基于C-IASI白車身結構正面和側面碰撞分析與優化

熊輝 方軍 胡釗

摘 ?要：某款已經量產的SUV在前期設計開發過程中，未充分考慮C-IASI規程中車內乘員安全工況，不能滿足最新C-IASI工況設計目標。以本款SUV白車身為研究對象，建立有限元模型按C-IASI規程的驗證工況進行車內乘員安全的受力分析和試驗摸底。依據車身骨架結構的力學特性及分析結果進行骨架結構優化設計，最終經過有限元分析及實車驗證達到設計目標；通過有限元分析方法和方案優化，可以在數據設計階段有效改善車身安全性，大大縮短車身開發周期和成本。

關鍵詞：SUV；C-IASI；車身骨架優化設計；車內乘員安全

中圖分類號：U467.1 ? ? ?文獻標識碼：A ? ? ?文章編號：1005-2550（2023）04-0008-05

The BIW Structure Analysis and Optimization Based on C-IASI Frontal and Side Impact

XIONG Hui， FANG Jun， HU Zhao

（Chery Automobile Co.， Ltd， Wuhu 241000， China）

Abstract： In the early design and development process of a mass-produced SUV， the safety conditions of the members in the C-IASI regulations were not fully considered， which could not meet the latest C-IASI design goals. Taking the white body of this SUV as the research object， a finite element model was established to conduct force analysis and experimental investigation on the safety of members inside the vehicle according to the validation conditions of C-IASI regulations. Based on the mechanical characteristics and analysis results of the body skeleton structure， the optimization design of the skeleton structure is carried out， and the design goal is ultimately achieved through finite element analysis and actual vehicle verification; Through finite element analysis methods and scheme optimization， the safety of the vehicle body can be effectively improved during the data design phase， greatly shortening the development cycle and cost of the vehicle body.

Key Words： SUV; C-IASI; Optimization Design of Vehicle Body Framework; Safety of Members Inside the Vehicle

1 ? ?前言

據中國汽車工業協會發布的信息，自2009年來中國的汽車市場越來越大，其中汽車產量和銷量已經持續7年穩居世界第一，中國市場的汽車保有量達到了1.72億輛。汽車的設計、制造與開發、使用及相關保險服務都與國民的財產、人身安全、生活幸福及社會穩定息息相關。

由于汽車的速度越來越高，汽車事故造成的人員傷亡和財產損失也越來越大。目前主要的汽車市場國家都非常重視，國家標準及第三方機構對汽車碰撞安全性提出了各自的要求。世界各國安全機構都是以汽車碰撞試驗作為汽車安全的考評指標。

C-IASI是中國汽車工程研究院和中保研汽車技術研究院在中國保險行業協會指導下協同制定的中國保險汽車安全指數，其主要為消費者購車養車提供參考、為保險公司承擔理賠提供技術支撐、為整個企業優化產品設計提供輸入、為政府部分監督管理提供信息[1]。C-IASI經過兩年多的積極努力，圍繞人車交互的立體交通環境中車損、人傷等相關的各種因素，在對世界上主要汽車工業國家消費市場及汽車設計技術發展歷程的研討基礎上，經過大量的分析和理論調研及摸底試驗，成立了中國保險汽車安全指數體系。該體系包含：耐撞性與維修經濟性指數、車內乘員安全指數、車外行人安全指數和車輛輔助安全指數四個維度。這四個指數從汽車購買環節、使用產生的財產風險、使用產生的安全傷亡風險等以指數為表達形式，將汽車產品使用風險數字化和清晰化，從購買擁有到保險的各種維度客觀評價車輛的使用安全特征、經濟特性。

2 ? ?C-IASI試驗工況

C-IASI分別從車輛耐撞性、維修經濟性指數、車內乘員安全指數、車外行人安全指數、車輛輔助安全指數等四個方面對車輛進行測試評價。

其中車內乘員安全指數和白車身的結構設計開發息息相關。車內乘員安全指數整體評價涵蓋駕駛員側正面25%偏置碰撞、側面碰撞、車頂強度和座椅/頭枕四個工況，評價結果分為優秀、良好、一般和較差四個評級。評價等級依次用 G、 A、 M、 P 表示如表1所示：

2.1 ? 正面25%偏置碰撞試驗

汽車駕駛員側的正面25%偏置碰撞試驗在車輛以64.4km/h±1km/h的速度，車輛和壁障以25%±1%的重疊率車輛正面撞擊固定剛性壁障。試驗前在試驗車輛駕駛員位置上放置一個Hybrid III 50%假人，第二排撞擊側放置一個Hybrid III 5%女性假人。試驗假人用于測量碰撞過程中駕駛員、第二排乘員的損傷情況，同時采用高速攝像設備觀察假人的運動軌跡及和車輛的碰撞情況。駕駛員側正面 25%偏置碰撞的評價分為約束系統和假人運動、假人傷害、車輛結構三個方面[2]。本次主要研究的對象為車身結構的耐撞性，重點分析和解決車身結構在碰撞中的問題及解決方案，試驗如圖1所示。

2.2 ? 側面碰撞

側面碰撞試驗相對簡單，碰撞使用移動變形壁障（MDB）來撞擊車輛的駕駛員側，如圖2所示。在移動變形壁障的前端安裝IIHS碰撞塊。MDB移動和撞擊方向與試驗車輛的Y軸平行，與縱向中心平面垂直。具體MDB碰撞速度為50km/h± 1km/h，縱向中心線對準試驗車輛碰撞標識線。提前在試驗車輛的駕駛員位置、第二排左側座椅位置上分別放置一個SID-IIs型（D 版）假人，試驗中采用高速攝像設備觀察假人碰撞過程中頭部、身體的運動，并且通過假人的身體傳感器來測量和判斷駕駛員、第二排左側乘員的損傷情。側面碰撞的評價主要為假人傷害值、假人的碰撞運動姿態、車輛結構的變形情況三個方面[3]。

3 ? ?某款SUV白車身車內乘員安全指數評價

某款白車身由于設計開發較早，時間早于C- IASI發布的最早規程2017版。因此在設計開發中未全面考慮正面25%偏置碰撞及側面碰撞工況下車身的結構設計。面向新的市場需求及新的安全目標，本項目建立C-IASI-2022版3G1A的正向提升目標，白車身評價指標駕駛員側正面25% 偏置碰撞、側面碰撞按照2G進行設計優化和開發。

首先針對該款SUV白車身進行有限元建模，按照C-IASI試驗工況進行有限元分析和實車碰撞試驗摸底。其中關聯白車身的相關內容整體評價結果如下表2所示：

3.1 ? 正面25%偏置碰撞有限元分析

其中正面25%偏置碰撞的角度特殊，碰撞的傳遞路徑避開了車輛的防撞鋼梁和前縱梁，碰撞力直接接觸到輪胎然后傳遞到白車身A柱，A柱發生較大變形和焊點開裂，整個白車身的傳力結構會造成失去穩定性最終導致乘員艙的生存空間受到擠壓。碰撞有限元仿真分析結果如圖3所示：

從分析模型上提取的前艙各零件的侵入量繪制如上圖4所示的圖形，可以清晰的顯示哪些區域侵入量過大。本SUV車型主要在A柱下鉸鏈、左側擱腳板、左側足板、A柱上鉸鏈區域變形量較大，在后期的優化中先優化傳遞路徑，然后針對薄弱環節再進行結構加強。

3.2 ? 側面碰撞有限元分析

側面碰撞有限元分析后，通過變形后的車身評估檢查車身的側面框架保護免受MDB侵入乘員艙的程度，同時也會測量駕駛員、后排座椅中的假人傳感器收集的傷害程度。本次CAE模擬驗證B柱整體姿態穩定，和B柱、門檻的防撞結構起到相應的作用，其中B柱中間區域變形后生存空間96.4mm，此處需要繼續改善B柱及車門防撞橫梁的結構設計強度，如圖5和圖6所示：

4 ? ?某SUV白車身結構優化

針對25%偏置碰撞如上問題點，整體改善思路為防撞橫梁Y向寬度增加和延伸[4]、輪罩上加強梁加長延伸至前縱梁連接、A柱上邊梁增加加強板、門檻增加加強板、A柱豎板進行結構加強、A柱豎板增加支撐板、前縱梁和中縱梁進行加強連接。針對本SUV分析結果共提出6組改善方案，詳細見圖7所示，方案的詳細信息見表3所示。

如上方案改善后的偏置碰進行了有限元的分析，A柱下鉸鏈、左側擱腳板、左側足板、A柱上鉸鏈區域都得到了較大的改善，詳細如圖8所示：

針對側面碰撞的主要改善措施是增加側碰區域B柱強度改善耐撞性，針對B柱加強板上下分區設計，上段加強下段進行弱化，B柱加強板增加補丁板加強，詳細方案如圖9所示[5]。

以上方案改善之后進行了有限元分析，分析結果如圖10所示，B柱侵入量減少了42mm，側圍上、下支撐穩定，整個碰撞過程有效穩住了整個B柱傳力路徑及姿態，防撞結構起到了很好的防護作用。

如上結構優化后側面碰撞車身結構變形后滿足假人生存空間要求，G的目標要求≥137mm，車身具備G的條件。

如上方案全部體現后，開展了C-IASI實車方案試驗驗證，實施上述8個改善建議后， 重新進行25%偏置碰撞碰撞試驗及側碰試驗。新的碰撞結果得到G的評價如表4所示，試驗結果與仿真預測的結果幾乎完全一致，如圖11和圖12所示：

5 ? ?結論

C-IASI越來越受到國內的重視，25%小偏置碰撞和側碰是C-IASI的重要組成部分，尤其是先于C-IASI規程前開發的車型改善起來更為困難[6]。本論文通過對某SUV進行小偏置碰撞、側面碰撞的仿真分析， 采用優化碰撞路徑的策略，通過加強原有車身骨架結構實現C-IASI評分由原來的P和M改善為G等級。通過本次研究和實踐得到以下結論：（1）小偏置碰撞過程增加新的shotgun路徑，在碰撞過程中先吸能后穩定傳導碰撞力非常關鍵，A柱和門檻及地板下部接頭地方需要適當加強，改善A柱的抵抗碰撞的能力；（2）對于乘員的生存空間挑戰比較大的側面碰撞B柱的軟硬分區設計是關鍵，采用不同料厚和強度的鋼板實現B柱強度分區，碰撞中均勻減少車身側面的侵入量，保證駕駛艙的完整性。

參考文獻：

[1]C-IASI介紹[EB/OL]. http：//www.ciasi.org.cn/about.

[2]車內乘員安全指數-駕駛員側正面25%偏置碰撞試驗規程（2020 版 2022 年修訂）[EB/OL] . http：//www.ciasi.org.cn/ .

[3]車內乘員安全指數-側面碰撞試驗規程（2020 版）[EB/OL] . http：//www.ciasi.org.cn/.

[4]尹云鐳. 基于交通事故的車輛25%小偏置碰撞優化研究[D] .重慶大學碩士論文，2022-03-16.

[5]楊浪，戴尹安，唐燦，等.面向 C-IASI開發的汽車側面碰撞優化設計[J]. 汽車實用技術. 2021，46（59-65）.

[6]凡沙沙，黎謙等. 25%小偏置碰撞策略仿真及優化設計[J]. 汽車零部件. 2021，09（9-14）.