側(cè)面碰撞車門解鎖問題結(jié)構(gòu)優(yōu)化

鄧元,黃民山,楊淑妮

(1.上汽通用五菱汽車股份有限公司,廣西柳州 545007;2.廣西艾盛創(chuàng)制科技有限公司，廣西柳州 545007)

0 引言

隨著汽車工業(yè)的快速發(fā)展和汽車保有量的不斷增長，由此造成的安全問題日益突出。汽車被動安全技術(shù)的發(fā)展越來越成熟，在汽車被動安全技術(shù)研究中，車內(nèi)乘員保護一直是汽車被動安全研究的主要內(nèi)容之一。在交通事故中，可以分為正面碰撞、正面柱撞、側(cè)面碰撞、側(cè)面柱撞、追尾及翻滾等，側(cè)面碰撞屬于主要常見的事故類型[1-3]。由于汽車車內(nèi)側(cè)面空間有限，與正面碰撞相比，發(fā)生側(cè)面碰撞時乘員更容易受到傷害。車內(nèi)乘員在側(cè)面碰撞中受到傷害主要有兩種形式：(1)被撞側(cè)車身和車門發(fā)生嚴重變形，入侵乘員艙造成的直接損傷，需要配置側(cè)面氣囊和氣簾減輕損傷；(2)碰撞過程中車門出現(xiàn)解鎖導致車門開啟，乘員除了出現(xiàn)碰撞損傷外，還會受到被甩出車外造成的二次損傷。因此在進行

車身側(cè)面耐撞性設計中必須解決車門解鎖開啟問題。在國標和《中國新車評價規(guī)程》(2018版)都對側(cè)面碰撞試驗有明確的假人損傷要求和相關規(guī)定。《GB 20071—2006 汽車側(cè)面碰撞的乘員保護》中要求碰撞過程中車門不得開啟[4]，《中國新車評價規(guī)程》(2018版)中也規(guī)定對于兩側(cè)的每一個車門，若在碰撞過程中出現(xiàn)開啟，則分別減去1分[5]。

本文作者針對某車型在研發(fā)階段的側(cè)面碰撞試驗中出現(xiàn)的后側(cè)車門解鎖開啟問題，結(jié)合試驗后車門拆解分析、門鎖結(jié)構(gòu)精細化建模和整車側(cè)面碰撞仿真模型試驗對標，找到了門鎖解鎖開啟的原因。據(jù)此提出了在車門外板上部增加一根加強板的優(yōu)化方案，后續(xù)優(yōu)化方案試驗驗證結(jié)果表明，門鎖周邊車門外板局部變形改善明顯，沒有出現(xiàn)車門解鎖開啟問題，方案有效。

1 問題描述

某車型在開發(fā)階段進行側(cè)面碰撞試驗后，在車外拉后側(cè)門窗框，發(fā)現(xiàn)車門處于自由開啟狀態(tài)，門鎖出現(xiàn)解鎖。后續(xù)通過高速錄像進一步證實，試驗車與移動壁障開始分離后，后側(cè)門出現(xiàn)開啟現(xiàn)象。

側(cè)面碰撞試驗過程中后側(cè)門出現(xiàn)開啟問題，后排乘員可能存在被甩出車外的危險。由于后側(cè)門沒有按設計狀態(tài)保持鎖止，后側(cè)門侵入對后排假人造成的損傷與設計狀態(tài)出現(xiàn)偏差，無法得出后排假人真實得分。必須解決后側(cè)門門鎖開啟問題，才能開展后續(xù)開發(fā)工作，評估假人傷害值是否滿足設計要求。

2 仿真對標和原因分析

2.1 研究內(nèi)容

試驗后側(cè)門外板對應門鎖外開拉桿區(qū)域，出現(xiàn)深V凹陷變形，同時外開把手與外開本體處于分離狀態(tài)，如圖1所示。通過拆車發(fā)現(xiàn)B柱、門檻、地板座椅后橫梁和前后門都出現(xiàn)較大的變形，后側(cè)門門鎖解鎖問題與車門外板局部變形過大有關，需要在整車仿真模型對標結(jié)果良好的前提下，后側(cè)門變形才能與試驗對標一致。

圖1 后側(cè)門變形

2.2 整車仿真對標

按照試驗前測量碰撞側(cè)前后輪眉通過輪心位置的高度，重新調(diào)整模型中移動壁障高度。根據(jù)實車中B柱、門檻出現(xiàn)焊點失效的位置設置焊點力失效，同時將B柱內(nèi)板上布置的加速度傳感器按試驗位置進行調(diào)整。由于B柱整體侵入量直接影響到后側(cè)門的變形，因此文中以B柱侵入量作為重要對標指標，對標結(jié)果見表1。對標結(jié)果表明整車仿真模型具有較高的精度，可以進行后續(xù)后側(cè)門解鎖問題優(yōu)化。

表1 B柱侵入量對標結(jié)果

2.3 門鎖系統(tǒng)精細化建模

在已經(jīng)對標好的整車模型基礎上，加入后側(cè)門門鎖系統(tǒng)精細化模型，通過計算機仿真進行解鎖問題分析。相對于車門整體尺寸來說，門鎖系統(tǒng)的零件尺寸小且數(shù)量多，同時存在較多運動關系復雜的運動副，特別是門鎖本體內(nèi)部零件。由于受整車模型計算時間步長限制，門鎖系統(tǒng)模型單元尺寸不能過小，在保證單元大小能夠準確模擬零件外形特性的前提下，對碰撞過程中不會變形的零件按照剛體處理，但是需要確保各個零件的質(zhì)量和質(zhì)心位置與實際一致。根據(jù)各個零部件之間的運動副關系，建立相應的鉸鏈連接，確保建立的門鎖系統(tǒng)有限元模型運動形式和實際的完全一致。為了準確模擬外開把手在實際側(cè)碰試驗中的運動和開啟受力情況，在外開把手與本體間加入與實際彈簧剛度一致地扭轉(zhuǎn)彈簧單元，模擬外開把手的開啟程度。整個門鎖系統(tǒng)有限元模型如圖2所示。

圖2 門鎖系統(tǒng)有限元模型

2.4 門鎖解鎖原因分析

在側(cè)碰模型中加入上面建立的門鎖系統(tǒng)精細化模型后，通過仿真計算分析，仿真模型中后側(cè)門的變形模式和試驗一致，外開把手與外開本體處于分離狀態(tài)，出現(xiàn)了開鎖動作，說明仿真模型的結(jié)果可信度高，如圖3所示。

圖3 后側(cè)門試驗與仿真變形對比

圖4為后側(cè)門外開把手區(qū)域變形局部分析圖，在側(cè)面碰撞過程中，后側(cè)門外板在外開把手下部區(qū)域發(fā)生了嚴重的凹陷變形。該凹陷變形使得外開把手區(qū)域出現(xiàn)繞著整車X軸方向的向下翻轉(zhuǎn)變形，被動向里凹陷移動，外開拉桿會被該向下翻轉(zhuǎn)變形帶動下移。當外開拉桿向下位移量達到門鎖解鎖行程時，就會發(fā)生解鎖現(xiàn)象。可以得出后側(cè)門解鎖原因是外開把手區(qū)域的翻轉(zhuǎn)變形過大，帶動外開拉桿下移達到解鎖行程從而導致了解鎖。

圖4 后側(cè)門外開把手局部區(qū)域變形

3 結(jié)構(gòu)優(yōu)化和試驗驗證

3.1 結(jié)構(gòu)優(yōu)化

通過上述分析得出的門鎖解鎖原因，只有減少碰撞過程中后側(cè)門外開把手區(qū)域的翻轉(zhuǎn)變形，改變深V凹陷變形模型才能解決該問題。結(jié)構(gòu)優(yōu)化的思路是加強后側(cè)門外開把手區(qū)域的局部剛度，可以通過增加加強板或者補強貼片等方式實現(xiàn)。綜合考慮成本、工藝等因素，最終選擇采用增加一根0.6 mm BLD抗凹橫梁的優(yōu)化方案，如圖5中黑色方框所示。

圖5 后側(cè)門結(jié)構(gòu)優(yōu)化

圖6為后側(cè)門外開把手區(qū)域優(yōu)化前后的仿真模型變形對比，可以看出優(yōu)化方案外開把手區(qū)域變形模式發(fā)生顯著變化，翻轉(zhuǎn)變形不明顯。此外，外開把手與外開本體沒有出現(xiàn)分離現(xiàn)象，表明外開拉桿的下移量為零，沒有出現(xiàn)解鎖的趨勢。

圖6 后側(cè)門結(jié)構(gòu)優(yōu)化前后變形對比

3.2 試驗驗證

根據(jù)后車門結(jié)構(gòu)改進設計后，重新進行實車側(cè)面碰撞試驗，試驗結(jié)果如圖7所示。可以看出后側(cè)門保持鎖止狀態(tài)，后側(cè)門整體變形模式和仿真一致，沒有出現(xiàn)解鎖現(xiàn)象，該車型后側(cè)門解鎖問題得以解決。優(yōu)化后的后側(cè)門外開把手區(qū)域變形模式和仿真分析一致，說明在側(cè)面碰撞仿真分析模型中加入門鎖系統(tǒng)精細化模型，可以有效提高仿真精度。不僅可以更準確地模擬車門整體的變形，而且能很好地預測是否存在車門開啟的風險。

圖7 后側(cè)門結(jié)構(gòu)優(yōu)化后試驗變形

4 結(jié)論

文中基于開發(fā)過程中側(cè)面碰撞試驗出現(xiàn)后側(cè)車門解鎖開啟問題，結(jié)合試驗分析與仿真對標，找到了后側(cè)車門解鎖開啟的原因，并提出了對應的結(jié)構(gòu)優(yōu)化方案，后續(xù)試驗驗證了優(yōu)化方案的有效性，得出以下結(jié)論：

(1)后側(cè)門外板外開把手區(qū)域結(jié)構(gòu)剛度偏弱，導致碰撞過程中外開把手翻轉(zhuǎn)凹陷過大，帶動外開拉桿下移達到解鎖行程，從而導致了解鎖。

(2)對于因后側(cè)門外板變形過大導致的解鎖問題，可以通過增加加強板等提高外開把手區(qū)域局部剛度的方法，改善門外板的變形，在設計階段規(guī)避掉此類問題。

(3)在側(cè)面碰撞仿真分析模型中加入門鎖系統(tǒng)精細化模型，有效提高仿真精度的同時，不僅可以更準確地模擬車門整體的變形，而且能很好地預測是否存在車門開啟的風險。