王 鵬，胡遠志，朱紅霞，劉 西，儲建宏，譚云飛

(1 重慶理工大學車輛工程學院汽車零部件先進制造技術教育部重點實驗室，重慶 400054;2.東風小康汽車有限公司，重慶 400033;3.太航常青汽車安全設備(蘇州)有限公司，江蘇 蘇州 215131)

2012年10月，美國公路安全保險協(xié)會(IIHS)在其新車評價規(guī)程上增加了一項小偏置25%正面碰撞測試(SOI)，如圖1所示。試驗車輛以64 km/h的速度碰撞偏置車輛25%寬度的剛性壁，剛性壁前端是半徑為150 mm、弧度為115的圓弧柱，駕駛員由50th HybridⅢ男性假人代替。試驗車輛的安全等級由假人運動/約束系統(tǒng)、假人傷害情況和車輛的結構變形3方面評價［1－2］，經(jīng)過加權得到總評級。車身結構耐撞性是通過測量乘員艙內部10個不同點的入侵量來實現(xiàn)的。2012年IIHS對11款豪華轎車進行了SOI測試，結果只有2款獲得“優(yōu)秀”評級，有4款獲得“不及格”的評級。結果表明:即使是豪華轎車，在面對SOI測試時其結構和安全性能仍需要改進。在SOI工況下，縱梁、吸能盒等主要吸能部件不再起作用，乘員艙變形嚴重，會對艙內的乘員造成極大的傷害，所以SOI對未來車身結構優(yōu)化提出了更高的要求［3］。

圖1 IIHS定義的小偏置25%正面碰撞工況

本文采用Ls-Dyna軟件對某車型進行了SOI工況的仿真分析［4］。觀察車體的變形和主要結構件的變形，并以IIHS提出的評分標準對車身結構進行評級，分析其結構耐撞性存在的問題，然后針對性地提出解決問題的結構優(yōu)化方案。優(yōu)化前后的仿真結果表明:車體的變形和入侵得到了明顯的改善，證明了該優(yōu)化方案是可行的。

1 基礎模型的結構耐撞性

1.1 仿真結果

根據(jù)IIHS小偏置碰撞試驗要求，針對某款車型按照要求設置邊界條件［1－2］和初始條件進行SOI工況的仿真分析，仿真結果如圖2所示。

圖2 整車仿真結果

該車型在SOI工況下出現(xiàn)了嚴重的變形，且變形集中于左側乘員艙，幾乎被壓縮了近1/2的空間。在乘員艙下部，門檻梁大面積壓潰，這會造成駕駛員的腿部、腳踝傷害值過大。在乘員艙上部，發(fā)動機艙上邊梁(shotgun)并未完全壓潰變形，在碰撞后期成為碰撞力的傳導媒介擠壓A柱，造成A柱和車頂上邊梁發(fā)生嚴重的折彎變形，駕駛員生存空間急劇減小，這會對駕駛員的頭部和胸部造成極大的傷害［5］。

1.2 IIHS結構耐撞性評價

根據(jù)IIHS規(guī)定，SOI工況下車身結構耐撞性評價是通過測量乘員艙的入侵量來實現(xiàn)的。根據(jù)要求，選擇10處測量點，分布于乘員艙上下部，兩者單獨進行評級。取二者評級中較差的作為整個車身結構耐撞性的最終評級。在單獨評級時，各個測量點落入不同的評級區(qū)域內，最后的評級取各個測量點出現(xiàn)次數(shù)最多的區(qū)域［1－2］。按照IIHS的評價指標，該車型侵入量評級如圖3所示，所選10個測量點均落在“不及格”區(qū)域，最終評級為“不及格”。從評級結果可以看出:該車型在結構耐撞性方面存在的問題十分嚴重，乘員艙上下部都需要進行優(yōu)化。小偏置碰撞的碰撞區(qū)域主要在左側乘員艙，因而優(yōu)化重點主要在左側乘員艙的結構件(縱梁、門檻、shotgun及A柱)。

圖3 IIHS小偏置碰撞結構評級

2 優(yōu)化方案

在SOI工況下該車型結構變形嚴重，乘員艙上下部的入侵量都較大，可能對駕駛員造成致命的傷害。造成以上問題的主要原因是碰撞力傳遞路徑較少、乘員艙強度不夠。具體表現(xiàn)在:

1)該車型乘員艙下部主要依靠縱梁變形吸能，碰撞力傳遞路徑較少。根據(jù)小偏置碰撞的初始條件進行分析，該車型縱梁前端在SOI工況下會同時承受軸向壓力和側向彎矩，且承受的側向彎矩超過一般的40%偏置碰撞。因此，在碰撞前期較早地出現(xiàn)了失穩(wěn)折彎的情況。折彎變形嚴重，吸能盒部位的壓潰吸能并未按照理想的模式進行，在整個碰撞過程中吸收的能量有限，大部分碰撞能量傳遞到了乘員艙，因而在乘員艙區(qū)域出現(xiàn)了極大的變形和入侵。

2)該車型前圍板上缺少橫向傳力路徑，變形集中于左側乘員艙［6］。

3)門檻強度偏小，使其在SOI工況下迅速地失穩(wěn)壓潰，這會使得乘員艙下部在碰撞中出現(xiàn)極大的變形入侵，破壞了乘員艙結構的完整性。

4)A柱與shotgun的強度匹配不合理，使得A柱先于shotgun變形，且A柱上下部的剛度匹配也不合理，使得A柱折彎角度偏大。

因此，對應的解決方案主要是從增加傳遞路徑和增加乘員艙強度兩方面著手。

2.1 增加傳遞路徑

1)增加縱梁支撐件?？v梁與壁障接觸面較小，縱梁與壁障的圓弧面在接觸時受到側向載荷，因而出現(xiàn)了橫向的彎曲變形，使得縱梁在碰撞前期出現(xiàn)了失穩(wěn)折彎，未能按照理想的吸能模式(先壓潰吸能然后折彎變形)有效地吸收碰撞能量。因此，可在縱梁前部安裝斜向支撐梁2，并以該支撐梁連接保險杠，三者共同組成1個三角形結構，同時在支撐梁2的根部安裝支撐梁1連接縱梁與shotgun，在縱梁后部加固支撐以保證前后剛度的一致性。這樣就把縱梁、保險杠、shotgun這3條傳力路徑連接起來，增加了碰撞力的傳遞通道，減少了傳遞到乘員艙的碰撞力，如圖4所示。

圖4 優(yōu)化模型縱梁結構

支撐梁1、2和前圍板支撐件作為縱梁前后的主要支撐件，應采用高強度鋼，避免其過早折彎失穩(wěn)，失去支撐作用。材料參數(shù)如表1所示。

表1 縱梁支撐件材料及厚度

2)增加前圍板橫梁。在兩側shotgun之間和兩側縱梁之間沿著前圍板表面增加橫向加強結構，如圖5所示。該方案增加了碰撞力橫向傳遞路徑，同時增加了shotgun和縱梁的根部約束，使得兩者的側向剛度也得到增強，使得在SOI工況中有一部分碰撞能量傳遞到車體右側，減輕了左側乘員艙的載荷。

加強件1和2主要起到傳遞碰撞力、增加側向剛度的作用，其強度應足夠大，因此也必須采用高強度鋼材料，參數(shù)如表2所示。

圖5 優(yōu)化模型前圍板結構

表2 前圍板橫梁材料及厚度

2.2 加強乘員艙強度

1)增強門檻梁強度。在門檻梁內部增加縱向貫通的加強件3，并將加強件3與A柱外加強板在A柱根部處做成焊點連接，既增強了門檻梁的強度，又保證了門檻梁前后強度的一致性，如圖6所示。

圖6 優(yōu)化模型門檻梁結構

門檻梁作為小偏置碰撞中的主要結構件，承擔了大部分的碰撞力，因而此處增加的加強件3必須采用高強度鋼，盡可能提高其厚度，材料參數(shù)見表3。

表3 加強件3材料及厚度

2)合理匹配A柱剛度。在SOI工況下，A柱是小偏置碰撞下乘員艙區(qū)域的主要支撐結構之一，其變形和入侵影響整個乘員艙的結構完整性。增強A柱的整體強度可通過在A柱內部增加加強件、提高A柱的屈服強度和厚度來實現(xiàn)，而合理匹配A柱上下部的剛度則需要合理調整A柱上下部之間的夾角和剛度比例(即調整A柱上下部的材料和厚度)。A柱在彈性變形階段時的載荷分布影響整個變形過程。因此，可以對彈性階段A柱的力學模型進行簡化，簡化后的模型如圖7所示。

圖7 A柱簡化模型

圖7中:1桿代表A柱下部，該桿被完全約束，其長度為L1;2桿代表A柱上部，其長度為L2;2桿的支反力用沿著桿件方向的力X1、垂直桿件方向的力X2及彎矩X3表示;2桿與水平面間的夾角用θ表示;碰撞時受到的沖擊力為F。根據(jù)模型的受載情況合理安排彎矩分布，以提高1、2桿的總體抗彎剛度，可以得到如下公式:

其中:Δi代表F的單位力在力Xi方向上產(chǎn)生的位移;δij表示Xj的單位力在力 Xi方向上產(chǎn)生的位移。在合理的彎矩分布下，兩桿的剛度比例如式(2)所示。

合理的角度由式(3)得到。

將本車的數(shù)據(jù)代入以上公式，可得:

由以上分析可知:針對該車型A柱上下部合理的剛度比為1∶3，A柱上部與水平面的最佳夾角為25°。A柱下部與水平面垂直，因而A柱上下部之間合理的夾角為115°。受到總布置的影響，A柱上下部之間的夾角無法改變，但可以調整A柱上下部的剛度比，使其達到1∶3。為此，在A柱下部增加加強板，并將加強板在A柱根部處與加強板3做成焊點連接，調整A柱加強板和A柱上部加強件的材料和厚度，直至A柱下部剛度達到A柱上部的3倍，且使A柱的整體強度大于shotgun的強度，如圖8所示。

圖8 優(yōu)化模型A柱加強板

經(jīng)過優(yōu)化，A柱上下部加強件合理的材料參數(shù)如表4所示。

表4 A柱上下部加強件材料及厚度

3 優(yōu)化結果

經(jīng)過優(yōu)化，該車型在SOI工況下的變形和入侵顯著減少，如圖9所示。乘員艙下部的結構穩(wěn)定性較好，門檻梁的結構強度得到了顯著提高，壓潰變形明顯減小;在乘員艙上部，A柱的折彎角度明顯減小，A柱上下部的變形模式發(fā)生了明顯的改變，優(yōu)化模型的A柱上下部都向同一方向折彎，其結構剛度得到了充分的利用，減少了碰撞過程中乘員艙上部的入侵［10］;縱梁由于增加了新支撐結構，變形模式發(fā)生顯著變化，吸能效果增強?？傮w而言，乘員艙的結構完整性得到了明顯的改善。

同時根據(jù)IIHS提出的小偏置碰撞的評價指標，優(yōu)化后乘員艙上下部評級均為“及格”，總評是“及格”，如圖10所示。經(jīng)過優(yōu)化，該車型結構耐撞性得到了顯著的改善，保證了乘員艙的生存空間。

圖9 整車優(yōu)化仿真結果

圖10 優(yōu)化前后車身耐撞性評級對比

4 結束語

本文通過對某車型進行SOI工況的仿真分析，從車體變形、乘員艙入侵等方面評價了其結構耐撞性，并以IIHS的評價方法對其結構耐撞性進行了定量評價，總結出該車型在結構設計方面存在的問題。在小偏置碰撞下，縱梁、吸能盒等主要吸能部件與壁障接觸面積較小，導致吸能盒不再按照理想的模式壓潰吸能，縱梁迅速折彎失穩(wěn)，吸收的碰撞能較少，因此應在縱梁前端加裝斜向支撐件，同時在兩側shotgun和兩側縱梁之間分別增加橫向加強結構，這樣可以增加碰撞力傳遞路徑，減少傳遞到乘員艙的碰撞力;小偏置碰撞下，A柱和門檻梁是主要的著力點，應盡可能提高其強度，減少變形，同時還需要合理地設計A柱上下部的剛度比例以便有效利用其結構剛度，減小A柱的折彎和入侵。因此，從增加傳遞路徑和加強乘員艙強度兩方面提出了解決問題的結構優(yōu)化方案。最后，將基礎模型和優(yōu)化模型的結構耐撞性進行對比，結果表明:乘員艙的變形和入侵均有大幅度降低，證明了該優(yōu)化方案是可行的。

本文在結構優(yōu)化中依然存在一些不足之處，如僅提出了A柱上下部的剛度比例，并未計算出A柱的絕對剛度;此外，并未將shotgun、A柱、B柱整體進行合理的剛度匹配，同時對shotgun及A柱的整體強度優(yōu)化不夠完善，導致最終的仿真優(yōu)化結果不夠徹底，乘員艙的變形和入侵雖然有所改善，但還可以進一步提高。以上問題將在后續(xù)研究中分析解決。

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［2］DHAFER M.Frontal small overlap rating.［2015-06-22］.http://www.iihs.org/media/4ff6d6ee-2dc9-459ca588-1cdcae448531/1013761245/Ratings/Protocols/current/small_overlap_rating_protocol.pdf.

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