基于2018版C-NCAP的某車型側(cè)面碰撞性能分析與結(jié)構(gòu)優(yōu)化

羅培鋒 謝鋒 胡敏

摘要：車身結(jié)構(gòu)是影響整車碰撞性能的關(guān)鍵因素，為滿足2018版C-NCAP對整車側(cè)面碰撞性能要求，提高車身側(cè)面耐撞性能。本文對某車型側(cè)面碰撞性能進行了分析和結(jié)構(gòu)優(yōu)化，并對優(yōu)化后的模型進行了整車碰撞仿真分析。優(yōu)化結(jié)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(cè)面碰撞性能。

關(guān)鍵詞：車身結(jié)構(gòu);2018 C-NCAP;側(cè)面碰撞;輕量化

Abstract The body structure is the key factor influencing the vehicle collision performance， In order to meet the requirements of the 2018 C-NCAP on the side collision performance of the whole vehicle and improve the side collision performance of the vehicle.This paper analyzes and optimizes the side collision performance of a vehicle， and the optimized model is simulated and analyzed. The optimization results show that the side collision performance of the vehicle is greatly improved under the condition that the weight of the white body increases little.

Keywords Body structure;2018 C-NCAP;side impact;Lightweight

1引言

整車側(cè)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(cè)面碰撞事故發(fā)生率僅次于正面碰撞事故[1-2]，因此側(cè)面碰撞的模擬和研究越來越受到相關(guān)研究機構(gòu)和消費者的重視。為更精確的模擬實際交通事故中側(cè)面碰撞情況，以便更好的保護在側(cè)面碰撞事故中，車內(nèi)乘員安全，2018版C-NCAP中側(cè)碰工況對壁障和假人均進行了調(diào)整[3]，對車身側(cè)面耐撞性能提出了更高的要求[4-7]。而汽車側(cè)面結(jié)構(gòu)是車身中較為薄弱的區(qū)域，合理設(shè)計和匹配側(cè)圍B柱、C柱以及門檻區(qū)域的強度和剛度是提升車身側(cè)面碰撞性能的關(guān)鍵[8-9]。

本文以2018版C-NCAP標(biāo)準(zhǔn)為基礎(chǔ)，首先建立了整車側(cè)面碰撞分析模型，對側(cè)面碰撞性能進行了分析，根據(jù)分析結(jié)果對車身結(jié)構(gòu)進行優(yōu)化，并對優(yōu)化后的模型進行了整車碰撞仿真分析。優(yōu)化結(jié)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(cè)面碰撞性能。

2整車側(cè)面碰撞結(jié)構(gòu)設(shè)計

整車側(cè)面碰撞過程中，主要通過側(cè)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(jié)構(gòu)設(shè)計過程中，考慮到側(cè)面碰撞性能，需通過接頭的合理設(shè)計、梁架的合理布置，形成一個籠式的封閉結(jié)構(gòu)，更好的抵抗和傳遞側(cè)面碰撞過程中的力，以達到側(cè)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(diào)整，本文主要考慮壁障的調(diào)整對車身結(jié)構(gòu)設(shè)計的影響。側(cè)面碰撞規(guī)則主要變化點和對車身結(jié)構(gòu)設(shè)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(diào)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(shè)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(dǎo)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(yīng)增加47%。對車身側(cè)面結(jié)構(gòu)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(qū)域結(jié)構(gòu)強度要求更高。

3整車側(cè)面碰撞結(jié)構(gòu)分析

基于整車3D數(shù)據(jù)，根據(jù)相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)和企業(yè)規(guī)范建立整車側(cè)面碰撞有限元模型，如圖3.1所示：

前后門和B柱測量關(guān)鍵點選?。喊鸭偃松现邢吕吖?、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(guān)鍵點B1～B10（側(cè)碰過程中乘員易受傷害位置），見圖3.4。

在側(cè)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(shè)定最小生存空間為200mm。

通過仿真分析，側(cè)面碰撞結(jié)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(tài)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(biāo)要求;

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(xiàn)在假人盆骨對于的位置， 不滿足最小生存空間200mm的目標(biāo)要求;

4整車側(cè)面碰撞性能優(yōu)化

4.1 原因分析

與正面碰撞不同，側(cè)面碰撞幾乎沒有緩沖空間，因此，必須通過優(yōu)化碰撞區(qū)域側(cè)面結(jié)構(gòu)，合理地控制側(cè)面侵入量，以保證假人的生存空間。從上節(jié)分析結(jié)果來看，侵入過大的原因為B柱強度不足、門檻抗翻轉(zhuǎn)能力較弱、后門與C柱下端區(qū)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(fā)現(xiàn)車身門檻區(qū)域變形模式由壓潰變形變成翻轉(zhuǎn)變形。在2015版規(guī)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(zhuǎn)力矩M（圖4.1），此時門檻由于受到的翻轉(zhuǎn)力矩較小，其變形模式主要為碰撞力F引起的壓潰變形。

而在2018版規(guī)則中，壁障已高出門檻區(qū)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(zhuǎn)力矩M（圖3.11），此時門檻由于受到的翻轉(zhuǎn)力矩較大，其變形模式主要為力矩M引起的翻轉(zhuǎn)變形。

4.2 優(yōu)化方案

根據(jù)上節(jié)碰撞分析結(jié)果和侵入量過大原因分析，主要對以下幾個方面進行結(jié)構(gòu)優(yōu)化：

優(yōu)化前門防撞板的位置;

門檻加強板材料提升為熱成型;

取消B柱內(nèi)部補丁板，將B柱加強板厚度由1.4mm改為1.8mm，B柱內(nèi)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(nèi)部增加加強板;

取消門檻加強板內(nèi)部三個碰撞盒，增加重新設(shè)計的加強襯板;

C柱加強板結(jié)構(gòu)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。

4.3 優(yōu)化分析結(jié)果

對優(yōu)化后的方案重新進行側(cè)面碰撞仿真分析，分析結(jié)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。

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 。

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 。

優(yōu)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。

優(yōu)化前后結(jié)果對比分析顯示，通過對側(cè)碰過程中白車身變形模式、受力特點分析，采用合理的結(jié)構(gòu)設(shè)計和材料選擇。在白車身重量適當(dāng)減重的前提下，其側(cè)碰性能得到了顯著的提高。其優(yōu)化后的B柱區(qū)域最小生存空間提高了約100%，前門區(qū)域最小生存空間提高了約112%。

5總結(jié)

本文中分析的車型為企業(yè)第一款對應(yīng)2018版C-NCAP的MPV車型，從優(yōu)化前的結(jié)果可以看出，其B柱、前門侵入量非常大，導(dǎo)致最小生存空間嚴(yán)重不足。分析其原因為對2018版C-NCAP的改變引起車身結(jié)構(gòu)設(shè)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(jié)構(gòu)設(shè)計中的難度。

通過本文分析可以得出規(guī)則的變化，對車身結(jié)構(gòu)設(shè)計提出了更新、更高的要求。本文通過詳細(xì)分析規(guī)則的變化對車身結(jié)構(gòu)設(shè)計的影響，以及對白車身門檻加強結(jié)構(gòu)的重新設(shè)計，B柱、C柱結(jié)構(gòu)強度的重新匹配以及前后門防撞梁的優(yōu)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(cè)面碰撞性能。在后續(xù)的整車碰撞試驗中，側(cè)面碰撞性能得到滿分，對后續(xù)車型的開發(fā)提供了重要的指導(dǎo)意義。

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