宋名洋 蔡堅(jiān)勇

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某轎車側(cè)面碰撞仿真及優(yōu)化設(shè)計(jì)

宋名洋 蔡堅(jiān)勇

東南(福建)汽車工業(yè)有限公司研發(fā)中心

本文基于實(shí)際車型，建立整車碰撞仿真模型，結(jié)合LS-DYNA對該車進(jìn)行側(cè)面碰撞仿真，確認(rèn)側(cè)結(jié)構(gòu)的變形形態(tài)及侵入量，結(jié)合試驗(yàn)對車輛側(cè)面結(jié)構(gòu)進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)。

汽車；車身；側(cè)面碰撞；LS-DYNA；安全性

隨著消費(fèi)者對車輛安全性意識的提升，以及國家對車輛被動安全性能要求加強(qiáng)；針對目前該轎車車型側(cè)面結(jié)構(gòu)保護(hù)性欠佳、車身結(jié)構(gòu)強(qiáng)度不足的問題，通過虛擬樣機(jī)仿真分析方式進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)，提升該車側(cè)結(jié)構(gòu)的強(qiáng)度，以期望在C-NCAP中國新車安全性評價(jià)中取得更好成績，為消費(fèi)者提供更優(yōu)良的保護(hù)。

1 整車建模

1.1 建模依據(jù)

依照C-NCAP的試驗(yàn)要求進(jìn)行仿真建模（如圖1），同時，通過對模擬結(jié)果進(jìn)行分析，找出整車結(jié)構(gòu)中存在的問題，為改善整車碰撞特性的結(jié)構(gòu)優(yōu)化提供依據(jù)。

圖1 C-NCAP側(cè)面碰撞試驗(yàn)圖示

1.2 整車建模

在整車碰撞仿真分析中，為盡量確保與試驗(yàn)結(jié)果的可對比性及可用性，需按實(shí)際材料特性、密度、質(zhì)量、接觸、邊界條件、初始條件和控制參數(shù)設(shè)置，通過準(zhǔn)確的數(shù)學(xué)模型來還原真實(shí)的實(shí)車碰撞。

一般來說，SHEEL單元中三角形單元數(shù)量超過10%會影響分析的精度，從表1可以看出，有限元模型中三角形單元的數(shù)量占?xì)卧倲?shù)的4.94%，未超過10%的限值。

表1 SHEEL單元數(shù)量表

1.3 有限元模型示意（如圖2、3、4）

圖2 白車身有限元模型

圖3 側(cè)碰小車有限元模型

圖4 側(cè)結(jié)構(gòu)侵入量考察點(diǎn)示意

2 分析方案描述

CAE的目的就是通過仿真分析的方法，快速對設(shè)計(jì)進(jìn)行輔助和指導(dǎo)。因此，本文提取了7次典型的方案來進(jìn)行說明，如表2。

表2 典型方案

3 碰撞試驗(yàn)結(jié)果和CAE分析對比

3.1 B柱侵入量比較

通過hyperview軟件，讀出計(jì)算結(jié)果文件，并提取各曲線的最大（動態(tài)）值作B柱侵入量的考察。侵入量的比較如表3，其中“改善度”為相對方案1的變化百分比。

表3 侵入量的比較

3.2 試驗(yàn)車與CAE仿真模型變形模式對比

CAE的仿真分析與實(shí)際試驗(yàn)密不可分，在分析過程中對比試驗(yàn)結(jié)果是CAE工作必不可少的一部分；因此，為能確保各方案的分析結(jié)果能作為有效的參考數(shù)據(jù)，故對CAE模型和整車試驗(yàn)的變形模式進(jìn)行對比，從圖5的對比可知，整個變形模型基本一致，CAE分析結(jié)果可作為設(shè)計(jì)參考。

圖5 試驗(yàn)車與CAE仿真模型變形模式示意

通過上述的分析對比可知，若僅改善門檻梁強(qiáng)度，對側(cè)結(jié)構(gòu)侵入量并沒有很好的改善；若僅改變前門第2根防撞鋼梁（前門下端）材質(zhì)對B柱侵入量影響亦很小，甚至?xí)斐葿柱上方侵入量更加嚴(yán)重；故最終采用方案6來進(jìn)行設(shè)計(jì)改善并試作。

通過試驗(yàn)，也驗(yàn)證了本次仿真的改善方向有效、可用。

4 結(jié)束語

當(dāng)汽車發(fā)生側(cè)面碰撞時，碰撞緩沖區(qū)較小，變形空間也較小，而被撞部分與乘員之間距離較近，對乘員傷害比其他碰撞類型更嚴(yán)重。因此，增強(qiáng)側(cè)面碰撞性能就顯得尤為重要．

依據(jù)本文仿真可知，要改進(jìn)側(cè)面碰撞性能，就要加強(qiáng)側(cè)結(jié)構(gòu)加強(qiáng)板的強(qiáng)度和剛度，并對內(nèi)腔結(jié)構(gòu)進(jìn)行適當(dāng)?shù)难a(bǔ)強(qiáng)，使能量有效地傳遞給具有保護(hù)和吸能作用的梁、柱、底板和車頂?shù)炔考?，使碰撞能量被分散吸收，最大限度地把可能造成的損害降低到最小程度。

在提升車身側(cè)面碰撞性能方面，可以從以下方向進(jìn)行改善：

（1）增加車門強(qiáng)度和剛度。方法有增加鈑厚和增加車門防撞鋼梁兩種。增加鈑厚固然會在一定程度上改善汽車的碰撞性能，但是鈑厚的增加會提高整車的質(zhì)量，影響整車的性能，所以通常采用增強(qiáng)車門防撞鋼梁的方法。汽車防撞鋼梁由防撞梁、前側(cè)支架和后側(cè)支架等零件組成，使用高強(qiáng)度鋼材制造，并安裝在車門內(nèi)壁中央部位。當(dāng)汽車行駛中遇到一般側(cè)面碰撞時，能抵抗車門凹陷變形；當(dāng)遇到較大側(cè)面碰撞時，由于防撞桿的作用，因此不必借助專門工具便可迅速地打開車門，營救出車內(nèi)乘員。

（2）增加側(cè)結(jié)構(gòu)的剛度和強(qiáng)度。包括增加A柱、B柱和C柱的鈑厚和增強(qiáng)側(cè)結(jié)構(gòu)內(nèi)外鈑間的加強(qiáng)鈑。此外，局部加強(qiáng)在側(cè)面碰撞過程中變形較大部位的剛度和強(qiáng)度，以減輕在側(cè)面碰撞過程中側(cè)結(jié)構(gòu)的侵入對乘員造成的傷害，保存乘員的生存空間。但出于目前制造成本之因素，不建議采用不等厚鈑結(jié)構(gòu)來提升局部強(qiáng)度。

（3）增加門檻梁的強(qiáng)度。在發(fā)生側(cè)面碰撞事故時，門檻梁并不直接受到撞擊，但是加強(qiáng)門檻梁，可以保證將撞擊力有效地分散給地板等重要承力零件。增強(qiáng)措施包括增加承載面積、在梁內(nèi)增加加強(qiáng)鈑以及填充發(fā)泡樹脂等。

（4）車身兩側(cè)B立柱之間安裝橫梁系統(tǒng)。在座椅下面及頂棚下方增加橫向加強(qiáng)梁或加強(qiáng)鈑，從而有利于碰撞力的傳遞，可以減少碰撞側(cè)結(jié)構(gòu)的變形。

（5）采用3H形結(jié)構(gòu)的加強(qiáng)方案。有利于碰撞能力分流的車身結(jié)構(gòu)，碰撞力的傳導(dǎo)路徑對于車體的抗撞性能具有很大的影響。合理地分流在碰撞中傳導(dǎo)的力，可以大大提高車體的強(qiáng)度，減少車體的變形量，從而改善整車的碰撞性能。提高車體側(cè)面碰撞的主要設(shè)計(jì)思想是使沖擊力分散到整個車身結(jié)構(gòu)。在車體結(jié)構(gòu)中采用3H形結(jié)構(gòu)的加強(qiáng)方案，是有利于碰撞力分流的典型的車身結(jié)構(gòu)。所謂“3H”是指在車身的底部、側(cè)面和頂部的骨架都呈現(xiàn)“H”形，并組成立體框架的設(shè)計(jì)。

[1] LS-DYNA Key Words User Manual 971 （LS-DYNA 971用戶手冊）.

Computer Aided Engineering Simulation and Design Optimization of Passenger Car Side Collision

Song Mingyang, Cai Jianyong

(Research and Development Center, Southeast (Fujian) Motor Co., Ltd., Fuzhou 350119, China)

Based on actual vehicle model, a simulation model of passenger car side collision was constructed. The side collision of the passenger car was simulated via the model combined with LS-DYNA. The deformation shape and incursion of the side structure were analyzed based on computer aided engineering (CAE) model and the simulation result. Optimal design of the passenger car side structure was conducted in relation to actual test result to enhance the side structure.

vehicle；body in white (BIW)；side collision ；LS-DYNA；safety