小偏置碰撞評分原則解析及結構優化策略

喬鑫　楊偉

摘 要：中國汽車工程研究院與中國保險行業協會聯合發布“中國保險汽車安全指數測評規程”，其中小偏置碰撞尤為引人關注，如何提高車輛小偏置碰撞工況的等級評定降低保費是主機廠當前的首要任務。通過對小偏置碰撞工況的評分原則進行詳細介紹和解析，并以試驗結果為依據，研究得出車體結構對小偏置碰撞整體等級評定起決定作用，駕駛員在此工況下下肢受傷殘風險最高。為研究應對小偏置碰撞的車體結構，以某款SUV車型仿真結果為基礎，詳細介紹小偏置碰撞工況下車體變形特點，同時結合理論分析，提出三類優化方案，并對其進行優缺點說明，這三類優化方案為車身設計提供導向作用。針對該車型選擇第二類優化方案，車體結構等級評定由“較差”提升為“優秀”。關鍵詞：小偏置碰撞;安全指數;側氣簾;正面氣囊;結構優化中圖分類號：U270.7? 文獻標識碼：B ?文章編號：1671-7988（2020）02-145-04

Abstract： China Automotive Engineering Research Institute and China Insurance Industry association jointly issued the “China Insurance Automotive Safety Index Evaluation Rules”， in which small overlap crash is particularly interesting. How to improve the rating evaluation of vehicle on the small overlap crash condition and reduce the premium is the primary task of the OEMs （Original Equipment Manufacturers） at present. Through the detailed introduction and analysis of the rating principle of small overlap crash， and based on the test results， it is concluded that car body structure plays a decisive role in the overall rating evaluation of small overlap crash， and the driver has the highest disability risk of the lower limb under this condition. In order to study the car body structure for requirement of small overlap collision， basing on the simulation results of a SUV model， and the car body deformation characteristic on small overlap crash is introduced in detail， combining with theoretical analysis， three kinds of optimization schemes are proposed， their advantages and disadvantages are explained， These three kinds of optimization schemes provide guidance for car body design. The second type of optimization scheme is selected for the SUV， and the overall body structure rating has been upgraded from “Poor” to “Good”.Keywords： Small overlap crash; Safety index; Side curtain; Airbag; Structure OptimizationCLC NO.： U270.7? Document Code： B ?Article ID： 1671-7988（2020）02-145-04

前言

據全球事故統計數據顯示，正面碰撞事故是發生最為頻繁的，而且因正面碰撞造成人員死亡的交通事故中，小偏置碰撞約占25%^[1]。為提升車輛正面碰撞中的耐撞性，減少小偏置碰撞事故中人員和財產損失，2012年美國公路安全保險協會（IIHS）發布正面25%小偏置碰撞測試規范并將其引入考核項目中。2018年9月26日中國汽車工程研究院與中國保險行業協會在重慶聯合發布“中國保險汽車安全指數測評規程”，其規程包括小偏置碰撞試驗方法和評價準則。這將對中國汽車行業帶來更大的挑戰，對國產汽車的安全性提出更高要求^[2]，同時也能規范國內主機廠在整車開發設計中將小偏置碰撞作為一種不可忽視的工況，從而能整體提高車輛正面碰撞的耐撞性能。

本文基于“安全指數”關于小偏置碰撞測試規程和評價方法，對某SUV車型的有限元模型進行小偏置碰撞仿真分析和車身耐撞性評價，以仿真結果為研究對象重點介紹小偏置碰工況下車體變形特點，并對其結果進行理論分析和提出優化策略，然后對優化方案進行仿真驗證。

1 小偏置碰撞試驗規程與評價簡介

1.1 小偏置碰撞試驗與評價規程簡介

“安全指數”的小偏置正面碰撞試驗規程和評價原則與IIHS的完全一致，測試試驗要求車輛以64.4±1 km/h的速度撞擊一個固定的剛性屏障，碰撞時車輛左側以25±1%的車體寬度與壁障表面重疊，其中車輛駕駛員位置安放一個Hybrid Ⅲ50%的男性假人，用來測量碰撞過程中駕駛員損傷情況^[3]，示意圖如圖1所示。主要用來模擬現實行車中與其他車輛、路邊的樹木或電線桿等發生碰撞的事故類型。

小偏置碰撞評價等級由三部分組成：約束系統和假人運動等級評定、假人傷害等級評定、車體結構等級評定，其中假人傷害等級評定可由假人頭部和頸部、胸部、大腿和髖骨、腿部和腳部幾個部位來評估。總體評價根據車輛結構、假人頭部和頸部、胸部、大腿和髖部、腿部和腳部傷害測量值以及約束系統與假人運動等級計算得到^[4]，如圖2所示。

1.2 小偏置碰撞評價原則研究與分析

小偏置碰撞整體評價等級關鍵由車體結構決定。這是因為：

（1）約束系統和假人運動等級評定主要涉及的是，在一定車體加速度下合理匹配約束系統參數，好的加速度曲線有利于約束系統的匹配，而車體加速度與車體結構密切相關。

（2）文獻^[4]的研究指出小偏置碰撞中假人頭頸部、胸部的傷害通常可滿足“優秀”等級，而假人腿和腳部的傷害受到結構入侵量影響，評定等級一般在“良好”或以下，即在小偏置碰撞中假人下肢更容易受傷。所以要想提高25%偏置碰撞假人傷害等級，重點是設計優良的車身結構來控制乘員艙入侵量，也即假人傷害等級評定與車體結構密切相關。

車體結構等級用乘員艙測量點入侵量進行評定，所有測量點被劃分為兩個區域：乘員艙下部與上部。基于各測點入侵量對乘員艙上、下兩個部分分別進行評價，并取上下部分評級較差者作為車輛結構等級評定的最終結果^[5]。

2 某SUV小偏置碰撞結構耐撞性分析

2.1 仿真結果可靠性分析

此SUV有限元模型經過正面100%和40%碰撞對標，模型具有一定的可靠性。能量守恒和穩定是保證碰撞仿真結果準確可信的前提，如圖3所示。一般要求總能量曲線平穩、沙漏能占總能量比例和質量增加不超過5%，該模型的計算精度滿足上述要求。

2.2 小偏置碰撞車體結構結果評價

本文對車體結構等級評估時，測量點入侵量用動態最大值，主要原因是：假人受到的傷害與入侵量最大值相關性較大。

按照“安全指數”關于小偏置碰撞車身結構耐撞性評分標準進行評定，結果如圖4所示。乘員艙上部評定結果為“較差”，下部評定結果為“一般”，車體結構整體評定結果取兩者中較差，即評定結果為“較差”。

2.3 小偏置碰撞車身變形特點分析

40%偏置碰撞主要通過單側吸能盒、縱梁、上縱梁和副車架吸收碰撞能量同時向后傳遞碰撞力，由于壁障與防撞梁重疊面積較大，防撞梁將部分碰撞力傳遞到右側，盡管僅有單側前端結構變形吸能，但柔性壁障同樣吸收部分碰撞能量，整體上乘員艙入侵量是可控的。在小偏置工況中，由于車體與剛性壁障重疊面積僅有25%，碰撞過程中剛性壁障完全避開防撞梁、吸能盒、前縱梁、副車架等正面主要吸能部件，車體前端結構整體吸能不足，碰撞能量幾乎未減少直接撞向輪胎與上縱梁，導致輪胎和上縱梁在強烈的能量沖擊下擠壓門檻、前圍板、A柱和上邊梁，造成較大的乘員艙侵入量，導致駕駛員嚴重的腿部和腳部傷害。

由圖5看出，輪胎外翻，門檻失穩向內折彎，給整車一個較大的側向力，同時由于碰撞力的作用線不通過汽車的形心，從而形成了一個力矩^[6]，在車輛碰撞中后期，車輛繞壁障旋轉較大（幾乎達到90度旋轉角），頭部容易滑離氣囊撞向A柱、門檻等硬結構，造成頭部傷害過大。

小偏置碰撞車身變形特點概括起來有兩點：

（1）乘員艙變形嚴重，結構入侵量大，對駕駛員腿部、腳部有較大傷害。

（2）整車繞壁障旋轉非常嚴重，影響假人的運動姿態，使假人向車外運動頭部易與車門框及車內側面的硬體結構接觸，增大頭部傷害。

因此對車身結構耐撞性優化，需對以上兩點同時解決。

3 小偏置碰撞車體耐撞性優化

3.1 小偏置碰撞耐撞性優化理論分析

根據小偏置碰撞車體變形特點，將車身結構從前到后分為三個碰撞區域，如圖6所示。

碰撞區域1：防撞梁至shotgun前端;碰撞區域2：shotgun前端到前圍板;碰撞區域3：A柱及其以后部分^[7，8，9]。

文獻^[8]通過研究IIHS試驗結果，將試驗后車輛停止狀態分為兩類：車輛幾乎未繞壁障旋轉直接越過壁障和車輛繞壁障發生90度左右的旋轉。根據能量守恒列出上面兩類車輛停止狀態的數學表達式：

式中：v₀為整車初始速度;E₁、E₂、E₃為三個碰撞區域吸收的能量;v_x、v_y為碰撞后整車沿X和Y向的殘留速度;J_z、w_z為整車繞Z軸的轉動慣量和角速度。小偏置碰撞當前存在問題是乘員艙變形嚴重和車輛旋轉嚴重，即E₃和w_z過大。

對公式（1）來說，如果v_x增大容易造成二次傷害;而增大v_y帶來的風險與w_z一致，所以設計思路是有效增大E₁、E₂，即增加碰撞區域1、2的吸能。對公式（2）來說，就是要降低E₃和w_z，可行的辦法也只有增大E₁、E₂。

作為保護乘員安全的最后一道防線乘員艙理論上如何加強都不為過，但這與輕量化設計相矛盾，且過大的乘員艙剛度導致車體加速度很大（由于E₁、E₂較小），容易造假人胸部和頭部傷害。所以最有效的方案是增大E₁、E₂，適當加強乘員艙強度。

3.2 小偏置碰撞耐撞性不同優化方案對比

通過查閱和研究相關資料，筆者將機艙的優化方案歸納為三類：（1）碰撞過程中車輛越過壁障，減小對乘員艙的沖擊;（2）增加碰撞力的傳遞路徑或增加變形吸能部位;（3）破壞碰撞力的主要傳遞路徑：壁障—輪胎—門檻的接觸。

第一類優化方案，在IIHS做過的所有試驗中，其車體耐撞性評價不低于“良好”。筆者認為此方案有較大不確定性：首先，較大的碰撞后殘留速度增大二次碰撞事故風險;其次，碰撞試驗室地面比較光滑摩擦系數較小，車輛較容易產生側向位移而滑離壁障，但實際交通路面粗糙時車輛很可能無法滑離壁障，增大乘員艙變形嚴重的風險。基于以上兩點考慮，摒棄此優化方向案。

第二類優化方案的本質傳統設計理念一致，增加側向結構使防撞梁、吸能盒、縱梁、副車架變形吸能及向后傳遞碰撞力。當壁障或輪胎撞擊門檻或乘員艙時，由于碰撞能量較小，不會引起乘員艙的較大入侵量和整車旋轉，從而維持乘員艙的穩定性，保護駕駛員安全性。

第三類優化方案：破壞碰撞力的主要傳遞路徑“壁障—輪胎—門檻的接觸”，主要方法是設計懸架與轉向系統失效，使輪胎在未形成對門檻猛烈沖擊前與副車架脫離，可有效減少乘員艙入侵量。文獻^[5]作者使用此方法做過優化。但從實際使用角度考慮設計底盤系統失效，可能會給車輛正常行駛帶來安全隱患。

通過對以第二類優化方案可靠性高、實施簡單，本文使用第二類優化方案。

乘員艙優化方案：通過提高材料等級或增加加強件或兩者同時進行使乘員艙結構加強。機艙結構優化和乘員艙優化需同時進行才能確保乘員艙的穩定性，保證假人安全性。

3.3 小偏置碰撞耐撞性優化方案描述

對機艙結構優化：（1）在碰撞區域1將防撞梁向兩側延長;增大碰撞盒斷面尺寸，并在其后端增加支撐梁。（2）在碰撞區域1和2之間增加支撐梁，即在shortgun前端與碰撞盒安裝板之間增加支撐梁。優化方案如圖7所示。

對乘員艙的結構優化：假人歇腳區域橫梁和腳下縱梁材料等級提升一級（780DP）;門檻增加加強橫梁。方案如圖8所示。

3.4 優化方案驗證分析

車體結構耐撞性優化方案結果如圖9所示。

對該車型進行結構優化后，小偏置碰撞結果取得較好效果，整體評級由“較差”提升為“優秀”。優化后前端結構變形如圖10所示，吸能盒完全壓潰，縱梁前端壓潰、中部彎曲變形，增加的支撐梁也全部變形，前端吸收較大碰撞能量，從而保證乘員艙變形量明顯減小，降低假人受傷風險。

經驗證優化后的該SUV車型正面100%碰撞工況和40%偏置碰撞工況發現，碰撞盒與縱梁的變形效果較25%小偏置碰撞工況差，主要原因在于100%碰撞和40%偏置碰撞工況下，車輛前端單側需要吸收的碰撞能量比25%偏置碰撞工況少，三種工況下整體變形趨勢比較一致。優化后正面和偏置碰撞的加速度曲線變化較大，并且峰值略有升高但并未超過設計目標，氣囊起爆需要重新標定。三種工況下25%偏置碰撞加速度峰值最小。

4 結論

（1）在對小偏置碰撞評分原則分析、試驗結果數據統計、相關資料研究上得出：（1）車體結構對小偏置碰撞整體等級評定起決定作用;（2）假人受致命傷害（頭頸部和胸部）的風險低于其他工況，但下肢傷殘風險高于其他工況。

（2）經過第二類優化方案的實施，使該SUV車型的車體結構等級評定由“較差”提升為“優秀”。該優化方案可靠性高、實施簡單、成本較低，且具有通用性，可為其他車型小偏置碰撞優化提供參考。

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