一種平臺化小偏置碰撞結構優化設計方法

劉衡 鄭顥 王玉超 李偉 范松

（廣州汽車集團股份有限公司汽車工程研究院，廣州 511434）

1 前言

美國公路安全保險協會（Insurance Institute for Highway Safety，IIHS）實施的小偏置碰撞（Small Overlap Barrier，SOB）是目前最嚴格的碰撞工況之一，美國相關機構事故調查結果顯示，前碰交通事故中約有25%的乘員死亡來自小偏置碰撞工況[1]。中國保險汽車安全指數（China Insurance Automotive Safety Index，C-IASI）引進了IIHS 的小偏置碰撞，C-IASI 2018 年度第二批車型測試結果顯示，在小偏置碰撞車輛結構評價方面，參與測試的11款車型中僅2款車型獲得“優秀”評價，有4款車型獲得“較差”評價。

目前，在針對小偏置碰撞的結構設計中，存在2 種主流思路，即以沃爾沃的上短梁環狀結構（Shotgun-Ring）技術為代表的位移導向策略和以本田高兼容性設計（Advanced Compatibility Engineering，ACE）技術為代表的前期吸能策略[2-3]。位移導向策略即將前保險杠兩端傾斜延長以提高碰撞載荷，或者/同時構造上短梁環狀結構以避免懸臂結構并產生側向載荷，增大側向滑動，使車輛整體側向滑出以減少乘員艙的侵入量。前期吸能策略將上短梁作為與前縱梁并行的載荷傳遞路徑，在早期即能產生較好的傳力吸能效果，可降低乘員艙的侵入量[4-6]。從車身結構設計角度，ACE 的車身前部結構實質也具有側向位移導向作用，上短梁環狀結構也含有增加機艙吸能的成分，二者相互包含，相互融合，其實質均是碰撞傳力匹配與吸能控制。

總結測試成績較差的車型，得到小偏置碰撞的主要特點是碰撞區域避開了前縱梁及副車架，能量通過上短梁、輪胎和懸架傳導到A 柱和門檻。在初始能量較大的情況下，若機艙吸能結構無法將壁障與乘員艙撞擊的能量降低到可承受的水平，就必須利用小偏置碰撞重疊率小的特點，設計“避能”結構，以保證乘員艙的完整性[7]。

本文通過碰撞區域劃分，利用某SUV 在各碰撞區域設計“避能”結構，設計正交試驗，建立高精度響應面模型，進行小偏置碰撞結構優化，并結合平臺化車身結構開發特征，提出一種平臺化小偏置碰撞結構優化設計方法，以實現平臺化車身結構的正向開發。

2 小偏置碰撞結構分析

本文以某SUV 為研究對象，利用LS-DYNA 分析程序模擬整車碰撞。該車質量為1.8 t，單元數量約為300萬個，網格最大尺寸為10 mm。機艙前部設計有3條縱向傳力通道：防撞梁-吸能盒-縱梁-前圍橫梁-乘員艙；上短梁-A 柱-乘員艙；副車架小縱梁-地板縱梁-乘員艙。上短梁、副車架分別與縱梁前部搭接，形成穩定的車輛前部傳力吸能結構。

50 km/h正面全寬剛性壁障碰撞實車試驗結果與仿真計算結果對比如圖1 所示。2 條曲線的趨勢基本相同，峰值出現時刻和誤差也均在可接受的范圍內，因此可基于該模型進行后續分析。

圖1 50 km/h正面全寬剛性壁障碰撞加速度曲線

本文根據IIHS 規定的小偏置碰撞壁障尺寸和形狀，建立了碰撞壁障模型：整車以64.4 km/h的速度撞擊剛性壁障，接觸面積約為車身寬度的25%。仿真結果如圖2所示，乘員艙變形嚴重，上A柱折彎明顯，下A柱侵入較大，門檻梁Y向變形嚴重。

圖2 小偏置碰撞仿真結果

機艙及乘員艙主要傳力結構的變形情況如圖3 所示。由圖3 可知：由于前縱梁及副車架的Y向外伸設計，前縱梁及副車架與壁障重疊，在碰撞中均產生了明顯變形；前防撞梁及前端吸能盒存在一定的壓潰變形；上短梁完全壓潰；機艙右側結構變形較小。從車身結構變形來看，前部機艙基本實現了上、中、下3條路徑參與傳力，主要吸能部件均參與了碰撞能量的吸收。下一步需優化機艙、乘員艙結構的傳力和吸能。

圖3 機艙及乘員艙主要傳力結構變形

3 小偏置碰撞結構優化

3.1 碰撞區域劃分

結合小偏置碰撞的特點及車身結構特征，將車身結構劃分為4個碰撞區域，分別對應3個縱向碰撞載荷F1、F2、F3和1個橫向碰撞載荷F4，如圖4所示。法蘭盤前部為碰撞區域1，主要包含防撞梁、吸能盒；法蘭盤后部的縱梁區域為碰撞區域2，主要包含縱梁、上短梁、輪罩等結構；縱梁后的部分為碰撞區域3，主要包含前圍橫梁、A 柱、乘員艙；整個機艙結構的橫向載荷定義為碰撞載荷F4。

圖4 碰撞區域劃分

以等效軸向力為參考量，以測量點侵入量臨界值作為目標值進行對比分析。在碰撞過程中，設某一部件吸能量Ei與總吸能量Eint的比值為αi，則該部件所傳遞的力也為機艙傳力F的αi倍，由此可得X方向上各部件等效軸向力公式為：

根據能量守恒定理，有：

式中，E為整車初始動能；m為整車質量；v0為初始速度；vx、vy分別為碰撞后整車X向、Y向殘余速度。

3.2 結構優化及正交試驗設計

結合前期研究的成果，設計了以上短梁環形吸能結構（Energy Absorbing Ring，EAR）為代表的碰撞傳力結構，如圖5所示。其主要特征是最大限度地實現了碰撞力的分散傳遞，具有良好的結構穩定性，且縱向、橫向剛度變化空間大，便于實現各碰撞區域的傳力調整。

圖5 碰撞傳力結構

為研究不同碰撞區域內的傳力吸能水平對車體侵入量的影響，采用以上碰撞傳力結構，針對4 個碰撞區域各設計了3種結構方案，以表征3種傳力水平，如表1所示。

表1 各碰撞區域的傳力水平

設計正交試驗表L9（34），如表2所示。

表2 正交試驗表

3.3 響應面模型

為研究車身優化方案對小偏置碰撞車體結構變形的改善效果，選取上、下鉸鏈柱侵入量C1、C2及門檻變形量C3作為優化目標。利用式（1）～式（2）計算出案例模型在各碰撞區域的等效軸向力，結果如表3所示。

表3 優化結果

為確定4 個碰撞區域的最佳等效軸向力分配，根據上述優化方案，以4 個碰撞區域等效軸向力為輸入（Xi=Fi），上、下鉸鏈柱及門檻測量點的變形為輸出，建立高精度的二階響應面近似模型，擬合的近似函數表達式分別為：

3.4 模型求解及分析

對近似模型進行多目標優化求解。結合法規，考慮仿真與試驗在變形上的差異，控制C1≤40 mm、C2≤100 mm、C3≤30 mm，目標在可行域范圍內越接近上限值，則該優化方案設計余量越少，認為其優化效率越高。利用NSGA-II多目標遺傳算法進行求解，得到連續的多目標優化Pareto 解，結合優化結果，選取其中最接近最優解的為案例3。同時可以觀察到，案例5 與目標值也較為接近，若適當增大機艙Y向剛度，也可達成優化目標。

優化后車體結構的變形結果如圖6 所示。從仿真結果看，優化后的前縱梁、副車架縱梁均充分變形吸能，鉸鏈柱前部潰縮吸能，鉸鏈柱后部保持穩定，保證了較小的鉸鏈柱侵入量及門檻變形量，且乘員艙整體完整性較好。

圖6 優化后車體結構變形情況

優化前、后各測點位置的靜態變形情況如圖7 所示，其中結構優化后測點侵入量減少最明顯的是上、下A柱鉸鏈、門檻和儀表板測點。通過對不同碰撞區域的傳力吸能匹配進行分析，可以認為車體結構成功優化至“優秀”的評價等級。

圖7 優化前、后車體結構侵入量對比

3.5 正面碰撞工況驗證

方案3對應50 km/h正面剛性壁障碰撞工況的仿真加速度如圖8所示。由于方案3不涉及對前防撞梁、吸能盒和前縱梁的修改，故其加速度波形與基礎方案走勢基本一致。優化方案主要針對上短梁、縱梁根部、地板結構進行了加強，提升了碰撞早期上短梁的傳力水平，使正面碰撞的一階加速度增大、二階加速度減小，對應的乘員載荷準則（Occupant Load Criterion，OLC）值由30.2g降至29.6g，由此可見，方案3的結構優化對正面碰撞性能改善有利，滿足目標要求。

圖8 正面剛性壁障碰撞工況加速度曲線

3.6 小偏置碰撞結構優化設計方法的平臺化拓展

根據平臺化車身結構開發特征，前縱梁、地板縱梁、門檻等大型下車體結構件通常設計為平臺件，上短梁、A 柱、上車體等部分一般設計為非平臺件，以最大程度實現不同車型（SUV、轎車、MPV）的車身部件共用，提升平臺化水平，同時又能通過非平臺件的設計兼顧不同車型的性能。

考慮與上述SUV 同平臺的MPV 車型，其整車質量與SUV相當，為1.8 t，其車體棱線更突出，上車體及上短梁彎曲弧度較SUV 大，且下A 柱X向尺寸較SUV 小，即碰撞區域3 的壓潰吸能減小。因此要求碰撞區域2、區域4產生更大的傳力、吸能量。

由于該MPV 與SUV 的整備質量相近，初始條件相當，故本文僅針對結構進行局部優化，使其滿足目標，最后提取優化后MPV車型各碰撞區域的等效傳力與結構變形結果，以驗證3.3節中的響應面模型。優化后的整車變形、主要傳力吸能結構變形如圖9、圖10所示。

圖9 優化后MPV整車結構變形

圖10 MPV主要傳力吸能結構變形

根據優化結果，獲得對應4個碰撞區域的等效力分別為F1=91.4 kN、F2=231.7 kN、F3=276.9 kN、F4=77.2 kN。利用等效力對響應面模型進行理論求解，理論值與仿真結果對比如表4所示。

表4 響應面模型理論值與仿真結果對比 mm

利用響應面模型獲得的理論值與仿真結果的誤差均小于11%，屬于可接受范圍。綜合以上分析，該響應面模型基本滿足要求。

3.7 優化設計方法及流程

通過前文設計的上短梁環形吸能結構、多叉形縱梁根部結構、地板環形結構、門檻棱邊加強及多腔體結構為代表的碰撞傳力結構，利用其剛度調節空間大的特征，可實現一定范圍內不同質量車型小偏置碰撞結構開發。

結合本文對某平臺SUV、MPV 車型的優化過程，總結得出一種以控制不同碰撞區域傳力吸能為實質的平臺化小偏置碰撞結構優化設計流程，如圖11所示。

圖11 平臺化小偏置碰撞結構優化設計流程

4 結束語

本文通過對某SUV 車型的碰撞區域進行劃分，設計了以環形吸能結構為代表的傳力吸能結構，以匹配不同碰撞區域的傳力吸能，設計正交試驗，并建立了二階響應面模型，得到了不同碰撞區域的傳力分布及吸能匹配優化方案，并進行了正面碰撞工況分析驗證。結合平臺化開發特征，針對上述SUV 同平臺的MPV 車型進行了結構改善，獲得了滿足目標要求仿真結果，利用響應面模型獲得的車體變形理論值與仿真結果誤差為11%，驗證了響應面模型的準確性。最后，總結形成了一種以控制不同碰撞區域傳力吸能為實質的平臺化小偏置碰撞結構優化設計方法及流程。