某車型側面柱碰工況安全性能分析及優化

李根，李學言，楊帥，郝毅

(中國汽車技術研究中心有限公司，天津 300300)

0 引言

隨著我國汽車工業的飛速發展、汽車保有量大幅提升，車輛交通安全也成為重要的公共安全問題。常見車輛碰撞工況主要包括正面碰撞、側面碰撞、翻滾、追尾以及行人碰撞等，其中側面碰撞占比約為28%，且死亡率高達34%[1]，其重要原因是車輛側面的碰撞吸能空間較小，當車輛與剛性較大的柱狀物發生碰撞時，往往車身變形程度很大，使車內乘員發生嚴重二次碰撞，直接影響乘員的生命安全[2]。目前歐洲ECE法規以及Euro-NCAP中均包含側面柱碰工況的考查[3]，國內也已在2014年發布了《汽車側面柱碰撞的乘員保護》征求意見函[4]，且在2021版C-NCAP中也將要推出側面柱碰測試工況，同時國內各大汽車主機廠以及相關科研單位在車輛研發過程中對車輛側面柱碰工況中的安全性能也給予了空前的重視。

本文作者針對某車型在Euro-NCAP側面柱碰工況中出現的側面結構變形過大，前門、B柱入侵量和入侵速度過大，車身側面傳力路徑不完善等情況，提出了結構優化方案，改善了側柱工況的結構變形基礎，最終減小了乘員傷害。

1 側面柱碰工況車身結構及乘員傷害問題分析

1.1 側面柱碰工況簡介

側面柱碰工況示意如圖1所示。

碰撞速度：32 km/h，方向與車輛縱向對稱面成75°；

前排試驗假人： WS 50%男性；

后排試驗假人：無；

試驗壁障：直徑254 mm剛性柱；

壁障定位方式：壁障中心線對準前排假人頭部質心。

圖1 側面柱碰工況示意

1.2 安全性能問題分析

根據側面柱碰工況建立該車型整車結構耐撞性以及駕駛員位約束系統仿真分析模型。其中整車結構耐撞性模型中[5]，對整車賦予32 km/h初速度，其速度方向與車輛縱向對稱面成75°，以結構耐撞性模型為基礎，建立約束系統仿真模型，對結構耐撞性分析結果中的前門、B柱、地板等區域提取速度曲線作為約束系統模型的邊界條件[6]。仿真模型如圖2所示。

圖2 仿真模型

對上述模型進行仿真分析可得：

(1)車身結構分析

整體來看，車身與壁障接觸區域變形程度較大，其中駕駛員側門檻、車門、B柱以及前地板等區域變形明顯，車身側面整體支撐強度較弱，且地板Y向傳力路徑不完善導致中通道變形嚴重，整體車身結構耐撞性較差。關鍵區域結構變形如圖3所示。

左前門內板與駕駛員傷害部位對應區域的入侵量及入侵速度如圖4所示。

統計前門入侵情況如表1所示。

圖3 關鍵區域結構變形

圖4 車門內板入侵量及入侵速度曲線

表1 前車門內板Y向入侵量及入侵速度峰值統計

由前門入侵情況可知：3個考查區域的入侵量及入侵速度整體較為接近，入侵狀況嚴重，其中入侵量最大值為331.94 mm，入侵速度最大值為11.93 m/s。

左B柱內板與駕駛員傷害部位對應區域的入侵量及入侵速度如圖5所示。

圖5 左B柱內板入侵量及入侵速度曲線

統計B柱入侵情況如表2所示。

表2 B柱內板Y向入侵量及入侵速度峰值統計

由B柱入侵情況可知，頭部區域位置較高，入侵情況相對較小，胸、腹、骨盆3個區域入侵情況較為接近，其中入侵量最大值為277.6 mm，入侵速度最大值為9.82 m/s。因B柱沒在壁障直接碰撞區域，其入侵情況相對前門較小，但前門入侵情況也一定程度受B柱強度的影響，需保證B柱自身強度。

根據該車型當前狀態結構變形與入侵狀況可知，由于門檻、B柱、前座椅橫梁以及中通道等區域整體強度不足，Y向支撐能力欠佳，導致與乘員傷害部位對應的車門及B柱區域入侵程度較大，最終會進一步影響乘員傷害。

(2)乘員傷害分析

對約束系統模型進行仿真分析可得該結構狀態下駕駛員各部位傷害統計如表3所示。

表3 側面柱碰工況駕駛員傷害結果統計(優化前)

該車型當前結構狀態下駕駛員傷害問題部位集中在胸腹區域，結合車身結構狀態可推斷:過大的前門Y向入侵造成了駕駛員胸腹部位傷害較大，其中胸部區域壓縮量過大，失分嚴重，且腹部壓縮量余量很小，臨近罰分。

結合側面柱碰工況特點以及該車型在碰撞中的結構變形與乘員傷害狀態可知，該工況中車輛與剛性柱發生直接碰撞，絕大部分能量需要從車輛碰撞區域通過相應的Y向傳力路徑吸收，對車身局部區域的強度要求很高，當該區域Y向支撐強度不足時，將直接導致碰撞區域的入侵過大，從而進一步消耗乘員的生存空間，造成乘員傷害，且一般乘用車的側面乘員空間往往小于側面柱碰工況的入侵量，所以對于側面柱碰工況，側面結構強度的提升會更為直接地影響乘員傷害情況。

2 結構優化分析

2.1 優化方案

通過對整車側面柱碰結果分析，對車身結構中不足處進行相應優化：

(1)地板傳力路徑

在中通道與前座椅橫梁搭接區域增添兩個幾字形加強件，其材料為HC340/590、厚度為1.4 mm，使車身地板區域的Y向傳力路徑貫通，如圖6所示。

圖6 中通道區域加強優化方案

(2)前座椅安裝橫梁

前座椅前安裝橫梁材料由HC340/590提升為HC420/780，厚度保持1.4 mm不變；前座椅后安裝橫梁材料保持BR1500HS不變，厚度由1.2 mm提升為1.4 mm。

(3)門檻

門檻內板材料由HC420/780提升為BR1500HS，厚度由1.4 mm降低為1.2 mm；門檻外板材料由HC420/780提升為BR1500HS，厚度由1.6 mm降低為1.4 mm；并在門檻內與前座椅后橫梁搭接區域添加支撐件，該件材料為HC340/590，厚度為1.6 mm，如圖7所示。

(4)B柱

向下延伸B柱內加強板，提升B柱下段自身強度，如圖8所示。

圖7 門檻區域加強方案 圖8 B柱區域加強優化方案

2.2 優化結果分析

對該車型進行以上結構優化，并提取結構仿真結果進行約束系統驗證，分析其結構入侵差異及乘員傷害情況。

(1)結構耐撞性分析

前門入侵優化結果如表4所示,B柱入侵優化結果如表5所示。

表4 前門入侵情況優化結果統計

經車身結構優化，前門、B柱的乘員傷害對應區域入侵量和入侵速度峰值均有明顯降低，優化率基本為20%～30%。以上結構優化方案對提升車身側面支撐強度、減小入侵程度效果明顯，進一步保障了乘員生存空間。

(2)乘員傷害分析

提取優化后結構變形，更新約束系統模型的邊界條件，驗證乘員傷害優化情況，如表6所示。

表6 優化后側面柱碰工況駕駛員傷害結果統計與對比

分析乘員傷害情況，每個考查部位傷害均有不同程度降低；其中胸、腹部壓縮量減小程度明顯，胸部壓縮量有效優化率為18.97%，略有罰分，腹部壓縮量有效優化率為15.93%，余量大幅提升，沒有罰分風險，頭和骨盆部位也有明顯改善。

經對車身結構進行優化分析，車身關鍵區域結構變形以及車門、B柱的側面入侵等方面優化效果明顯，提升了乘員的生存空間，改善了碰撞環境，最終實現了減小乘員傷害的目的。

3 結論

針對某車型在側面柱碰工況中存在的結構問題進行了分析，結合有限元仿真方法提出并驗證了結構優化方案的有效性，最終改善了車身整體變形，降低了乘員傷害，也為后期其他車型的側面柱碰工況安全性能開發提出了優化思路及建議。可以得出以下幾點結論：

(1)側面柱碰工況中，大幅的側面入侵使乘員生存環境極其惡劣，良好的車身結構狀態對保障乘員安全尤為重要；

(2)通過完善車身側面傳力路徑以及提升門檻、B柱、前座椅橫梁強度等方案，可有效改善車身整體變形，降低前門及B柱的側面入侵程度，最終降低乘員傷害。