乘用車頂部抗壓仿真分析及結構優化*

曾慶超，張遷梓，吳 磊

（柳州鐵道職業技術學院，廣西 柳州 545616）

0 前言

高速行駛中的汽車如果突然急打轉向很容易出現車輛翻滾的交通事故，這種情況下，如果車輛沒有足夠強的頂部結構，就很有可能出現車頂坍塌現象從而危及乘員生命安全。為此原國家質量監督檢驗檢疫總局和國家標準化管理委員會聯合發布了國家強制性標準GB 26134—2010《乘用車頂部抗壓強度》，該標準對汽車頂部的結構強度進行了明確的規定：當按照標準的試驗要求對車頂施加向下載荷時，加載裝置下表面的移動量不應超過127 mm，同時載荷的大小要達到整車整備質量的1.5 倍，但不超過22 240 N。目前該標準的要求相對于其他國家或者行業標準更低，例如，美國等發達國家將該項頂部抗壓能力提升到了整車質量的3倍，國內的C-IASI中對于車頂強度采用分級評價的方式，頂部抗壓能力小于整車質量的2.5 倍，將評價為“較差”，只有達到4 倍才能獲得優秀[1]。據悉，國內的強制性標準也在計劃將頂部抗壓能力提升至整備質量的3 倍。所以從長遠市場出發，現有車型在設計中應該按照頂部抗壓能力達到整車質量的3倍要求進行開發。

根據乘用車的車身結構特點B 柱承擔了頂部抗壓試驗中的大部分載荷，但是由于布置和造型等因素的影響，乘用車B 柱一般設計成上小下大的拱形結構，如圖1 所示；該結構在頂部下壓載荷作用下，很容易出現B 柱上部折彎的情況，從而導致車身頂部抗壓能力下降。經檢索國內目前關于提高頂部抗壓能力的研究不多，尤其是在提倡輕量化車身的大環境下，如何在不顯著增加車身重量且滿足工藝要求的前提下有效地提高車身頂部抗壓性能，是困擾很多汽車工程師的難題。

圖1 某車型B柱外形輪廓

1 搭建有限元模型

1.1 試驗要求

根據標準GB 26134—2010《乘用車頂部抗壓強度》的試驗規定[2]：車輛剛性的固定在剛性地面上，關閉所有車窗，關閉并鎖死所有車門，按照如圖2 所示的定位加載裝置，使其縱軸前傾角為水平面向下5°（側視），并且縱軸平行于穿過車輛縱向中心線的垂直面，橫向外傾角為水平面向下25°（正視）。加載裝置下表面的縱向中心線穿過與車頂的接觸點或者接觸區域的中心，加載裝置下表面的前緣中點在車頂外表面最前點，再向前254 mm的橫向垂直平面不超過10 mm的范圍內。

圖2 試驗裝置定位

1.2 搭建有限元模型

根據上述試驗要求搭建有限元仿真計算模型[3-8]：為了提高計算效率，取消底盤、座椅、動力總成以及輪胎等非參與承載的部件，僅保留白車身與四門兩蓋結構。加載裝置采用一個1 829 mm*762 mm 的剛性板進行模擬并按照試驗要求進行擺放。在車身門檻梁位置進行剛性約束，具體有限元模型如圖3所示。

圖3 車身頂部強度分析有限元模型

2 結果分析

提取剛性加載板加載過程的最大接觸力并按照式（1）計算車身頂部承載系數對其車身頂部強度進行評價，本研究設定的車身頂部承載系數目標值大于3。

其中：ε 為車身頂部承載系數；F為剛性加載板最大接觸力，N；m為整車整備質量，kg；g為重力加速度，m/s2。

對基礎狀態下的計算結果進行分析得出剛性壓板的最大接觸力為43 300 N，而該車型設計整備質量為1 592 kg，因此車身頂部承載系數為2.77，未能達到設計目標值，進一步分析其變形模式，發現在B 柱上部安全帶固定點位置出現明顯的折彎變形，如圖4所示，導致車身頂部承載能力降低。

圖4 基礎狀態B 柱變形模式

3 結構優化

如圖5 所示，針對B 柱上部結構存在剛度不足的問題綜合考慮B 柱結構特點、安裝布置、工藝要求等因素，提出了兩個優化方案[9-10]：

圖5 B柱結構優化方案

1）將高調器加強板的焊接邊延伸至B 柱內、外板焊接邊處，同時將其料厚由1.0 mm提升至1.2 mm；

2）在高調器下部增加一個“幾”字形加強板，該加強板材料為590DP，料厚1.2 mm，該加強板跟隨B柱內板焊接與B 柱加強板保留5 mm 的間隙以避免車輛行駛過程結構碰撞產生異響。當車身頂部受載使B柱內板變形到一定之后，“幾”字板與B 柱加強板發生接觸傳力，從而能夠將載荷由結構相對薄弱的B 柱內板擴散至結構更強的B 柱加強板；避免由于B 柱內板強度不足導致該區域出現重大的折彎變形。

4 方案驗證

將上述優化方案帶入計算模型進行方案驗證，得出剛性壓板的最大接觸力為47 100 N，進而求出車身頂部承載系數為3.02，滿足設計要求，基礎狀態與優化方案的接觸力-位移曲線對比，如圖6 所示。

圖6 優化前后接觸力-位移曲線對比

5 結論

本文根據標準GB 26134—2010《乘用車頂部抗壓強度》的試驗要求，搭建了有限元仿真模型進行頂部抗壓強度計算，根據基礎狀態結果所反映的B 柱安全帶固定點區域剛度不足的問題進行結構優化，鑒于B 柱在該工況下受彎矩影響的特點[11-14]，設計了一個“幾”字形結構，該結構能夠有效地將局部載荷進行擴散，從而避免了B 柱因局部變形導致整體結構剛度不足的現象。優化結果表明，該方案在不顯著增加結構重量的前提下提高了車身頂部承載系數，使其滿足設計要求。