張 焜（安徽江淮汽車股份有限公司，安徽 合肥 230000）

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某車型正面40％偏置碰撞仿真分析及車體結(jié)構(gòu)優(yōu)化

張 焜
（安徽江淮汽車股份有限公司，安徽 合肥 230000）

摘要：通過有限元分析方法，建立整車碰撞有限元模型，參照C-NCAP試驗(yàn)標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行整車正面40％偏置碰撞仿真，根據(jù)仿真結(jié)果分析得出車體結(jié)構(gòu)存在的問題，對(duì)車體結(jié)構(gòu)進(jìn)行優(yōu)化，優(yōu)化后整車正面40％偏置碰撞性能得以提升，從而有效保障車輛安全性能。

關(guān)鍵詞：有限元分析方法；40％偏置碰撞；結(jié)構(gòu)優(yōu)化

10.16638/j.cnki.1671-7988.2016.05.004

CLC NO.: u462.2Document Code: AArticle ID: 1671-7988(2016)03-05-84-04

前言

據(jù)相關(guān)統(tǒng)計(jì)，在汽車碰撞引發(fā)的交通事故中，汽車正面碰撞事故是最常見也是造成死亡人數(shù)最多的。因此，汽車正面碰撞安全性研究已經(jīng)成為進(jìn)行汽車結(jié)構(gòu)安全設(shè)計(jì)的一項(xiàng)重要內(nèi)容。目前，國內(nèi)法規(guī)和C-NCAP主要通過正面100％剛性壁碰撞和40％偏置可變形壁障碰撞對(duì)車輛進(jìn)行試驗(yàn)評(píng)價(jià)。兩種試驗(yàn)的碰撞形態(tài)和對(duì)乘員的傷害機(jī)理不同。正碰時(shí)，車身前端全部參與碰撞，在巨大的沖擊慣性力作用下，車體剛度大，沖擊加速度峰值大，對(duì)頭部、胸部的沖擊傷害往往造成乘員死亡。與乘員傷害指標(biāo)息息相關(guān)的因素主要是約束系統(tǒng)，因此，正碰試驗(yàn)主要側(cè)重于對(duì)約束系統(tǒng)的評(píng)價(jià)。而40％偏置碰撞主要評(píng)價(jià)安全車身結(jié)構(gòu)，考核車身侵入方式對(duì)乘員造成的傷害。偏置碰撞時(shí)，車輛前端只有一側(cè)主要參與能量吸收，該碰撞形態(tài)下車身變形大，乘員室的嚴(yán)重侵入會(huì)造成乘員的致命傷害。根據(jù)事故車輛不同碰撞重疊率的乘員傷亡分布情況可知.重疊率為30％～40％的事故中乘員嚴(yán)重受傷率最高。而40％偏置碰撞試驗(yàn)?zāi)軌蜉^好地模擬該重疊率的交通事故。因此，進(jìn)行正面40％偏置碰撞安全性的研究，對(duì)減輕交通事故中人員的傷亡具有非常重要的意義。

在車型開發(fā)過程中，車體的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)是車輛安全的基礎(chǔ)。本文基于碰撞仿真技術(shù)對(duì)某車型64 km/h偏置碰撞性能進(jìn)行分析與評(píng)估，提出優(yōu)化方法，切實(shí)可行地提升了車身結(jié)構(gòu)的偏置碰撞性能。

1、有限元模型的建立

采用Hypermesh作為前處理建模軟件，直接導(dǎo)入CAD模型進(jìn)行整車建模。整車模型的輸入內(nèi)容包括白車身、四門兩蓋、懸架系統(tǒng)、轉(zhuǎn)向機(jī)構(gòu)、動(dòng)力總成、散熱系統(tǒng)等主要結(jié)構(gòu)件，其中發(fā)動(dòng)機(jī)和變速箱作為剛體考慮。整車模型總質(zhì)量1.63t，網(wǎng)格劃分尺寸8mm，最小網(wǎng)格尺寸2.5mm，網(wǎng)格最大翹曲角度15度，最小雅克比0.6，共計(jì)1242866個(gè)節(jié)點(diǎn)、2372214個(gè)單元。

2、整車仿真模型的計(jì)算檢查

仿真模型完成后，經(jīng)過多次計(jì)算、模型調(diào)試與校正，確定模型的正確性和可靠性。仿真結(jié)果的真實(shí)性和準(zhǔn)確性，可以通過定量的方法進(jìn)行評(píng)價(jià)。定量評(píng)價(jià)主要集中在整車碰撞能量變化曲線和質(zhì)量增加比例的分析上，如果整個(gè)模型的沙漏能占總能量的比例在10％以內(nèi)，質(zhì)量增加不超過總質(zhì)量的5％，那么模型計(jì)算精度可得到保證。

圖1　正面40％偏置碰撞能量曲線

表1　質(zhì)量增加數(shù)據(jù)

從圖1中曲線可以看出，在發(fā)生碰撞的初始時(shí)刻，由于汽車的動(dòng)能較大，在很短的時(shí)間內(nèi)形成極高的沖擊力，產(chǎn)生的應(yīng)力遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于材料的屈服應(yīng)力，因而形成較大的塑性變形。隨著碰撞過程的推進(jìn)，車輛的動(dòng)能大部分轉(zhuǎn)化為系統(tǒng)的內(nèi)能。但由于汽車在碰撞的最后階段發(fā)生了回彈，所以動(dòng)能并沒有降為零，而是保持在10 kJ左右。在整個(gè)碰撞過程中出現(xiàn)了很少沙漏能，幾乎為零。同時(shí)，由表1可以看出，質(zhì)量增加比例為0.9％，遠(yuǎn)小于5％的評(píng)價(jià)要求。所以足以說明該仿真符合汽車正面偏置碰撞規(guī)律，計(jì)算結(jié)果準(zhǔn)確有效。

3、整車模型64km/h偏置碰撞仿真分析

參照C-NCAP試驗(yàn)標(biāo)準(zhǔn)，車輛以64km/h的速度與可變形壁障發(fā)生40％重疊率的偏置碰撞，可變形壁障右側(cè)表面偏移車輛中心線約10％的車輛寬度，建立圖2所示整車仿真模型。

圖2　正面40％偏置碰撞有限元模型

碰撞通過LS-DYNA進(jìn)行仿真計(jì)算，碰撞發(fā)生后，變形順序依次為前防撞梁、吸能盒和縱梁，前艙吸能變形完畢后將能量傳遞到A柱、前圍及乘員艙，整車發(fā)生甩尾，直至碰撞結(jié)束，整車變形圖如圖3所示。

圖3　正面40％偏置碰撞整車變形圖

經(jīng)過局部分析，發(fā)現(xiàn)車體結(jié)構(gòu)存在以下問題：1）吸能盒吸能不充分，左縱梁前端變形不充分，后端變形較大，抵抗變形能力偏弱，如圖4①所示；2）A柱上部發(fā)生折彎，如圖4②所示；3）A柱中部變形嚴(yán)重，如圖4③所示；4）前地板下縱梁變形嚴(yán)重，如圖4④所示。

圖4　正面40％偏置碰撞前艙、A柱、前地板下縱梁變形圖

上述四點(diǎn)導(dǎo)致乘員艙防火墻C區(qū)入侵量達(dá)到142mm，超過120mm目標(biāo)值，如圖5和表2所示。

圖5　正面40％偏置碰撞防火墻入墻量圖示

表2　防火墻入侵量數(shù)據(jù)

左B柱下部加速度超標(biāo)，達(dá)到46g，超過42g目標(biāo)值，如圖6和表3所示。

圖6　左、右B柱下部加速度數(shù)據(jù)曲線

表3　左、右B柱下部加速度數(shù)據(jù)

4、優(yōu)化方案

針對(duì)上述問題，需對(duì)車體結(jié)構(gòu)進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)，經(jīng)過多方案對(duì)比分析，采用以下措施能夠取得較好的改善效果。

1）針對(duì)偏置碰撞中吸能盒和左縱梁變形不理想的問題，對(duì)其進(jìn)行結(jié)構(gòu)和材料改進(jìn)，如圖7所示。

圖7　吸能盒和左縱梁結(jié)構(gòu)優(yōu)化示意圖

吸能盒位于前保險(xiǎn)杠骨架與前縱梁之間，其主要作用是在發(fā)生碰撞時(shí)利用充分的變形來吸收能量，從而保護(hù)前縱梁不至于發(fā)生太大變形，并降低發(fā)艙內(nèi)重要部件的損壞程度。在優(yōu)化方案中，將吸能盒的原材質(zhì)B340/590DP改為B250P1，這樣可以弱化吸能盒強(qiáng)度，使吸能盒在碰撞過程中充分利用結(jié)構(gòu)變形更好的吸收碰撞能量，從而對(duì)前縱梁起到更好的保護(hù)作用。

同時(shí)，因?yàn)樽罂v梁前端變形不充分，后端變形較大，說明后端抵抗變形能力較弱。所以，在優(yōu)化方案中，新增左縱梁前加強(qiáng)板B340LA-1.2t和左縱梁后加強(qiáng)板B340LA-1.6t，起到加強(qiáng)后端，讓前端發(fā)生變形吸能的效果。

2）針對(duì)A柱上部彎折，經(jīng)詳細(xì)分析，發(fā)現(xiàn)彎折點(diǎn)在A柱加強(qiáng)板搭接邊避讓缺口處，優(yōu)化方案為在避讓缺口處新增盒狀加強(qiáng)件B410LA-1.8t，與A柱加強(qiáng)板焊接，從而避免彎折變形，將碰撞能量有效傳遞，如圖8所示。

圖8　A柱上部加強(qiáng)件優(yōu)化方案

針對(duì)A柱中部變形嚴(yán)重，導(dǎo)致碰撞能量不能有效傳遞的問題，解決措施是加強(qiáng)變形區(qū)域處的結(jié)構(gòu)，減小其變形甚至不變形。具體方案為延長左前門下鉸鏈固定加強(qiáng)板B410LA-1.2t搭接邊100mm，同時(shí)新增左A柱中內(nèi)板加強(qiáng)板B340LA-2.0t，這樣的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)可使其搭接部分更充分，在碰撞過程中能更好的進(jìn)行碰撞能量的吸收和傳遞，如圖9所示。

圖9　A柱下端變形優(yōu)化方案

針對(duì)前地板下縱梁變形嚴(yán)重的問題，改進(jìn)方案是延長前地板下縱梁加強(qiáng)板至發(fā)艙縱梁后段，有效傳遞碰撞能量；同時(shí)在前地板下縱梁后段增加加強(qiáng)板，避免彎折變形，如圖10所示。

圖10　前地板下縱梁變形優(yōu)化方案

5、優(yōu)化方案結(jié)果評(píng)定

根據(jù)上述優(yōu)化方案進(jìn)行整車偏置碰撞仿真計(jì)算，并與優(yōu)化前計(jì)算結(jié)果對(duì)比。

由圖11和表4可以看出，優(yōu)化后防火墻C區(qū)入侵量降至119mm，達(dá)到目標(biāo)值要求，從而保證駕駛員在碰撞過程中，腰部以下免受踏板、

內(nèi)飾件等相關(guān)零件侵入造成二次損傷。

圖11　優(yōu)化后正面40％偏置碰撞防火墻入墻量圖示

表4　優(yōu)化前后防火墻入侵量數(shù)據(jù)

圖12　左、右B柱下部加速度數(shù)據(jù)曲線

由圖12和表5可知，左B柱下部加速度峰值降至40.3g，達(dá)到目標(biāo)值要求。同時(shí)，優(yōu)化后的加速度曲線較優(yōu)化前平滑，說明經(jīng)過優(yōu)化，汽車前部能夠按照一定的變形順序進(jìn)行吸能，優(yōu)化效果較好。

表5　優(yōu)化前后左、右B柱下部加速度數(shù)據(jù)

6、結(jié)論

文章闡述了某車型正面40％偏置碰撞仿真分析中出現(xiàn)的問題及原因，并對(duì)車體結(jié)構(gòu)進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)。通過弱化吸能盒內(nèi)外板，加強(qiáng)左縱梁后段結(jié)構(gòu)，優(yōu)化A柱內(nèi)板與加強(qiáng)板結(jié)構(gòu)，增強(qiáng)各件之間連接，以及優(yōu)化前地板下縱梁內(nèi)部結(jié)構(gòu)，從而使防火墻入侵量超標(biāo)、左B柱下部加速度超標(biāo)等問題得到明顯改善，為車內(nèi)乘員提供了一個(gè)更加安全舒適的環(huán)境，在一定程度上提高了該車的安全性能。

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Simulation analysis and vehicle body structure optimization of a vehicle front 40％ offset impact

Zhang Kun
( Anhui Jianghuai Automobile Co., Ltd., Anhui Hefei 230000 )

Abstract:Through the finite element analysis method, to establish the finite element model of vehicle collisions. In accordance with the requirements of the C-NCAP test of vehicle front 40％ offset impact simulation, according to simulation results analysis we can get the body structure of the existing problems, on the body structure is optimized, the optimized vehicle front 40％ offset touch crash performance can be improved, so as to effectively safeguard the vehicle safety performance.

Keywords:finite element analysis method; 40％ offset impact; structure optimization

中圖分類號(hào)：U462.2

文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A

文章編號(hào)：1671-7988（2016）05-84-04

作者簡介：張焜，助理工程師，就職于安徽江淮汽車股份有限公司。從事乘用車車體設(shè)計(jì)工作。