基于2021版C-NCAP側面柱碰的某SUV車身結構優化設計

吳磊 鄭坤 黃茜

摘要：為使某在研SUV車型側面柱碰達到我國2021版新車評價規程（C-NCAP）的5星要求，文章根據收集整理的國內外側面柱碰數據初步設定車身側圍侵入設計目標值，搭建側面柱碰仿真計算模型進行有限元仿真計算，并根據基礎狀態的結果對車身結構進行優化設計，提升車身側面柱碰耐撞性能，使側圍侵入量基本滿足設計目標值，通過乘員約束系統仿真計算獲得假人損傷及得分以驗證車身結構優化的效果，結合約束系統計算結果中假人各部位的得分情況對初步設定的設計目標值進行修正，從而獲得更加合理的設計目標值，可為后續車型開發提供參考。

關鍵詞：側面柱碰;C-NCAP;設計目標值;結構優化;有限元;約束系統

0 引言

隨著我國汽車工業的飛速發展，汽車保有量快速增長，由此帶來的一大問題就是汽車交通事故也在逐年增加，造成了巨大的生命和財產損失。而在汽車交通事故中，側碰致傷率僅次于正面碰撞[1]，這其中車體與柱狀體側面撞擊事故約占14%，但死亡率高達38%[2]。柱狀體側面撞擊事故死亡率高的原因主要是碰撞體的剛性大且接觸面積小，而車輛的側圍結構相對較薄弱且吸能空間有限，發生事故時車身變形大，車身結構及外部物容易侵入到乘員生存空間對乘員造成傷害。因此，美國高速公路協會（NHTSA）和歐洲新車評價規程（Euro-NCAP）已經新增了側面柱碰評價工況，我國的2021版新車評價規程（C-NCAP）也將增加側面柱碰工況以模擬車輛側面撞擊電線桿、廣告牌、大樹等柱狀剛性物的事故現象，該工況的引入將會對車身側面結構的設計提出更高的要求。

1 工況介紹

2021版C-NCAP的側面柱碰試驗方法如下頁圖1所示：在前排駕駛員位置放置1個WS假人，車輛以32 km/h的速度與車輛坐標系X軸成75°角撞向直徑254 mm的固定剛性圓柱;圓柱的下端不能高于輪胎最低點102 mm，上端必須超過車頂最高點，圓柱的中心與假人頭部中心的連線與速度方向一致。

2 確定設計目標值

目前國內的評價體系尚未正式開展側面柱碰試驗，因此，尚無成熟的設計開發經驗作為借鑒，但是從產品長期規劃出發，現階段開發車型應該考慮2021版C-NCAP的評價規程。在設計之初，為了明確設計優化目標，本文收集了4款與本研究車型相近車型的NHTSA側面柱碰試驗結果[3-6]以及國內某相近車型的試驗假人得分和車身結構耐撞試驗仿真對標數據作為參考，以此為基礎初步確定本研究的仿真目標值。NHTSA柱碰試驗的測量位置為5條與地面平行的水平線，由低到高分別是：Sill Top、Mid Door、Occupant Hip Point、Window Sill、Window Top，具體如圖2所示。

分別測量車門外鈑金面在上述5條水平線上的Y向最大侵入量。由于NHTSA的試驗中所使用的假人以及評分規則與國內不一致，為此，本文又研究了國內某主機廠自主開展的側面柱碰試驗所獲得的假人得分以及仿真對標侵入值，該車型柱碰總得分為15.38（滿分16分），得分率為96.1%，超過85%，參考2018版C-NCAP星級評價滿足5星規劃目標要求。本研究參考NHTSA以側圍外鈑金件的Y向侵入量作為量化指標，根據該國內車型仿真對標結果以及NHTSA試驗車型數據，通過橫向對比各款車同一測量點侵入值，初步擬定以其中的最小值作為本研究車型各測量位置仿真計算側圍侵入量設計目標值（如表1所示）。

3 拓撲優化設計

3.1 搭建計算模型

參照試驗規范搭建仿真計算模型主要包括：立柱位置、車輛的初始速度及方向、車輛配重，建立接觸對等操作[7-9]，得到如圖3所示的仿真模型。

3.2 計算結果及優化方案

計算得到基礎狀態下的侵入值如表2所示。

基礎狀態下，側圍的侵入量遠超目標值，碰撞性能差，需進行結構優化。根據柱碰的傳力特點，主要承載結構為門檻梁、車門防撞梁、座椅橫梁、中通道、B柱、中通道支架以及上邊梁（如圖4所示）。根據仿真計算結果，基礎狀態下門檻梁、座椅橫梁以及上邊梁出現惡劣折彎說明以上三個區域的抗彎剛度明顯不足，具體如圖5、圖6所示。

根據基礎狀態的分析結果，本文的主要優化思路是：通過提高側面柱碰主要承載結構的剛度和增加傳力路徑的方式增加車身結構的承載能力，從而減小側圍侵入量，達到提高整車側面柱碰性能的目的。具體方案如下：

3.2.1 座椅橫梁區域優化方案

基礎狀態中，由于剛性立柱更靠近座椅后橫梁，導致前、后橫梁承載不均，后橫梁承載更多，故后座椅橫梁變形更嚴重。本文的優化方案是在增加座椅橫梁的抗彎剛度的同時，重新匹配前、后橫梁的承載量，具體方案為：

（1）座椅后橫梁1.4 mm/DP590提升為1.4 mm/DP780。

（2）座椅前橫梁由1.2 mm/DP590提升為1.2 mm/熱成型。

（3）為了減少座椅后橫梁的載荷，增加一條斜撐梁，將部分載荷分攤到座椅前橫梁，其材料為1.4 mm/DP780。

（4）延長座椅后橫梁內部的加強板。

3.2.2 門檻區域優化方案

（1）在門檻內板處增加一塊1.2 mm/950_1180MS的加強板，以增強門檻的抗彎性能。

（2）在門檻內撞擊圓柱位置增加一個支架小總成（“幾”字支架1.0 mm/DP590，隔板0.8 mm/DC01），以增加在碰撞過程中的吸能。

3.2.3 B柱區域優化方案

（1）B柱加強板料厚由1.4 mm提升為1.6 mm。

（2）B柱加強板下端與門檻的Z向搭接長度由34 mm延長至84 mm。

3.2.4 車門防撞梁優化方案

車門防撞梁由1.4 mm/熱成型提升為2.0 mm/熱成型。

按照上述優化方案修改仿真模型，重新提交計算，并對其結果進行分析發現：通過增強門檻梁、座椅橫梁、車門防撞梁、B柱的抗彎剛度以及優化座椅前、后橫梁的傳力路徑使前、后橫梁的承載比（F前/F后）由39.3%提升到91.7%，優化后車身變形得到明顯控制（如圖7、圖8所示）。

測量優化狀態側圍的侵入量，其侵入量顯著下降（如表3所示），但是mid door和window top位置的侵入量依然超過了初定目標值，考慮上述兩處侵入量小于國內仿真對標車型相同位置的侵入量，且window top所對應的頭部依然有空間配合側氣簾，頭部得分能夠得到保證。因此，以該優化結果進行乘員約束系統分析以評估假人得分情況。

3.3 約束系統模擬仿真

3.3.1 假人傷害值計算

以結構耐撞仿真計算結果作為輸入，搭建乘員約束系統仿真模型[10]，如圖9所示。

根據上述模型，通過約束系統參數優化假人得分為15.05分（滿分16分），得分率為94.1%，超過目標值85%，滿足五星目標要求。具體得分如表4所示。

3.3.2 侵入量目標值優化

進一步分析上述假人各部位得分：頭部、腹部、骨盆得到滿分，胸部得分3.05，得分率為76.3%。將假人各損傷測量部位映射到車身側圍上如圖10所示：假人頭部對應window top 、胸部對應window sill、腹部對應mid door、骨盆對應occupant hip point。

基于假人得分率以及具體的假人傷害值，對初定目標值進行修正，使其更加符合實際，為后續車型的開發提供參考（如表5所示）。

4 結語

由于目前國內尚未正式開展側面柱碰的試驗評價工作，因此，國內缺乏應對側面柱碰工況的車型開發的相關經驗。鑒于此情況，本文首先在收集分析國內外柱碰試驗數據的基礎上初步制訂了本車型開發的設計目標值，然后依據該目標值對該車身結構進行結構優化，通過優化傳力路徑、提升局部結構的抗彎剛度，大幅提升了柱碰性能使其基本達到目標值。接著基于優化狀態下的柱碰計算結果搭建乘員約束系統計算模型求出假人的傷害值以及得分，結果顯示該狀態假人得分為15.05，滿足2021版五星得分目標，結構優化結束。最后以此為基礎對初定目標值進行進一步的修正使其更加符合設計要求，為后續車型開發提供參考，相應流程如圖11所示。后續將進一步結合柱碰試驗結果，進行仿真試驗對標以提升仿真計算精度。

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