基于2018版CNCAP的風窗橫梁結構設計

陳楓 游潔 褚安華

摘 要：隨著2018版CNCAP的施行，汽車行人保護安全性能愈發重要。基于行人頭部保護試驗規程，以短前懸純電動車開發為例，詳細介紹了風窗橫梁從概念階段、詳細設計到分析驗證的全過程，為行保及風窗橫梁設計提供參考。

關鍵詞：安全;行人頭部保護;風窗橫梁;結構設計

中圖分類號：U462.1 ?文獻標識碼：A ?文章編號：1671-7988（2020）20-29-03

Abstract： With the implementation of CNCAP 2018， the safety performance of pedestrian protection becomes more and more important. Based on the test rules of pedestrian head protection， taking the development of short front suspension pure electric vehicle as an example， this paper introduces the whole process of windshield beam from concept stage， detailed design to analysis and verification in detail， and provides reference for the following traffic protection and windshield beam design.

Keywords： Safety; Pedestrian head protection; Windshield beam; Structural design

CLC NO.： U462.1 ?Document Code： A ?Article ID： 1671-7988（2020）20-29-03

1 前言

隨著汽車保有量的不斷增加，行人交通事故越來越多，而行人頭部損傷在該類交通事故中占有重大的比重。基于此， 2018版CNCAP明確規定，將行人保護作為汽車安全性的重要考察項，并強調五星車型必須行人保護得分率高于60%。

風窗橫梁作為機艙總成的重要組成部分，功能上需要滿足風擋玻璃及內飾儀表板的安裝要求。性能上影響著整個車身的彎扭剛度。由于有部分的行人保護試驗點位于橫梁區域，因此，風窗橫梁也是行人保護得分高低的重要因素。

本文所述車型A為面向于年輕時尚人群的純電動SUV，造型上具有短前懸，低重心的特點。表1為各車型軸距及前懸尺寸對比，從表中可知，車型A在所有車型中前懸尺寸最短，同時軸距較長，因此該車型機艙布置更加緊湊，發罩區域行人頭部保護得分將較競品車型低，若要滿足CNCAP五星碰撞的要求，風窗橫梁區域的得分需求將更高，提高了風窗橫梁設計的難度。

2 風窗橫梁結構設計

隨著國內汽車工業的迅速發展，整車開發流程技術已由過去的逆向開發轉變為性能與結構并重的正向開發。車身作為整車中的重要組成部分，其開發流程同樣由產品規劃階段、概念設計階段、詳細設計階段、設計驗證階段、生產準備階段組成。

本文將從斷面設計、材料選擇、結構設計、CAE仿真優化及試驗驗證五個方面詳細介紹風窗橫梁的結構設計過程。

2.1 斷面設計

如圖1所示為機艙中的布置斷面圖，從圖中可知，該車型前懸短，相較一般的SUV車型，行人撞擊發罩后院風擋玻璃的概率大大增加。并且在風擋玻璃附件，周邊零件包括流水槽蓋板，風窗橫梁，雨刮等。布置十分緊湊，當發生行人交通事故時，頭部撞擊工況十分惡劣。

因此，對風窗橫梁進行優化設計，合理的傳遞與擴散頭部碰撞過程中的力與能量，無論對于提高行人安全性還是滿足所開發車型的五星碰撞要求的目標，都是十分重要的。基于此，在概念設計階段，提出兩種風窗橫梁總成的設計斷面。

比較圖中兩個截面，方案一腔體面積與方案二腔體面積基本相當，滿足車身的彎扭剛度及側碰性能。截面上翻邊都是由玻璃面偏移得到。（其中玻璃厚度4.56mm，玻璃與風窗橫梁制件的涂膠間隙預留5mm）。其中第一個臺階面為儀表安裝平面，第二個臺階面避讓空調風道。

方案一中，當頭部撞擊到橫梁翻邊時，風窗上橫梁向后折彎，當折彎到一定角度，臺階面與后立面形成銳角拐角，不利于風窗上橫梁與風窗下橫梁的變形，影響了進一步的能量吸收，進而導致撞擊反作用力增大，不利于行人頭部傷害值的降低。

方案二中，增大風窗橫梁下部腔體，取消上部腔體，將風窗下橫梁上端設計成“C”字型懸臂結構，當頭部撞擊到橫梁翻邊時，橫梁下端有足夠的空間變形，從而有利于行人頭部傷害。

因此，綜合考慮，選擇方案二中的結構進行進一步的設計。

2.2 材料選擇及分件

本文所述開發車型基于全新鋼鋁混合車身平臺開發，其中下車體使用鋁合金（沖壓鋁板、擠壓鋁型材、鑄造鋁）設計，上車體使用鋼制車身。使用鋁合金材料有利于提高車輛的輕量化水平。

行人發生頭部碰撞的傷害值：

2.3 結構設計

風窗橫梁結構設計基于前述的斷面定義，同時結合周邊的布置輸入及匹配關系進行三維詳細設計。

周邊布置包括雨刮，雨刮電機，流水槽、儀表、空調等，風窗橫梁總成需要與各零件滿足相應的間隙要求。即與靜態件之間大于10mm，與運動件之間大于25mm。橫梁結構設計如圖6所示。橫梁各零件大面根據斷面各邊掃略確定，局部增加筋條使得結構的剛度模態進一步提高。

2.4 CAE分析及優化

CAE仿真技術作為汽車設計中的重要手段，大大地提高了工程開發的效率。通過行人保護的實驗標準，分別獲得所開發車型的輪廓線及網格點如圖7所示，從圖中可知，相較于一般車型嗎，該車發罩上測試點較少，風擋區域測試點較多，同時，風窗橫梁區域主要為第8排與第9排的試驗點。

將整車模型進行行人保護碰撞分析，分別對每個網格點按照CNCAP的實驗規則進行碰撞分析及結果后處理，得到整個區域的傷害云圖如圖8所示。頭部總得分6.71分，不滿足五星最低得分要求。

針對碰撞結果對結構進行優化，將焊接邊進行弱化，除了保證焊點處的空間外，在焊點的交錯位置將切邊弱化，減小局部的搭接厚度，從而達到較小頭部傷害的效果。

更換雨刮安裝方式，將安裝點從風窗下橫梁移動至機艙橫梁，減小風窗下橫梁處的強度，提高碰撞得分率。

針對優化的數據，進行分析及試驗驗證，得到行人頭部保護的得分為6.75分，滿足五星碰撞目標要求。

3 總結

本文針對短前懸車身行人頭部保護得分困難的問題，基于產品開發的整個流程，從斷面設計、材料選擇、結構設計，設計驗證各個階段詳細闡述了風窗橫梁的設計過程，使得所設計的產品滿足了2018版CNCAP的要求，另一方面由于堅持正向開發，節省了成本與周期。

參考文獻

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