車門護板側沖擊仿真分析與試驗驗證

操芹 黃潔 占玉霞

摘 ?要：本文介紹了一種乘用車車門護板側沖擊的試驗方法，同時運用有限元分析方法進行模擬仿真分析，通過車門護板腰部側沖擊仿真分析結果與試驗數據的對比，證明了車門護板側沖擊仿真分析方法具有較高的仿真精度，能夠指導車門護板在汽車側面碰撞試驗中的改進方向;運用車門護板側沖擊仿真分析方法，優化了某車型的車門護板腰部沖擊區域的設計，使之滿足車門護板的設計要求。

關鍵詞：車門護板;側沖擊;仿真分析;試驗驗證;優化

中圖分類號：U463.83 ? ?文獻標識碼：A ? ?文章編號：1005-2550（2020）05-0043-05

Abstract： This paper introduces a test method for side impact of passenger car door guards. At the same time， the finite element analysis method is used for simulation analysis. By comparing the results of simulation analysis with the test data， it is proved that the simulation analysis method of side impact of the door guard has high simulation accuracy and can guide the improvement of the door guard in side impact test of vehicle. By using the method of the door guard side impact simulation analysis， the design of the impact zone at the waist of the door guard of a vehicle is optimized to meet the design requirements of the door guard.

Key Words： Door Guard; Side Impact; Simulation Analysis; Test Verification; Optimization

1 ? ?前言

與汽車正面碰撞相比，汽車側面吸能構件較少，且乘員與車門內板之間僅有20-30mm的空間，一旦發生側面撞擊，沒有較大的緩沖區域，側面結構大變形，乘員將受到強烈貫入的沖擊載荷作用，造成人員傷害。近年來，側面碰撞已經成為發生頻次最高、造成傷害最多的交通事[1]。目前關于提升汽車側碰安全性能的研究文章很多，大多是基于 GB 20071-2006 進行整車級仿真分析研究，通過前車門結構、內飾造型、安全帶和安全氣囊等方面來提升整車側面碰撞安全性能。周政權等[2]人通過 C-NCQP 側面碰撞試驗工況進行仿真分析，通過對前車門防撞桿結構、車門內護板扶手造型和安全帶動作策略進行優化，有效解決了該車型側面碰撞過程中前排假人肋骨受傷的情況，提升了該車型側面碰撞安全性能;王勇輝等[3]人針對C-NCAP側碰規范，對緩沖塊的材料剛度、形狀和大小等因素對假人傷害的影響進行了研究，說明了車門緩沖塊對汽車側面碰撞安全性能具有重要作用。周云等[4]人以某車型在整車側面碰撞過程中門護板的破裂為例，結合CAE仿真分析，將車門內鈑金的變形簡化為多個沖擊塊的位移，以此制定了門護板試驗方法并進行了有效的驗證。

本文通過大量的試驗與經驗總結，將GB 20071-2006 性能指標進一步細分到總成級零部件車門內護板上，對車門內護板總成進行單獨的側沖擊性能試驗，通過沖擊后車門內護板所承受的沖擊力和吸能情況來反映人體的傷害程度，即在車門內護板零部件設計早期，對其進行側面碰撞性能的管控，減少后期總成零部件發生大的設計變更概率，可縮短整車開發周期，節約研發成本。

2 ? ?車門內護板側沖擊試驗方法

車門內護板總成包含上蓋總成、上中片總成、下中片、扶手總成、主型板、拉手盒、側碰塊等零部件。車門內護板側沖擊試驗方法是用特定沖擊頭以一定的速度從車內向車外撞擊門護板總成，通過吸能與反力的大小來研究車門內護板在汽車側面碰撞中的性能狀況。

車門內護板側沖擊點取點依據如圖1所示，假人為EuroSID-1 50%型側碰撞假人，將通過H點的鉛垂線逆時針旋轉座椅靠背角的度數，則在該直線上，距離H點距離為a的點即為腰部側沖擊點;距離H點距離為b的點即為腹部側沖擊點;距離H點距離為c的點即為胸部側沖擊點。

車門內護板總成完全緊固（或者用模擬不可變形的車門內板的剛性支架），車門內板和車門內護板之間可能影響試驗結果的零件均應裝配上去（揚聲器、車門加強件等）。沖擊塊固定在發射器前端，試驗前需將沖擊塊質心調整到側沖擊點位置，根據假人軀干角調整沖擊塊的角度，同時還需調整發射器推力，使沖擊塊在接觸門護板的初始瞬間獲得指定的沖擊速度。沖擊塊上帶有位移和力的傳感器，可以輸出沖擊塊的位移曲線和反力曲線，通過位移與反力曲線圍成的面積，可以計算出在門護板側沖擊試驗過程門護板吸收的能量大小。

胸部、腹部沖擊塊質量為M1，沖擊速度V1;腰部沖擊塊質量為M2，沖擊速度V2，如圖4所示。胸部、腹部、腰部側沖擊試驗對車門內護板的吸能及對應反力的大小均有要求，同時要求試驗完成后車門內護板不能產生尖角、飛出物。

3 ? ?車門護板側沖擊仿真分析

模型前處理采用HyperMesh軟件，求解器采用Radioss計算。塑料件建網格模型時，要根據料厚變化、加強筋的高度及厚度確定合適的單元尺寸，以免漏掉某些小的結構。

將車門護板、車門內板和沖擊塊幾何模型導入HyperMesh中進行有限元模型的建立。車門護板采用薄殼單元劃分，平均網格尺寸2mm，料厚變化超過10%的地方需分開設置網格屬性，卡扣、螺栓連接的地方用Rbody單元模擬。車門內板和沖擊塊都采用薄殼單元劃分，平均網格尺寸10mm，車門護板與車門內板的連接處采用Rbody單元模擬。車門護板材料類型選用彈塑性材料Law36[5]，輸入相應材料的真實應力應變曲線;車門內板用剛體材料Law13模擬，Law13材料類型不可用于有加載的單元;沖擊塊不可變形，選用彈性材料Law2，同時將沖擊塊所有節點作為從節點，用自動生成主節點的方法建立一個Rbody單元，即將沖擊塊也設置成剛體單元，該剛體單元不僅可以約束也可以加載。

將沖擊塊按要求調整到指定位置及角度，沖擊塊與車門護板之間建立接觸對關系。在BCs Manager中定義邊界條件，約束車門內板全部自由度，約束沖擊塊除沖擊方向（Y向）外的所有自由度;給沖擊塊加載負Y向初速度。在output block中定義接觸反力、沖擊塊位移、速度的輸出量，Radioss計算時間取20ms。

圖5為某W1車型前左門腹部側沖擊仿真分析模型，圖6為該模型吸能與接觸反力曲線，從圖中可以看出，車門內護板吸收100J能量時接觸反力為3.8KN，小于4KN。圖7為腹部沖擊塊接觸反力曲線，從圖中可知，在1.2ms時，腹部沖擊塊與車門內護板開始接觸，沖擊塊的初始動能通過接觸傳遞到到車門內護板，接觸反力由0開始增加，車門內護板受到擠壓，發生變形，同時吸收沖擊塊的能量，隨著沖擊塊繼續往前運動，沖擊塊與車門內護板的接觸面積越來越大，傳遞的接觸反力也越來越大，在18.4ms時接觸反力達最大值。圖8為沖擊塊速度曲線，沖擊塊撞擊到車門內護板后，速度不斷的降低，沖擊塊的動能轉為為車門內護板的內能;在18.6ms，沖擊塊瞬時速度降為0，即沖擊塊撞擊到車門內護板后開始往回反彈運動，隨著沖擊塊離車門內護板的距離越來越大，它與車門內護板的接觸面積也越來越少，接觸力也越來越小。圖9為18.6ms時刻對應的車門護板應力云圖，最u大應力25 MPa小于材料的抗拉極限，即車門內護板沒有發生破裂。

4 ? ?仿真分析與試驗對標

某W1車型前左門腹部側沖擊試驗如圖10所示，圖11為腹部側沖擊試驗后車門內護板的狀態，在扶手下側主型板處有白化，沒有出現尖角、飛出物的情況。

圖12中上方曲線為車門內護板腹部側沖擊試驗中沖擊塊的位移曲線，另一條為車門內護板腹部側沖擊仿真分析中沖擊塊的位移曲線，兩者位移誤差在8%左右;圖13為車門內護板吸能與接觸反力曲線，車門內護板吸收能量100J，試驗測得接觸反力為3.5KN時，仿真誤差8.6%，滿足工程應用需求。從車門內護板腹部側沖擊試驗與仿真分析對比中可以看出，車門內護板側沖擊仿真分析方法具有較高的可信度。

5 ? ?門護板側沖擊仿真分析優化

某W2車型左后門車門內護板腹部側沖擊仿真分析結果，如圖14所示，車門內護板吸能100J時，接觸反力為4.2KN，大于目標值4KN，說明在沖擊過程中車門內護板的壓縮位移過小，車門內護板在腹部區域的設計剛性過大，該反力值超過目標值不多，可以考慮弱化局部結構剛性來增加門護板吸能。如圖15所示，車門內護板腹部側沖擊點位于扶手外端區域，扶手結構中沒有加強筋，將扶手卡扣連接處開孔弱化處理，如圖16所示。

弱化處理優化后重新仿真計算，吸能與接觸反力曲線如圖17所示，車門護板吸能100J時，接觸反力為3.9KN，小于目標值4KN，滿足設計要求。

6 ? ?總結

本文介紹了一種乘用車車門內護板側沖擊的試驗方法，同時運用有限元分析方法進行模擬仿真分析，通過車門內護板腹部側沖擊仿真分析結果與試驗數據的對比，證明了車門內護板側沖擊仿真分析方法具有較高的仿真精度;同時，運用車門內護板側沖擊仿真分析方法，優化了某車型的車門內護板腹部沖擊區域的設計，使之滿足車門內護板的設計要求。

參考文獻：

[1]公安部交通管理局，中華人民共和國道路交通事故統計年報.（2001-2007年度）.

[2]周政權，鄧永芳，彭宇. 某車型側面碰撞安全性能優化.大眾科技.2019年03期.

[3]王勇輝等. 基于CAE的側面碰撞車門緩沖塊參數設計. 汽車安全技術學術會議-2011.

[4]周云，陶鈞，孫濤. 基于多沖擊塊侵入的門護板側面碰撞研究.汽車科技.2017年第4期.

[5]HyperWorks Online Help 12.0，Altair Engineering， Inc.