優化（左圖：優化前/右圖：優化后）

4.3 優化分析結果

對優化后的方案重新進行側面碰撞仿真分析，分析結果如下：

B柱各測量點最大侵入速度、最大侵入量如圖4.7、圖4.8所示。最大侵入速度測點位于B柱骨盆位置(B8)，大小為7.8m/s；而最大侵入量測點位于假人腹部位置(B7)，其大小為169mm；生存空間均大于200mm，且最小生存空間206.8mm。

圖4.7 優化后的B柱各關鍵點的侵入速度

圖4.8 優化后的B柱各關鍵點的侵入量

前門各測量點最大侵入速度、最大侵入量如圖4.9、圖4.10所示。最大侵入速度位于假人腹部（B4）位置7.70m/s；最大侵入量位于假人盆骨（B5）位置，其大小分別為207mm，最小生存空間為200mm 。

圖4.9 優化后的前門各關鍵點的侵入速度

圖4.10 優化后的前門各關鍵點的侵入量

后門各測量點最大侵入速度、最大侵入量如圖4.11、圖4.12所示。最大侵入速度測量點均位于假人中肋骨（B2）位置，其大小分別為8.9m/s ；最大侵入量測量點均位于假人盆骨（B4）位置，其大小分別為184mm，生存空間均大于200mm，最小生存空間為209mm 。

圖4.11 優化后的后門各關鍵點的侵入速度

圖4.12 優化后的后門各關鍵點的侵入量

優化前后白車身重量總體變化如圖4.13所示，其中紅色重量增加件，綠色為重量減輕件。其中：增加量為10.5kg，減重量為9.6kg，總體變化為增加0.9kg。

圖4.13 車身優化前后零件變化示意

優化前后結果對比分析顯示，通過對側碰過程中白車身變形模式、受力特點分析，采用合理的結構設計和材料選擇。在白車身重量適當減重的前提下，其側碰性能得到了顯著的提高。其優化后的B柱區域最小生存空間提高了約100%，前門區域最小生存空間提高了約112%。

5 總結

本文中分析的車型為企業第一款對應2018版C-NCAP的MPV車型，從優化前的結果可以看出，其B柱、前門侵入量非常大，導致最小生存空間嚴重不足。分析其原因為對2018版C-NCAP的改變引起車身結構設計的變化研究不足。而MPV車型重心和門檻位置較低，進一步增加了車身結構設計中的難度。

通過本文分析可以得出規則的變化，對車身結構設計提出了更新、更高的要求。本文通過詳細分析規則的變化對車身結構設計的影響，以及對白車身門檻加強結構的重新設計，B柱、C柱結構強度的重新匹配以及前后門防撞梁的優化布置，在白車身重量增加很少的前提下，大大提升了整車側面碰撞性能。在后續的整車碰撞試驗中，側面碰撞性能得到滿分，對后續車型的開發提供了重要的指導意義。