胡遠(yuǎn)志，梁 銳，劉 西，廖高健，謝道偉

(1.重慶理工大學(xué) 汽車(chē)零部件先進(jìn)制造技術(shù)教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室， 重慶 400054;2.重慶小康汽車(chē)部品有限公司， 重慶 400054)

根據(jù)統(tǒng)計(jì)，正面碰撞是所有道路交通事故中發(fā)生最為頻繁的，而且在所有因正面碰撞致死的道路交通事故中，小偏置碰撞約占25%[1]。為進(jìn)一步提升車(chē)輛正面碰撞中的耐撞性能，減少小偏置碰撞造成的人員和財(cái)產(chǎn)損失，美國(guó)公路安全保險(xiǎn)協(xié)會(huì)(IIHS)于2012年發(fā)布一項(xiàng)正面25%小偏置碰撞測(cè)試規(guī)范[2]，詳細(xì)規(guī)定了碰撞測(cè)試的方法、試驗(yàn)車(chē)速和評(píng)分標(biāo)準(zhǔn)。同年，IIHS公布了11款豪華轎車(chē)的小偏置碰撞試驗(yàn)結(jié)果，其中有4款獲得“差”的評(píng)級(jí)，只有2款獲得“好”的評(píng)級(jí)[3]。之所以豪華轎車(chē)在小偏置碰撞測(cè)試中也會(huì)出現(xiàn)“差”的評(píng)級(jí)，是因?yàn)檐?chē)輛常用的潰縮吸能結(jié)構(gòu)如吸能盒和縱梁等在小偏置碰撞中沒(méi)有發(fā)揮應(yīng)有的作用，導(dǎo)致乘員艙承受了遠(yuǎn)超其承受極限的沖擊，發(fā)生了較大的乘員艙侵入，降低了小偏置碰撞結(jié)構(gòu)耐撞性評(píng)級(jí)。

本文根據(jù)IIHS關(guān)于小偏置碰撞測(cè)試的規(guī)定，以有效性已被驗(yàn)證的某轎車(chē)有限元模型為研究對(duì)象[4-6]，建立其小偏置碰撞仿真模型。依據(jù)IIHS小偏置碰撞結(jié)構(gòu)耐撞性評(píng)分規(guī)定對(duì)其進(jìn)行評(píng)價(jià)，分析和總結(jié)該車(chē)型在小偏置碰撞結(jié)構(gòu)耐撞性方面存在的問(wèn)題，并提出針對(duì)性的優(yōu)化方案。

1 IIHS小偏置碰撞試驗(yàn)評(píng)價(jià)規(guī)程和評(píng)分原則

IIHS小偏置碰撞試驗(yàn)程序規(guī)定，將50百分位的Hybrid Ⅲ型男性假人放在駕駛員位置，同時(shí)使碰撞發(fā)生瞬間試驗(yàn)車(chē)輛的25%車(chē)體寬度與剛性壁障接觸。剛性壁障前端是弧度為115 rad、半徑為150 mm的圓弧柱。試驗(yàn)車(chē)輛以64 km/h的速度撞擊剛性壁障。小偏置碰撞試驗(yàn)工況如圖1所示[7-8]。試驗(yàn)車(chē)輛小偏置碰撞評(píng)級(jí)從假人運(yùn)動(dòng)/約束系統(tǒng)、假人傷害情況和車(chē)輛的結(jié)構(gòu)變形3方面評(píng)價(jià)，其中車(chē)輛結(jié)構(gòu)變形的評(píng)價(jià)通過(guò)測(cè)量乘員艙10處測(cè)量點(diǎn)的侵入量來(lái)實(shí)現(xiàn)。圖2為乘員艙侵入量等級(jí)評(píng)定標(biāo)準(zhǔn)。

圖1 小偏置碰撞試驗(yàn)工況

IIHS將所有測(cè)量點(diǎn)分為乘員艙上部和乘員艙下部2個(gè)測(cè)量區(qū)域：乘員艙上部測(cè)量點(diǎn)包括儀表板上部、儀表板左側(cè)、A柱上鉸鏈；乘員艙下部測(cè)量點(diǎn)包括門(mén)檻梁、駐車(chē)踏板、剎車(chē)踏板、左側(cè)擱腳區(qū)、歇腳區(qū)和下鉸鏈柱。對(duì)乘員艙上、下兩個(gè)部分侵入量分別進(jìn)行評(píng)價(jià)，并取上下部分評(píng)級(jí)的較差者作為整個(gè)車(chē)身結(jié)構(gòu)耐撞性的最終評(píng)級(jí)結(jié)果[3]。

2 基礎(chǔ)模型的建立及有效性分析

按照IIHS關(guān)于小偏置碰撞測(cè)試的相關(guān)規(guī)定，本文選用的美國(guó)國(guó)家碰撞分析中心(NCAC)建立并公布的Yaris整車(chē)有限元模型，該整車(chē)模型已經(jīng)與實(shí)車(chē)試驗(yàn)對(duì)標(biāo)[4-6]。所建立的壁障高度為1 524 mm，弧度為115 rad，弧形面半徑為150 mm[9]。壁障網(wǎng)格尺寸為8 mm，選用MAT20材料類(lèi)型模擬剛性材料，同時(shí)限制剛性壁障6個(gè)方向的自由度，然后根據(jù)小偏置碰撞測(cè)試規(guī)范，將該剛性壁障布置于車(chē)體駕駛員側(cè)，并調(diào)整壁障位置使整車(chē)寬度的25%與剛性壁障重疊。

LS-DYNA中的SINGLE_SURFACE接觸類(lèi)型能將汽車(chē)不同部件之間及單個(gè)部件自身發(fā)生的接觸都包括進(jìn)來(lái)，還能較好地平衡計(jì)算穩(wěn)定性與計(jì)算效率之間的關(guān)系。與此同時(shí)，LS-DYNA中的AUTOMATIC接觸類(lèi)型能自動(dòng)從殼單元兩邊檢測(cè)接觸[10]。所以，本文將車(chē)身與壁障的接觸設(shè)置為CONTACT_AUTOMATIC_SINGLE_SURFACE，并設(shè)置靜摩擦因數(shù)為0.2、動(dòng)摩擦因數(shù)為0.1，同時(shí)忽略模型的初始穿透。

圖3 能量變化曲線

在碰撞安全仿真過(guò)程中，根據(jù)IIHS小偏置碰撞測(cè)試的規(guī)定設(shè)置整車(chē)的初速度為64 km/h，設(shè)置計(jì)算時(shí)間為150 ms，重力加速度設(shè)置為9.81 m/s2。

利用LS-DYNA對(duì)該小偏置碰撞有限元模型進(jìn)行計(jì)算。整車(chē)碰撞模型在計(jì)算中能量穩(wěn)定是保證計(jì)算結(jié)果準(zhǔn)確可信的前提，一般要求最終能量變化曲線光滑過(guò)渡，且總能量變化不超過(guò)5%[11]。因此，計(jì)算完成后需要通過(guò)分析仿真過(guò)程中能量變化情況來(lái)評(píng)估模型的有效性。碰撞過(guò)程能量變化曲線如圖3所示。從圖中可以看出：在碰撞過(guò)程中能量曲線變化趨勢(shì)較為合理，能量變化曲線光滑過(guò)渡且總能量變化在5%以內(nèi)，因此仿真過(guò)程中能量基本守恒。

3 基礎(chǔ)模型仿真結(jié)果分析

3.1 整車(chē)碰撞運(yùn)動(dòng)學(xué)分析

在碰撞仿真過(guò)程中：35 ms時(shí)候輪胎因?yàn)槭艿絼傂员谡系臎_擊而向后運(yùn)動(dòng)并擠壓立柱，到了60 ms左右鉸鏈柱出現(xiàn)較大的變形，70 ms左右A柱出現(xiàn)彎折的趨勢(shì)，110 ms左右乘員艙變形接近最大值，車(chē)身開(kāi)始繞剛性壁障旋轉(zhuǎn)，伴隨著車(chē)身的旋轉(zhuǎn)，A柱彎折稍有反彈。碰撞過(guò)程轎車(chē)變形如表1所示。

從仿真結(jié)果可以看出：乘員艙承受的沖擊主要來(lái)自剛性壁障、上指梁和車(chē)輪3個(gè)部分，其中乘員艙上部受到的沖擊主要來(lái)自上指梁和剛性壁障。在碰撞過(guò)程中，剛性壁障先與外蒙皮接觸，隨后向前機(jī)艙運(yùn)動(dòng)與上指梁發(fā)生碰撞，上指梁將碰撞力向后傳遞到鉸鏈柱，致使鉸鏈柱發(fā)生彎曲變形。上指梁被剛性壁障壓潰之后，剛性壁障直接撞擊鉸鏈柱，并通過(guò)鉸鏈柱將碰撞力傳遞到A柱，不僅造成A柱出現(xiàn)嚴(yán)重的彎折變形，還進(jìn)一步加劇了鉸鏈柱的變形。

乘員艙下部受到的沖擊主要來(lái)自車(chē)輪和剛性壁障。在小偏置碰撞過(guò)程中轎車(chē)前端傳統(tǒng)碰撞吸能部件(如吸能盒、縱梁等)變形較小，沒(méi)有起到應(yīng)有的變形吸能作用，致使車(chē)輪承受了較大的撞擊，整車(chē)發(fā)生較為劇烈的變形。具體表現(xiàn)為：剛性壁障首先與車(chē)身外蒙皮接觸，隨后接觸到防撞橫梁外緣，將防撞橫梁外緣壓潰之后剛性壁障與車(chē)輪接觸，迫使車(chē)輪向后擠壓鉸鏈柱和門(mén)檻梁，由于車(chē)輪圓弧狀外型的原因，鉸鏈柱和門(mén)檻梁最先與車(chē)輪接觸的部分只有較小一段圓弧，即鉸鏈柱和門(mén)檻梁承受到來(lái)自車(chē)輪的局部集中載荷的作用，致使乘員艙駕駛員一側(cè)結(jié)構(gòu)產(chǎn)生較為劇烈的變形，嚴(yán)重破壞了乘員艙結(jié)構(gòu)完整性。

由此可知：鉸鏈柱、A柱和門(mén)檻梁出現(xiàn)較大的侵入量是因?yàn)槠鋸?qiáng)度不足，導(dǎo)致其承受極限遠(yuǎn)小于所承受的沖擊，致使鉸鏈柱、A柱和門(mén)檻梁在碰撞過(guò)程中發(fā)生較大的變形。如果能提高鉸鏈柱、A柱以及門(mén)檻梁抵抗變形的能力或者使其在碰撞中避免出現(xiàn)局部應(yīng)力集中的現(xiàn)象，則可以有效改善該車(chē)型的小偏置碰撞結(jié)構(gòu)耐撞性。因此，在后期的優(yōu)化過(guò)程中可以重點(diǎn)考慮加強(qiáng)鉸鏈柱、A柱和門(mén)檻梁的強(qiáng)度，優(yōu)化輪胎對(duì)A柱和門(mén)檻梁的沖擊以滿足小偏置碰撞的要求。

表1 碰撞過(guò)程整車(chē)變形

3.2 侵入量的分析

由于汽車(chē)前端傳統(tǒng)碰撞吸能部件沒(méi)能有效減緩剛性壁障的沖擊，導(dǎo)致較大碰撞力傳遞到乘員艙區(qū)域，致使鉸鏈柱、A柱和門(mén)檻梁產(chǎn)生較大的侵入量，給乘員帶來(lái)較大的潛在損傷風(fēng)險(xiǎn)。按照IIHS關(guān)于小偏置碰撞結(jié)構(gòu)耐撞性的規(guī)定，測(cè)量其相關(guān)測(cè)量點(diǎn)的侵入量，結(jié)果如圖4所示。

由圖4可以看出：該車(chē)型在小偏置碰撞結(jié)構(gòu)耐撞性方面存在十分嚴(yán)重的問(wèn)題，其中在上部測(cè)量點(diǎn)中，儀表板上側(cè)、儀表板左側(cè)和上鉸鏈柱侵入量均超過(guò)了法規(guī)的規(guī)定，達(dá)到了“差”的等級(jí)，而下部測(cè)量點(diǎn)中除了歇腳區(qū)和剎車(chē)踏板位于“可接受”等級(jí)之外，其余的測(cè)量點(diǎn)均在更差等級(jí)的區(qū)域。因此，整車(chē)的小偏置碰撞結(jié)構(gòu)耐撞性等級(jí)評(píng)級(jí)為“差”。

4 結(jié)構(gòu)耐撞性優(yōu)化方案

圖4 乘員艙侵入量

在傳統(tǒng)的正面碰撞中，乘員艙向后縱向傳遞力的路徑主要是通過(guò)前縱梁和門(mén)檻梁將碰撞力傳遞到乘員艙底部的縱梁位置，以及通過(guò)上指梁將碰撞力傳遞到A柱、鉸鏈柱和門(mén)檻梁等位置[12]。但是在小偏置碰撞工況中，車(chē)體與剛性壁障的重疊面積較小，車(chē)體的吸能盒、前縱梁等傳統(tǒng)的正面碰撞主要承力吸能的部件避開(kāi)了剛性壁障的強(qiáng)烈沖擊，大量的碰撞能量只能通過(guò)上指梁和車(chē)輪向后傳遞到乘員艙，極易造成嚴(yán)重的乘員艙變形。因此，造成本文選用的車(chē)型在小偏置工況下車(chē)體結(jié)構(gòu)變形嚴(yán)重的主要原因就是車(chē)體前端主要吸能結(jié)構(gòu)沒(méi)有起到應(yīng)有的變形吸能作用，所以輪胎碰撞強(qiáng)度增加，同時(shí)乘員艙強(qiáng)度不足以抵抗車(chē)輪以及上指梁傳遞過(guò)來(lái)的碰撞力，主要表現(xiàn)在：

1) 車(chē)體前端主要靠上指梁和車(chē)輪阻礙剛性壁障的沖擊。由于車(chē)身結(jié)構(gòu)布置的原因，剛性壁障先與車(chē)輪接觸，而車(chē)輪的強(qiáng)度較大，因而在整個(gè)碰撞過(guò)程中吸收的能量有限，其承受的碰撞能量大部位傳遞到乘員艙。又由于車(chē)輪外形限制，最開(kāi)始只有一小段圓弧與鉸鏈柱、門(mén)檻梁接觸，導(dǎo)致鉸鏈柱、門(mén)檻梁出現(xiàn)局部應(yīng)力集中的現(xiàn)象，鉸鏈柱下部在過(guò)大的集中載荷作用下出現(xiàn)了嚴(yán)重的彎折，門(mén)檻梁也出現(xiàn)嚴(yán)重的變形。

2) A柱搭接不合理，使得在碰撞中產(chǎn)生了較大的彎折角度。

3) 門(mén)檻梁強(qiáng)度偏小，使得門(mén)檻梁在小偏置中迅速失穩(wěn)壓潰，導(dǎo)致乘員艙在碰撞中出現(xiàn)嚴(yán)重的侵入現(xiàn)象。

對(duì)于基礎(chǔ)模型在小偏置碰撞中出現(xiàn)的問(wèn)題，可以考慮對(duì)應(yīng)的小偏置碰撞結(jié)構(gòu)耐撞性優(yōu)化方案：

1) 前端增加載荷傳遞結(jié)構(gòu)。這種方案已有研究人員在實(shí)車(chē)上進(jìn)行了測(cè)試[13]。但是增加前端載荷傳遞結(jié)構(gòu)，常常需要將涉及的相關(guān)零部件進(jìn)行改動(dòng)，如防撞橫梁、吸能盒以及前縱梁等?？紤]到增加前端載荷傳遞結(jié)構(gòu)涉及零部件太多，會(huì)顯著增加設(shè)計(jì)成本，市場(chǎng)承受能力較差，本文暫時(shí)不考慮此方案。

2) 設(shè)置懸架和轉(zhuǎn)向系統(tǒng)在碰撞的早期失效，切斷載荷傳遞路徑，使得上指梁在碰撞的早期先承受剛性壁障的撞擊，起到減緩壁障對(duì)乘員艙的沖擊的作用，同時(shí)避免乘員艙受到過(guò)大的車(chē)輪集中載荷作用，保持A柱、鉸鏈柱和門(mén)檻梁等結(jié)構(gòu)件在碰撞過(guò)程中的完整性。

3) 增加乘員艙強(qiáng)度。

4.1 懸架與轉(zhuǎn)向系統(tǒng)的失效

如圖5、6所示，2016款雪佛蘭科邁隆、2017款林肯大陸在小偏置碰撞中前車(chē)輪脫離了車(chē)體[14-15]。由此可見(jiàn)：為了提高設(shè)計(jì)車(chē)輛的小偏置結(jié)構(gòu)耐撞性評(píng)級(jí)，越來(lái)越多的工程師考慮通過(guò)設(shè)計(jì)懸架與轉(zhuǎn)向系統(tǒng)的失效使得車(chē)輪在碰撞的早期脫離車(chē)體，在避免車(chē)輪對(duì)乘員艙造成過(guò)大的集中載荷的同時(shí)，使得前機(jī)艙吸能部件充分變形吸能，減小了剛性壁障對(duì)乘員艙的沖擊。

根據(jù)分析結(jié)果，可以設(shè)置懸架和轉(zhuǎn)向系統(tǒng)在碰撞的早期失效，使得車(chē)輪在碰撞的早期脫離車(chē)身，避免成為碰撞力向鉸鏈柱和門(mén)檻梁傳遞的媒介，使得上指梁先承受撞擊并吸收碰撞的能量，延緩了乘員艙接受的碰撞沖擊，同時(shí)避免了鉸鏈柱和門(mén)檻梁受到車(chē)輪圓弧外形的碰撞而產(chǎn)生集中載荷的作用，利于鉸鏈柱和門(mén)檻梁在碰撞中保持完整。

為了降低轉(zhuǎn)向系統(tǒng)的入侵，可以采用轉(zhuǎn)向系統(tǒng)失效方法。轉(zhuǎn)向系統(tǒng)的失效可以通過(guò)設(shè)置轉(zhuǎn)向桿系球頭銷(xiāo)失效的方式實(shí)現(xiàn)。常見(jiàn)的轎車(chē)轉(zhuǎn)向系統(tǒng)球頭銷(xiāo)直徑為20～23 mm，材料為20CrMo和20CrMn,球頭允許承受的最大橫向力為[16-17]

其中：F為球頭允許承受的最大橫向力；π為圓周率；d為球頭銷(xiāo)最小處直徑；τ為球頭的許用剪切應(yīng)力。

參考工程實(shí)際，在進(jìn)行轉(zhuǎn)向球頭銷(xiāo)設(shè)計(jì)的時(shí)候選用適當(dāng)?shù)牟牧虾秃穸仁沟棉D(zhuǎn)向球頭銷(xiāo)在承受 17 000 N的橫向力時(shí)失效。按照同樣的方法，分別設(shè)計(jì)懸架和轉(zhuǎn)向系統(tǒng)中其他的鉸鏈，同時(shí)設(shè)置懸架與車(chē)輪之間的連接件在應(yīng)變率為15%時(shí)失效，即可使得車(chē)輪在碰撞的早期受力脫離車(chē)體。

圖5 2016 款雪佛蘭科邁隆小偏置碰撞試驗(yàn)

4.2 提高乘員艙強(qiáng)度

1) 增強(qiáng)門(mén)檻梁強(qiáng)度。門(mén)檻梁在碰撞中基本垂直于剛性壁障，因此一部分研究人員提出通過(guò)使用熱成型材料制造門(mén)檻梁的方式來(lái)加強(qiáng)門(mén)檻梁強(qiáng)度[18-19]。門(mén)檻梁在小偏置碰撞中受到的主要是軸向壓潰力。方形截面薄壁梁非彈性失穩(wěn)強(qiáng)度為[5]

(1)

其中：Es、Et為方形截面薄壁梁的彈性模量和材料強(qiáng)化模量；t為梁的厚度；b為截面寬度；m為半波數(shù)；l為截面長(zhǎng)度。

表2 優(yōu)化前后門(mén)檻梁材料參數(shù)及厚度對(duì)比

根據(jù)式(1)可知：通過(guò)提高材料牌號(hào)來(lái)提升彈性模量、增加薄壁梁的厚度等方法都能提高方形截面薄壁梁非彈性失穩(wěn)強(qiáng)度?？紤]到增加薄壁梁厚度等方式會(huì)增加車(chē)身質(zhì)量，這與車(chē)身輕量化相矛盾，因此優(yōu)先采用提高材料牌號(hào)的優(yōu)化方案，如果提高材料牌號(hào)仍無(wú)法滿足設(shè)計(jì)要求，再采取其他優(yōu)化方案。本文經(jīng)研究發(fā)現(xiàn)采用提高材料牌號(hào)的方案優(yōu)化門(mén)檻梁已經(jīng)可以使之滿足設(shè)計(jì)要求。反復(fù)修改門(mén)檻梁的材料，可知高強(qiáng)度鋼材料可以滿足門(mén)檻梁的小偏置碰撞結(jié)構(gòu)耐撞性要求。表2為優(yōu)化前后門(mén)檻梁材料參數(shù)及厚度對(duì)比。

圖7 A柱搭接關(guān)系優(yōu)化前后對(duì)比

2) 優(yōu)化A柱搭接關(guān)系。在小偏置碰撞工況下，A柱是乘員區(qū)域重要的支撐結(jié)構(gòu)之一，一部分碰撞力通過(guò)A柱向后傳遞，其結(jié)構(gòu)完整性直接影響整個(gè)乘員艙的結(jié)構(gòu)完整性[3-12]。由基礎(chǔ)模型仿真結(jié)果可以看出：由于該車(chē)型A柱搭接關(guān)系不合理，導(dǎo)致在小偏置碰撞工況下，A柱搭接薄弱部分發(fā)生較為嚴(yán)重的彎折變形。通過(guò)反復(fù)試驗(yàn)可知：優(yōu)化A柱搭接之后，A柱已能滿足小偏置碰撞結(jié)構(gòu)耐撞性的要求。A柱搭接關(guān)系優(yōu)化前后對(duì)比如圖7所示。

3) 提高鉸鏈柱強(qiáng)度。由于鉸鏈柱需要承受上指梁和剛性壁障傳遞過(guò)來(lái)的碰撞力，許多研究人員采用提高鉸鏈柱材料牌號(hào)、改變截面形狀或者在內(nèi)部增加加強(qiáng)件的方法來(lái)降低小偏置碰撞侵入量，以提高車(chē)輛的小偏置碰撞結(jié)構(gòu)耐撞性評(píng)級(jí)[20-21]。經(jīng)過(guò)反復(fù)試驗(yàn)仿真可知：簡(jiǎn)單的提高鉸鏈柱的材料牌號(hào)已經(jīng)無(wú)法使鉸鏈柱滿足小偏置碰撞的要求。因此，除了提高鉸鏈柱內(nèi)部加強(qiáng)件材料牌號(hào)之外，有必要在鉸鏈柱內(nèi)部增加一個(gè)加強(qiáng)件，結(jié)合實(shí)際生產(chǎn)焊接工藝和鈑金件層數(shù)的要求，將該加強(qiáng)件設(shè)計(jì)為緊貼鉸鏈柱內(nèi)加強(qiáng)件的隨型加強(qiáng)件。表3為優(yōu)化前后鉸鏈柱內(nèi)部加強(qiáng)件材料參數(shù)及厚度對(duì)比。圖8為鉸鏈柱優(yōu)化前后對(duì)比，其中右圖內(nèi)部為新增的隨型加強(qiáng)件。

表3 優(yōu)化前后鉸鏈柱加強(qiáng)件材料參數(shù)及厚度對(duì)比

圖8 鉸鏈柱優(yōu)化前后對(duì)比

5 優(yōu)化結(jié)果分析

5.1 整車(chē)運(yùn)動(dòng)學(xué)分析

在設(shè)置基礎(chǔ)模型懸架和轉(zhuǎn)向系統(tǒng)失效，同時(shí)提高乘員艙強(qiáng)度之后，該轎車(chē)在小偏置工況下的變形明顯變小，取得了預(yù)期的效果。在碰撞仿真過(guò)程中：35 ms左右輪胎因?yàn)槭艿絼傂员谡系臎_擊而開(kāi)始向后運(yùn)動(dòng)；到了45 ms左右由于受到的橫向力超過(guò)了其鉸鏈的承受極限，鉸鏈開(kāi)始脫落；65 ms左右車(chē)輪脫離車(chē)身，此時(shí)上指梁壓潰變形已經(jīng)完成，剛性壁障與A柱、鉸鏈柱接觸，乘員艙受到剛性壁障的擠壓，變形加劇；在100 ms左右乘員艙變形接近最大值，隨后車(chē)身開(kāi)始繞剛性壁障旋轉(zhuǎn)。碰撞過(guò)程整車(chē)變形情況如表4所示。

圖9 優(yōu)化前后乘員艙侵入量對(duì)比

整個(gè)碰撞過(guò)程中轎車(chē)駕駛員側(cè)的車(chē)輪因受到超過(guò)其承受極限的橫向力而脫離車(chē)身，沒(méi)有將過(guò)大的碰撞力向后傳遞至鉸鏈柱和門(mén)檻梁，間接起到對(duì)乘員艙的保護(hù)作用。同時(shí)，上指梁在碰撞的早期承受了剛性壁障碰撞力，減緩了剛性壁障對(duì)鉸鏈柱和門(mén)檻梁的沖擊，更為重要的是優(yōu)化之后乘員艙強(qiáng)度得到極大的提升，因而A柱、門(mén)檻梁和車(chē)門(mén)沒(méi)有承受到超過(guò)其承受極限的碰撞力或者集中應(yīng)力的作用，門(mén)框上方?jīng)]有出現(xiàn)較大的彎折，乘員艙發(fā)生的變形處在合理并可以接受的區(qū)間內(nèi)。

5.2 侵入量的分析

按照IIHS關(guān)于小偏置碰撞結(jié)構(gòu)耐撞性的規(guī)定，測(cè)量其相關(guān)測(cè)量點(diǎn)的侵入量，如圖9所示。由圖9可以看出：對(duì)該車(chē)型進(jìn)行結(jié)構(gòu)耐撞性優(yōu)化之后，在小偏置碰撞結(jié)構(gòu)耐撞性方面取得了預(yù)期的效果，在上部測(cè)量點(diǎn)中，儀表板上側(cè)、儀表板左側(cè)、轉(zhuǎn)向管柱和上鉸鏈柱侵入量均未超過(guò)法規(guī)的規(guī)定，達(dá)到了“好”的等級(jí)，而下部測(cè)量點(diǎn)中的絕大部分處在“好”等級(jí)，少數(shù)測(cè)量點(diǎn)處在“可接受”等級(jí)的區(qū)域。因此，優(yōu)化后整車(chē)的小偏置碰撞結(jié)構(gòu)耐撞性等級(jí)評(píng)分為“好”。由此可知：經(jīng)過(guò)優(yōu)化該車(chē)型結(jié)構(gòu)耐撞性得到顯著的改善，乘員艙的生存空間得到保證。

表4 優(yōu)化后碰撞過(guò)程整車(chē)變形

6 結(jié)束語(yǔ)

本文通過(guò)對(duì)某轎車(chē)進(jìn)行小偏置碰撞工況的仿真分析，按照IIHS的相關(guān)規(guī)定對(duì)該車(chē)型小偏置碰撞結(jié)構(gòu)耐撞性進(jìn)行了評(píng)價(jià)，發(fā)現(xiàn)了該車(chē)型在小偏置碰撞中存在的主要問(wèn)題，并有針對(duì)性地提出優(yōu)化方案：在不改變車(chē)身結(jié)構(gòu)截面和架構(gòu)的前提下，通過(guò)設(shè)置懸架和轉(zhuǎn)向系統(tǒng)失效、優(yōu)化A柱搭接關(guān)系、優(yōu)化門(mén)檻梁選材和在關(guān)鍵部位增加加強(qiáng)件的方式，使得該車(chē)型在小偏置工況下的結(jié)構(gòu)耐撞性評(píng)級(jí)由“差”提升至“好”。

對(duì)于小偏置碰撞，常見(jiàn)的優(yōu)化思路有：① 增加傳遞路徑[19]，將碰撞載荷分散到多個(gè)零部件，避免出現(xiàn)只有單個(gè)零部件承受碰撞力的情況；② 截?cái)鄠鬟f路徑，減少載荷；③ 增加乘員艙強(qiáng)度。雖然本文只是采用了第2和第3種措施就已經(jīng)滿足結(jié)構(gòu)耐撞性“好”評(píng)級(jí)的要求，但是如果再增加第1種措施，則乘員艙侵入量可能會(huì)更小?？紤]到采用更多的優(yōu)化措施會(huì)增加成本，綜合考慮市場(chǎng)承受能力，本文只采用了兩種基本的優(yōu)化措施。因此，在小偏置碰撞結(jié)構(gòu)耐撞性開(kāi)發(fā)的過(guò)程中，設(shè)置懸架和轉(zhuǎn)向系統(tǒng)失效的同時(shí)提高乘員艙強(qiáng)度是行之有效的優(yōu)化方案。該結(jié)果可為轎車(chē)的小偏置碰撞結(jié)構(gòu)耐撞性研究提供參考。

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