模型降階驅(qū)動車身零部件側(cè)面碰撞性能快速仿真驗證方法

主題詞：車身零部件側(cè)面碰撞 降階模型 耐撞性優(yōu)化 碰撞仿真

中圖分類號： U467.1⁺4 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A DOI：10.19620/j.cnki.1000-3703.20250561

ARapid Simulation Method for Crashworthinessof Body Partsunder SideImpacts Driven by Model Order Reduction

Zhai Mingyang，Cheng Chen， Tian Hongsheng，Xu Zhongwei，Mao Lizhong （BYDAuto Industry Company Limited，Shenzhen 518118）

【Abstract】Aiming at theproblemsof highcomputational costand loweficiency in the whole-vehiclecollision simulation，combiningthemodeldowgrading technologyandthebodypartsimulationstrategy，thispaperproposesanecient bodypart performance simulationand verificationmethod.Thekeycomponentsareplaced inthe body subsystem for crashworthinesssimulationverification，byplacingthebodyontherigidground，setingthecontactandfrictionfactors，and reproducing the motion atitudeof the whole vehicle toensure the simulation accuracy.Using shrinkageenvelope mesh to replace thenon-crash sideof thebodystructuresignificantlyreduces thenumberofcellmeshes，andachievesmodelorder reduetionandthecomputational eficiencyimprovement.Theresultsshow thatthesimulationeficiencyof thereduced-order modelhasbeeninereasedbyabout45times，whichenablestherapidverificationandoptimizationofthesimulationofkeybody parts while ensuring the simulation accuracy.

Key words：Body parts， Side impact，Reduced-order model， Crashworthiness optimization， rashsimulation

【引用格式】翟明洋，程晨，田洪生，等.模型降階驅(qū)動車身零部件側(cè)面碰撞性能快速仿真驗證方法[J].汽車技術(shù)，2025（10）：1-9. ZHAI MY，CHENG C，TIANHS，etal.ARapid Simulation MethodforCrashworthiness of BodyParts underSide Impacts DrivenbyModel OrderReduction[J].Automobile Technology，2025（1O）：1-9.

1前言

在車身側(cè)碰安全設(shè)計中，由于乘員艙側(cè)面允許侵入距離相對較短，側(cè)圍缺少有效的吸能結(jié)構(gòu)，導(dǎo)致車輛側(cè)碰事故對乘員造成較大傷害[1-3]。白車身質(zhì)量約占乘用車總質(zhì)量的 30% ，隨著新能源汽車整備質(zhì)量提高，車輛輕量化需求迫切[4-5]，兼顧輕量化和側(cè)碰耐撞性的車身結(jié)構(gòu)優(yōu)化成為汽車安全性設(shè)計的關(guān)鍵環(huán)節(jié)。

整車碰撞試驗成本高、周期長，難以獲取關(guān)鍵零部件的傳力吸能、變形過程及應(yīng)力分布等信息-8。在車身設(shè)計研發(fā)階段，相比傳統(tǒng)的碰撞試驗和零部件材料力學(xué)性能測試，有限元仿真能夠降低開發(fā)成本，實現(xiàn)結(jié)構(gòu)設(shè)計方案的快速驗證。結(jié)合有限元仿真技術(shù)與整車碰撞試驗，利用試驗數(shù)據(jù)對仿真模型參數(shù)進(jìn)行對比校核，可提升分析結(jié)果的可靠性[]。對于車身側(cè)圍零部件結(jié)構(gòu)的仿真驗證方法，Long等1采用整車碰撞仿真對B柱耐撞性進(jìn)行分析，Xing等通過軸向和側(cè)向靜態(tài)擠壓的方式分析零部件耐撞性能[12-13]。整車碰撞仿真雖然精度高，但建模工作量大，嚴(yán)重依賴計算資源；零部件靜態(tài)擠壓的計算效率高，但難以反映車身結(jié)構(gòu)在側(cè)面碰撞中的實際工況和受力邊界條件。車身子系統(tǒng)級別的仿真驗證常采用子結(jié)構(gòu)剖分方法[14，通過約束剖切面上的節(jié)點、位移等信息降低單元數(shù)量，但該方法未考慮結(jié)構(gòu)設(shè)計狀態(tài)變更對剖切面節(jié)點位移的影響。

現(xiàn)有研究集中于車身零部件的靜態(tài)擠壓試驗和整車碰撞仿真驗證，缺乏關(guān)鍵零部件總成的仿真驗證流程[5]。采用科學(xué)合理的仿真策略，還原車身或零部件在整車碰撞中的邊界條件和受力環(huán)境，可實現(xiàn)結(jié)構(gòu)方案的快速驗證。利用碰撞試驗結(jié)果對經(jīng)驗參數(shù)進(jìn)行精細(xì)標(biāo)定，可不斷提升零部件仿真的計算精度和泛化能力，從而將誤差控制在合理范圍內(nèi)[。因此，本文結(jié)合車身零部件仿真策略和模型降階技術(shù)，以整車運動姿態(tài)重現(xiàn)為基礎(chǔ)，將關(guān)鍵零部件置于車身子系統(tǒng)，根據(jù)關(guān)鍵零部件吸能等效原則計算可移動變形壁障（MovableDeformableBarrier，MDB）臺車配重以保證仿真精度。利用收縮包絡(luò)網(wǎng)格的配重和傳力作用，簡化替代非撞擊側(cè)車身結(jié)構(gòu)實現(xiàn)模型降階。通過轎車和SUV車型的整車側(cè)碰試驗數(shù)據(jù)、關(guān)鍵零部件失效模式及碰撞響應(yīng)曲線驗證本文方法的準(zhǔn)確性和有效性。

2車身零部件仿真開發(fā)難點及應(yīng)對策略

車身關(guān)鍵零部件仿真的基本原則是使關(guān)鍵零部件的受力變形和吸能特征與整車碰撞試驗的損傷過程保持一致，確保能夠快速、準(zhǔn)確地預(yù)測車身在整車碰撞試驗中的變形模式和碰撞響應(yīng)]。零部件側(cè)碰仿真方法的開發(fā)難點集中于以下方面：

a.整車復(fù)雜結(jié)構(gòu)的等效與簡化處理。根據(jù)側(cè)碰機(jī)理和傳力路徑（見圖1），識別主要傳力結(jié)構(gòu)件。在車身零部件模型中保留主要傳力結(jié)構(gòu)件，如B柱、車門、頂蓋橫梁和座椅橫梁等；非吸能結(jié)構(gòu)件采用質(zhì)量點簡化等效處理，如前艙總成、電池包和底盤；側(cè)碰影響較小的結(jié)構(gòu)可進(jìn)行刪減處理，如座椅、車身附件等。

b.零部件吸能量等效計算。在零部件仿真和整車碰撞試驗中，為了使車身吸能量相同，需對整個系統(tǒng)的總輸人能量進(jìn)行折減，即從輸入能量中減去除車身零部件結(jié)構(gòu)外吸收的能量[18]。

c.仿真精度。為了提高零部件仿真方法的普適性和可靠性，優(yōu)化鈑金件、車身連接的失效模型及材料卡片，同時分析整車運動姿態(tài)和關(guān)鍵承力構(gòu)件的加速度曲線及受力過程，按照試片級-總成級-整車級進(jìn)行對比校驗，確保仿真精度。在車身關(guān)鍵結(jié)構(gòu)零部件仿真中，應(yīng)特別關(guān)注邊界條件的對標(biāo)和等效處理，避免因過度簡化模型導(dǎo)致傳力結(jié)構(gòu)邊界條件的不一致。

d.計算效率提升。車身子系統(tǒng)與整車的碰撞仿真相似，均屬于大規(guī)模有限元計算，且嚴(yán)重依賴計算資源。而關(guān)鍵零部件仿真方法開發(fā)的目的在于降低有限元仿真驗證對高性能計算（HighPerformanceComputer，HPC）資源的依賴程度，使本地計算機(jī)實現(xiàn)快速驗證，最大限度地提高計算效率。

因此，本文創(chuàng)新性地提出將模型降階技術(shù)內(nèi)置于HyperMesh軟件，以期提高仿真計算效率。

圖1側(cè)碰中車身主要傳力路徑

3車身零部件側(cè)面碰撞仿真方法

3.1車身零部件側(cè)碰仿真簡化方法

3.1.1 整車運動姿態(tài)復(fù)現(xiàn)策略

車身零部件側(cè)碰仿真策略主要包括整車運動姿態(tài)重現(xiàn)、整車復(fù)雜結(jié)構(gòu)簡化、車身連接結(jié)構(gòu)失效建模、系統(tǒng)輸入能量折算等。目前，針對關(guān)鍵零部件的力學(xué)性能測試，常采用邊界條件近似假設(shè)方法，但其合理性和可靠性缺乏理論和實踐依據(jù)，導(dǎo)致子系統(tǒng)力學(xué)性能測試結(jié)果難以直接應(yīng)用于零部件在整車碰撞試驗中的性能評估。

對于現(xiàn)有B柱零部件總成力學(xué)性能測試方法，如圖2所示，由原始固定B柱上、下邊界或?qū)柱置于臺車并隨車運動，調(diào)整為使B柱上、下邊界自由旋轉(zhuǎn)，即釋放其X 向旋轉(zhuǎn)自由度，盡可能貼近B柱在整車碰撞試驗中的真實邊界條件；加載設(shè)備使用更貼合實際的蜂窩鋁替代剛性工裝，充分發(fā)揮零部件受力邊界條件對其變形和吸能行為的控制作用。

常用的B柱和車門防撞梁零部件總成仿真驗證方法如圖3所示。通過對零部件線性變形區(qū)域施加約束，使用臺車撞擊非線性變形區(qū)域，該方法同樣基于對零部件邊界條件的假設(shè)或近似，且蜂窩鋁板未接觸零部件區(qū)域的剛度無法傳遞至零部件，可能在耐撞性能評估中產(chǎn)生較大的誤差。

在側(cè)碰過程中，B柱隨整車Y向運動，且上、下端會出現(xiàn)一定程度旋轉(zhuǎn)。MDB先擠壓車門，車門再擠壓B柱，傳力至門檻、地板橫梁和天幕。在零部件碰撞試驗中，由于無法全面考慮B柱受力邊界條件，可憑借仿真建模的靈活性、低成本、可重復(fù)性等優(yōu)勢，盡量還原B柱在整車碰撞試驗中的受力過程。因此，在仿真試驗中需考慮車門對B柱的作用機(jī)制，以及B柱的復(fù)雜邊界條件和運動姿態(tài)。

為了最大限度還原車身關(guān)鍵結(jié)構(gòu)件在整車碰撞中的受力過程和變形響應(yīng)，車身零部件耐撞性的仿真驗證應(yīng)將零部件置于車身子系統(tǒng)，使其與整車碰撞試驗基本一致。對于仿真模型車身結(jié)構(gòu)（如B柱、車門防撞梁）的碰撞響應(yīng)，使其接近整車碰撞中的受力變形過程，實現(xiàn)對結(jié)構(gòu)失效模式和碰撞指標(biāo)（如侵入量、侵入速度）的準(zhǔn)確預(yù)測。重現(xiàn)車身運動姿態(tài)是模擬零部件在整車碰撞過程中受力變形和吸能的重要基礎(chǔ)，保持零部件仿真與整車側(cè)碰試驗的車身運動姿態(tài)一致，將采取以下措施：

a.仿真策略對標(biāo)整車碰撞試驗。將車身模型置于剛性平板，并設(shè)置接觸和摩擦因數(shù)，模擬車身Y向位移及摩擦耗能。其中，摩擦因數(shù)的取值可根據(jù)整車碰撞試驗的Y向位移曲線進(jìn)行反向求解，對標(biāo)試算車型與剛性平板間的摩擦因數(shù)為0.1。

b.模型簡化降階。對整車重點位置進(jìn)行精細(xì)化配重，包括前艙、假人、電池包等，以復(fù)現(xiàn)或預(yù)測整車運動姿態(tài)。不同類別車型在側(cè)碰中，常出現(xiàn)無明顯擺尾、明顯擺尾和輕微擺尾3種情況，即車身后部Y向位移大于前部，如圖4所示。通過精細(xì)化配重，能夠保證零部件仿真中的車身運動姿態(tài)與整車碰撞試驗中基本一致，這是準(zhǔn)確預(yù)測關(guān)鍵結(jié)構(gòu)件失效模式和碰撞響應(yīng)的前提條件。

本文提出的車身子系統(tǒng)側(cè)碰仿真策略能夠最大限度地還原整車碰撞過程中的運動姿態(tài)，為B柱和車門防撞梁零部件的碰撞邊界條件提供最真實的受力環(huán)境。經(jīng)過多個車型的應(yīng)用反饋，相較于現(xiàn)有方法，如約束門檻下部節(jié)點自由度、沿 X 軸截取一半車身單元并約束截面上所有節(jié)點的Y向自由度等方法，更貼近整車試驗中的車身結(jié)構(gòu)受力和加速度響應(yīng)。

圖3B柱和防撞梁零部件總成仿真驗證方法

（a）無明顯擺尾（車型A）

圖4側(cè)面碰撞3種整車運動姿態(tài)

3.1.2結(jié)構(gòu)簡化策略及車身連接失效仿真

根據(jù)圖3的側(cè)碰車身傳力路徑，簡化整車模型，保留白車身主要傳力路徑的結(jié)構(gòu)件，以及撞擊側(cè)前、后車門，采用質(zhì)量點配重方式簡化對碰撞響應(yīng)影響較小的總成，如前艙、電池包和座椅假人等，其他質(zhì)量配重在整車質(zhì)心。

針對部分SUV和MPV車型門檻參與傳力吸能的情況，電池包可簡化為剛性箱體結(jié)構(gòu)并與門檻相連，同時考慮電池包的Y向傳力、頂蓋或天幕等對上車身的Y向傳力，并采用剛性薄壁單元。

車身碰撞關(guān)鍵失效區(qū)域的焊點應(yīng)考慮母材熱影響區(qū)力學(xué)性能軟化對其力學(xué)性能的影響，即熱影響區(qū)的失效仿真。為了保證仿真的可靠性，采用實體單元焊點疊加熱影響區(qū)的焊點失效模型，見圖 5a 。母材和熱影響區(qū)單元均使用MAT24材料卡片，采用失效應(yīng)變控制熱影響區(qū)的失效模式[]。通過試片級的試驗數(shù)據(jù)標(biāo)定材料卡片失效參數(shù)，建立不同材料、厚度的母材熱影響區(qū)的材料卡片數(shù)據(jù)庫，在車身零部件側(cè)碰仿真中直接調(diào)用。

3.1.3輸入能量折算

由于車身零部件仿真中僅保留主要的吸能結(jié)構(gòu)件，為使車身結(jié)構(gòu)受力、吸能量等與整車試驗相同，采用能量等效原則對零部件仿真模型的臺車配重進(jìn)行折減，而臺車的初速度保持不變。

由白車身側(cè)碰和計算機(jī)輔助工程（ComputerAidedEngineering，CAE）整車碰撞的仿真結(jié)果可知，覆蓋件和附件吸能量約占整車吸能量的 15% ，白車身吸能量占比約為 85% 。根據(jù)側(cè)碰理論[]，使用整車碰撞試驗和仿真的經(jīng)驗參數(shù)編制程序。輸人整車側(cè)碰物理試驗的測試車試驗質(zhì)量、臺車質(zhì)量和臺車初速度，即可自動獲取車身零部件仿真折算后的臺車配重。在零部件仿真模型中，僅需修改臺車配重即可完成建模，該方法邏輯嚴(yán)密、操作簡單、實用性強(qiáng)，已廣泛應(yīng)用于各車型的項自開發(fā)。

圖5焊點和焊縫失效仿真模型

3.2基于收縮包絡(luò)技術(shù)的車身子系統(tǒng)模型降階

對于工程問題的高效仿真分析和優(yōu)化，常采用模型降階技術(shù)，旨在減少高保真模型的系統(tǒng)維度。基于原始系統(tǒng)分析和數(shù)學(xué)處理，構(gòu)建表征系統(tǒng)行為的關(guān)鍵變量和方程，從而實現(xiàn)降維。通過刪除原始模型中的高階特性或細(xì)節(jié)，只保留關(guān)鍵的低階特性，構(gòu)建一個簡化模型。相較于基于數(shù)據(jù)驅(qū)動的代理模型，模型降階可替代原始模型，助力基于物理模型驅(qū)動的快速驗證和優(yōu)化，使該方法更具可解釋性和普適性。

針對汽車碰撞仿真和多領(lǐng)域優(yōu)化問題的高維數(shù)學(xué)求解問題，降階模型能夠在保證精度要求的同時，顯著減少計算量和計算時間，提升計算效率。本文采用收縮包絡(luò)技術(shù)，實現(xiàn)車身零部件的一次模型降階。鑒于非撞擊側(cè)結(jié)構(gòu)在側(cè)碰中僅發(fā)生彈性變形，僅為撞擊側(cè)結(jié)構(gòu)提供受力環(huán)境，所以僅需合理配重，無需精細(xì)建模表征。因此，該類結(jié)構(gòu)可簡化為收縮包絡(luò)網(wǎng)格，從而降低單元網(wǎng)格數(shù)量，實現(xiàn)原始模型的降階模型（ReducedOrderModel，ROM）的構(gòu)建，如圖6所示。

模型降階后，車身子系統(tǒng)模型單元總數(shù)由244.5萬個降至151.1萬個，減少了 38.2% ；在48核HPC平臺的計算時間由 3.2h 降至 1.95h ，計算效率提升了 39.1% ，相較于整車碰撞仿真效率提升約50倍。

為了驗證收縮包絡(luò)網(wǎng)格的模型降階技術(shù)可行性，對比分析某車型的車身子系統(tǒng)原始模型和降階模型，結(jié)果如圖7所示。降階模型所得B柱失效模式和臺車加速度曲線與整車碰撞試驗和原始模型所得結(jié)果基本一致，說明采用收縮包絡(luò)網(wǎng)格簡化處理非撞擊側(cè)網(wǎng)格后，未對仿真結(jié)果造成明顯影響，充分驗證了該技術(shù)的準(zhǔn)確性和可行性。

3.3基于模型降階技術(shù)的車身零部件仿真方法

車身子系統(tǒng)仿真精度和效率是保證車身零部件快速仿真驗證的前提，可利用收縮包絡(luò)網(wǎng)格技術(shù)提升車身子系統(tǒng)仿真效率的可行性及優(yōu)勢。然而，車身子系統(tǒng)模型中仍包含大量結(jié)構(gòu)件，基于本地資源的仿真計算仍需9～10h ，在一定程度上限制了車身零部件的仿真驗證。

進(jìn)一步簡化圖6的車身子系統(tǒng)仿真模型，實現(xiàn)關(guān)鍵零部件（B柱和車門防撞梁）的快速驗證，分別采取以下3種仿真策略，如圖8所示，各降階模型提交48核HPC仿真計算時間分別為 1h，1.1h，1.3h

a.策略1：臺車撞擊B柱。

b.策略2：臺車撞擊B柱和車門防撞梁。

c.策略3：臺車撞擊B柱和車門總成組成的側(cè)圍。

圖6車身子系統(tǒng)降階模型

圖83種仿真策略的數(shù)值模型

本文提出的車身子系統(tǒng)仿真模型降階方法適用于配重簡化和HyperMesh內(nèi)置的收縮包絡(luò)命令，操作簡單且無需借助二次開發(fā)腳本，即可提升碰撞仿真效率。在人工智能（Artificial Intelligence，AI）賦能CAE研發(fā)中，可為AI模型提供大量可靠的訓(xùn)練數(shù)據(jù)。

圖7B柱內(nèi)板失效模式對比驗證

3種仿真策略所得B柱失效模式及侵入量如圖9所示，雖然所有策略均可復(fù)現(xiàn)B柱熱成型內(nèi)板安裝孔周圍熱影響區(qū)的失效貫通模式，但策略1的B柱彎曲變形較小，導(dǎo)致侵入量較小，與整車碰撞試驗的B柱變形輪廓相差較大。導(dǎo)致該現(xiàn)象的原因是蜂窩鋁與車身接觸面積僅為B柱寬度，大部分蜂窩鋁未發(fā)生塑性變形，即蜂窩鋁與B柱未接觸區(qū)域的剛度在碰撞中沒有發(fā)揮作用，故B柱吸能較少。該情況與B柱在整車碰撞試驗的受力邊界條件明顯不符，所以可排除策略1。同理，在側(cè)碰過程中，蜂窩鋁先擠壓車門總成，沖擊力主要通過車門防撞梁傳遞至B柱，再由B柱傳遞至門檻和頂蓋縱梁。因此，在理論上，策略2和策略3更貼近B柱的實際受力環(huán)境。

3種仿真策略的B柱受力過程曲線如圖10所示，策略1的受力峰值明顯低于其他策略。在策略2和策略3中，B柱的受力峰值和整體變化趨勢更接近，且在失效模式和侵入量均與整車試驗一致。

圖93種仿真策略的B柱失效模式和侵入量結(jié)果

圖10B柱受力曲線對比

因此，車身關(guān)鍵零部件仿真可采用策略2或策略3，相比整車碰撞仿真和車身子系統(tǒng)的原始模型，計算效率分別提升45倍和5.5倍。其中，策略2能夠在保證仿真精度的同時最大限度提升仿真效率，本地資源10核計算時間約為 ^4h ，提交48核HPC計算時間約為 1.1h ，本文的模型降階方法令基于本地資源的車身零部件仿真驗證成為可能。

3.4車身子系統(tǒng)側(cè)碰仿真評價指標(biāo)

車身子系統(tǒng)側(cè)碰仿真的主要目的在于快速驗證結(jié)構(gòu)設(shè)計方案，利用整車側(cè)碰試驗結(jié)果評估仿真結(jié)果，全方位對標(biāo)車身子系統(tǒng)與整車碰撞試驗。評價指標(biāo)涵蓋車身整體運動姿態(tài)、關(guān)鍵結(jié)構(gòu)件和連接結(jié)構(gòu)的失效模式、碰撞響應(yīng)指標(biāo)數(shù)據(jù)，應(yīng)重點關(guān)注：

a.整車運動姿態(tài) L 向離地姿態(tài)和Y向運動姿態(tài)（如Y向位移-時間曲線、擺尾程度等）。

b.焊點、焊縫的失效模式，以及關(guān)鍵結(jié)構(gòu)件（如B柱）。c.整車加速度曲線、MDB臺車加速度曲線，包括曲線峰值和變化趨勢。d.撞擊側(cè)B柱、前門和后門的侵入量和侵入速度。

4整車碰撞試驗驗證與工程應(yīng)用

4.1B柱零部件仿真與試驗對標(biāo)驗證

采用某D級轎車側(cè)面碰撞試驗結(jié)果，對本文降階模型仿真方法進(jìn)行驗證。整車碰撞試驗嚴(yán)格按照中保研標(biāo)準(zhǔn)要求[19]，令配重為1.65t的臺車以 50km/h 的速度撞擊靜止的整車側(cè)圍，其間，使用加速度傳感器收集整車碰撞響應(yīng)數(shù)據(jù)，并根據(jù)高速攝像機(jī)監(jiān)控視頻分析試驗過程。

建立車身子系統(tǒng)仿真原始模型（見圖11a），將B柱驗證置于車身，重現(xiàn)整車碰撞運動姿態(tài)，保留車門防撞梁對蜂窩鋁和B柱變形的影響，模擬B柱在整車碰撞中的復(fù)雜力學(xué)行為和動態(tài)邊界條件。車身零部件仿真結(jié)果與整車碰撞試驗結(jié)果如圖11所示。車身零部件仿真方法能夠較好地模擬壁障接觸車身初期的撞擊側(cè)離地現(xiàn)象，一次降階模型仿真結(jié)果與整車試驗結(jié)果一致。車身零部件仿真大幅降低建模工作量，采用48核HPC計算時間為 1.95h ，相較于整車碰撞仿真，計算效率提高約25.6倍。

車身零部件降階模型所得B柱失效模式和侵入量對標(biāo)驗證結(jié)果如圖12所示，B柱在失效模式和變形輪廓方面均與整車碰撞試驗一致，初步驗證了車身零部件降階模型方法的有效性。

對標(biāo)車身子系統(tǒng)的原始模型和整車碰撞試驗，車身零部件降解模型的MDB加速曲線結(jié)果如圖13所示。三者加速度峰值均為 20g ，且變化趨勢基本一致，再次驗證了本文方法的準(zhǔn)確性。但在實際中，非撞擊側(cè)身結(jié)構(gòu)可能存在少量的塑性變形和吸能，本文的收縮包網(wǎng)格采用彈性本構(gòu)，無法完全表征上述塑性力學(xué)行為，因而在精度上存在較小的誤差，后續(xù)將嘗試采用塑性本構(gòu)描述收縮包網(wǎng)格，提高計算精度。

4.2車門防撞梁零部件仿真與試驗對標(biāo)驗證

為了進(jìn)一步驗證本文方法的準(zhǔn)確性及普適性，將該方法應(yīng)用于其他SUV車型項目，觀察車門防撞梁變形及受力的預(yù)測效果。采用模型降階方法對車身子系統(tǒng)原始模型進(jìn)行簡化處理，使用收縮包絡(luò)網(wǎng)格替代非撞擊側(cè)結(jié)構(gòu)單元，建立車身子系統(tǒng)降階模型。再將車身撞擊側(cè)的側(cè)圍簡化為B柱和車門防撞梁及其安裝結(jié)構(gòu)，建立車身零部件降階模型，如圖14所示。其中，車身零部件降階模型仿真計算時間約為 1.2h ，相較于整車碰撞模型和車身子系統(tǒng)原始模型，仿真效率分別提升了約45倍和5.5倍，仿真效率得到顯著提升。

（a）B柱失效模式對標(biāo)

圖12車身零部件降階模型B柱失效模式和侵入量對標(biāo)

圖13車身零部件降階模型所得MDB加速度曲線對標(biāo)驗證

圖11車身子系統(tǒng)仿真結(jié)果與整車碰撞試驗對標(biāo)

圖14車身零部件仿真模型降階過程

分別從車身運動姿態(tài)（Y向位移曲線對標(biāo)）車門防撞梁變形模型、MDB加速度曲線和B柱受力曲線4個維度分析車身零部件降階模型，結(jié)果如圖15～圖17所示。

圖15車身零部件降階模型車身運動姿態(tài)對標(biāo)

圖16車身零部件降階模型零部件變形模式對標(biāo)

（b）車身零部件降階模型

圖17車身零部件降階模型所得MDB加速度曲線對標(biāo)

由圖16可知，兩個模型仿真計算的Y向位移曲線基本重合，誤差約為 5% ，在可接受范圍內(nèi)。產(chǎn)生較小誤差的原因在于，車身零部件降階模型忽略了車門外板、側(cè)圍外板等非主要承力結(jié)構(gòu)件的影響，導(dǎo)致側(cè)圍受力和吸能存在較小的差異。側(cè)圍變形模型和侵人量基本一致，車頂強(qiáng)度性能達(dá)標(biāo)，未出現(xiàn)折彎或失效情況，進(jìn)一步說明了降階模型的準(zhǔn)確性和可靠性。

圖17中，前、后門防撞梁的變形模式基本一致，且MDB加速度曲線和B柱受力曲線的峰值相對誤差小于2% ，說明車身零部件降階模型具有準(zhǔn)確性和有效性。由于車身零部件降階模型僅關(guān)注側(cè)圍主要結(jié)構(gòu)件的變形失效行為，精減了側(cè)圍外板和車門外板等零部件，導(dǎo)致第0.04s后整車重心坐標(biāo)與車身子系統(tǒng)模型存在極小誤差，但整體變化趨勢呈現(xiàn)較好的一致性，再次證明了本文所提方法及降階模型的準(zhǔn)確性。

5結(jié)束語

車身零部件側(cè)碰仿真快速驗證和優(yōu)化對于車身安全性能開發(fā)、縮短研發(fā)周期具有重要意義。本文結(jié)合車身零部件仿真策略和模型降階技術(shù)，提出兼顧精度和效率的車身零部件側(cè)碰耐撞性快速仿真驗證與優(yōu)化方法，并使用兩款車型對B柱和車門防撞梁進(jìn)行驗證，在保證仿真精度的同時，大幅降低了計算成本，提高了計算效率，為車身零部件快速驗證與設(shè)計參數(shù)優(yōu)化提供了支撐。

未來將基于該技術(shù)，利用本征正交分解、梁殼單元混合等簡化策略進(jìn)一步降低有限元求解維度，實現(xiàn)車身產(chǎn)品設(shè)計方案的本地快速驗證和優(yōu)化迭代。

參考文獻(xiàn)

[1]李聲元，劉宇飛，劉彩娟，等.基于LS-DYNA的某車型轎 車正面 25% 偏置碰撞仿真研究[J].汽車實用技術(shù)，2025， 50（2）：77-84. LISY，LIUYF，LIUCJ，etal.ResearchonFrontal 25% Offset Collision Simulation ofaCarBased onLS-DYNA[J]. AutomobileApplied Technology，2025，50（2）：77-84.

[2]崔東，曹樹謙，楊昊，等.預(yù)碰撞制動乘員響應(yīng)及側(cè)碰工況 離位乘員損傷分析[J].汽車工程學(xué)報，2025，15（3）：297- 305. CUID，CAOSQ，YANGH，etal.OccupantKinematics DuringPre-Crash Braking and Injury Analysisof Out-ofPosition Occupants in Side Impacts[J].Chinese Journal of Automotive Engineering，2025，15（3）：297-305.

[3]唐洪斌，張君媛，王士彬，等.基于最優(yōu)碰撞波形的某電動 汽車前端結(jié)構(gòu)碰撞性能改進(jìn)[J].汽車技術(shù)，2024（6）：32- 36. TANG H B， ZHANG J Y， WANG S B， et al. Improving on Collision Performance of an Electric Vehicle Frontal Structure Based on the Optimal Collision Waveform[J]. Automobile Technology，2024（6）： 32-36.

[4] CZECHC，LESJAKM，BACHC，etal.Data-Driven Models for Crashworthiness Optimisation：Intrusive and NonIntrusive Model Order Reduction Techniques[J]. Structural and Multidisciplinary Optimization，2022，65（7）： 1-15.

[5] PRABHAHARAN S A， BALAJI G， ANNAMALAI K， et al. Robust Design Assessment of Automotive Crash Box Structures through Model Order Reduction[J].International Journal of Crashworthiness，2022，28（2）：256-269.

[6]RAN H L，HUANG HL，DENG X L.Crashworthiness of Double-Gradient Hierarchical Multi-Cell Hexagonal Tubes under Multi-Load Impacts[J]. Archives of Civiland Mechanical Engineering，2025，25（1）.

[7]BHUTADA S，SONJE S，GOEL M D. Multi-Objective Optimization ofFoam-Filled TubestoEnhancethe Crashworthiness Characteristics under Impact Loading[J]. Journal of the Brazilian Society of Mechanical Sciences and Engineering，2023，45（9）.

[8] WIELENS S，CIA L B， SCHUMACHER A. Using Automatically Generated Submodels in Vehicle Body Crash Optimization[J]. International Journal of Crashworthiness， 2023，28（4）： 560-573.

[9] VHUTADA S，GOEL M D. Progressive Axial Crushing Behaviour of Al6O61-T6 Alloy Tubes with Geometrical ModificationsunderImpactLoading[J]. Thin-Walled Structures，2023，182.

[10] WANGPZ，QINDC，WANGTT，et al.Multi-Objective Optimization of a GPAF-BM for Heat Dissipation and CrashworthinessBased onan NHSMFApproximate Model[J]. Structural and Multidisciplinary Optimization， 2024， 67（12）： 1-21.

[11] LONG F X， STEIN N V， FRENZEL M， et al. SurrogateBasedAutomated Hyperparameter Optimizationfor Expensive Automotive Crashworthiness Optimization[J]. Structural and Multidisciplinary Optimization，2025，68（4）： 1-19.

[12] XING S H， JIANG Z Y， ZHAO J， et al. Failure Mechanism and Crashworthiness Optimization of Variable Stiffness NestedOrigamiCrash Box[J]. EngineeringFailure Analysis，2025，167.

[13] ZENG HH，SHI W H，LVH，et al.Crashworthiness Analysisand Optimization of a Novel “Cake-Cutting” Multi-Cell Tube[J]. Thin-Walled structures，2023，192.

[14] KOLOUSHANI M， FOROUZAN MR，NIROOMAND MR. Multi-Objective Optimization of the Design Parameters in Longitudinal Corrugated Tubes to Improve Crashworthiness Performance[J].Aerospace Science and Technology，2024， 155.

[15]YAO SG，ZHOU YL，XING J，et al.A Crashworthiness Optimization Method of Subway Underframe Structures Based on the Differential Evolution of the Weighted Graph Representation[J]. Structural and Multidisciplinary Optimization，2024，67（4）.

[16]WANG S G，ANW G.Crashworthiness Optimization Method with Desired Energy Absorption Historyfor Thin-WalledAircraftStructures[J].Structuraland Multidisciplinary Optimization，2025，68（6）.

[17] GAO D W，LI Q，LIU Z，et al.An Active Learning Approach for Multi-Objective Optimization andIts Application to the Crashworthiness Design of Thin-Walled Structures[J]. Optimization and Engineering，2024，25（2）： 699-730.

[18]LI D M，ZHANG X，QIN R X，et al.Crashworthiness Analysis snd Uncertainty Optimization of Novel MultiWall Tube[J]. International Journal of Crashworthiness， 2024，29（1）： 151-162.

[19]中國保險汽車安全指數(shù).中國保險汽車安全指數(shù)測試評 價規(guī)程[EB/OL]. （2024-11-14）[2025-08-21]. http：//www. ciasi.org.cn/news/show-111.html. China Insurance Automotive Safety Index.China Insurance AutomobileSafetyIndexTestand Evaluation Procedure[EB/OL]. （2024-11-14） [2025-08-21]. http：/ www.ciasi.org.cn/news/show-111.html.

（責(zé)任編輯瑞秋）

修改稿收到日期為2025年8月21日。