季奕 曾祥義 李向榮

中國汽車技術(shù)研究中心 天津市 300300

1 引言

近年來國內(nèi)汽車的保有量逐年上升，交通事故也是呈明顯上升態(tài)勢。根據(jù)交通事故統(tǒng)計(jì)，側(cè)面碰撞約占事故總數(shù)的30%，是交通事故的主要形式。汽車側(cè)面碰撞安全性能被各國作為汽車安全性評價(jià)指標(biāo)之一，尤其在我國道路交通環(huán)境中，道路路口以平面交叉為主，側(cè)面碰撞事故更為嚴(yán)重。當(dāng)車輛發(fā)生側(cè)面碰撞時(shí)，側(cè)面吸能的區(qū)域較小，且碰撞作用的時(shí)間較短，不如汽車前部、后部那樣的足夠空間發(fā)生結(jié)構(gòu)變形來吸收碰撞能量，同時(shí)被撞部分與乘員的距離比較近，容易直接撞擊乘員[1]。所以與正面和后面碰撞相比，車輛側(cè)面碰撞對乘員造成的傷害更大，因此良好的側(cè)面乘員保護(hù)性能對整車安全來說更為重要。

2 2018版C-NCAP側(cè)面碰撞測試條件變化

2.1 壁障參數(shù)的差異

相比2015版?zhèn)让媾鲎部勺冃伪谡希?018版碰撞試驗(yàn)參數(shù)變化比較大。其中試驗(yàn)臺車的質(zhì)量、重心位置、壁障距地面線高度等參數(shù)均進(jìn)行了調(diào)整，詳見表1：

圖1是AEMDB大臂障的照片，從照片也可以看出，前端的形狀為階梯形，不同于之前的壁障。

表1 2018版壁障參數(shù)表

圖1 AEMDB壁障

2.2 試驗(yàn)假人的變化

在2015版的側(cè)面碰撞試驗(yàn)中，前排放置ES-2假人，后排放置SID IIs假人。在新版法規(guī)試驗(yàn)中前排放置的是World SID假人。World SID假人與ES-2假人結(jié)構(gòu)形式不同，World SID假人整體上的剛度比ES-2假人的剛度低。主要體現(xiàn)在當(dāng)假人在y向承受相同的沖擊時(shí)，World SID假人受力更低，加速度更低，肋骨產(chǎn)生的位移更大。在承受斜向的沖擊時(shí)，World SID假人的胸部肋骨與ES-2假人胸部肋骨表現(xiàn)出明顯不同的特性，該工況下World SID假人肋骨位移比ES-2假人的肋骨位移小。對于前排的碰撞性能開發(fā)，得分難度沒有變得嚴(yán)峻，在一定程度上更容易得到相應(yīng)分?jǐn)?shù)。下圖是World SID假人與ES-2假人示意圖：

圖2 World SID側(cè)面碰撞假人

圖3 ES-2側(cè)面碰撞假人

2.3 評價(jià)標(biāo)準(zhǔn)變化

相對于2015版，2018版C-NCAP試驗(yàn)結(jié)果的評價(jià)的指標(biāo)也發(fā)生了變化。前排將根據(jù)新的WORLDSID假人調(diào)整新的高性能及低性能指標(biāo)限值，包括頭部、胸部、腹部和骨盆；第二排假人的評價(jià)指標(biāo)：除頭部和骨盆外，增加胸部和腹部性能評價(jià)指標(biāo)，加大了后排得分的權(quán)重[2]。

3 側(cè)面碰撞機(jī)理

側(cè)面碰撞是一個(gè)移動變形壁障與試驗(yàn)車輛交換動量的過程。隨著移動變形壁障的前進(jìn)，試驗(yàn)車輛側(cè)圍的變形逐漸增大，變形抗力也同樣增大，試驗(yàn)車輛在側(cè)圍變形抗力的作用下逐漸加速；在側(cè)圍變形的同時(shí)，移動小車也逐漸減速，MDB推動被撞車輛，被撞車輛的速度逐漸增加，MDB的速度逐漸下降，最終兩者速度達(dá)到統(tǒng)一。如果兩者質(zhì)量大致相當(dāng)，這一過程滿足動量守恒定律。

由于車門的質(zhì)量較小，碰撞速度上升很快，最終幾乎等于MDB的初始速度，形成車門侵入速度。詳見圖4：

圖4 側(cè)面碰撞運(yùn)動過程原理圖

4 碰撞性能提升方法

4.1 開發(fā)輸入條件及要求變化

首先2018 版更換大壁障后，側(cè)碰壁障質(zhì)量的增加導(dǎo)致碰撞能量增加。根據(jù)能量計(jì)算公式E=12mv2，其中m=1400kg，v=50km/h，計(jì)算出側(cè)碰臺車能量為135.05kJ，比2015版增加47.3%，同時(shí)壁障高度抬高，門檻對側(cè)碰的支撐作用減小，因此側(cè)碰的侵入量和侵入速度會明顯增加。圖5是側(cè)面碰撞模型壁障撞擊位置示意圖：

其次碰撞試驗(yàn)后增加了第二排假人的評價(jià)指標(biāo)：除頭部和骨盆外，對胸部和腹部性能進(jìn)行評價(jià)。這就要求適當(dāng)?shù)奶岣吆箝T及門檻后部的結(jié)構(gòu)強(qiáng)度，控制其最大侵入量。

綜合以上兩點(diǎn)：在側(cè)面碰撞試驗(yàn)中，相對2015版達(dá)到同樣的開發(fā)目標(biāo)，新版的開發(fā)難度大幅提高，隨之帶來的是整車重量和開發(fā)成本的增加。

4.2 開發(fā)目標(biāo)設(shè)定

在碰撞性能開發(fā)過程中，前期一般對車身的開發(fā)目標(biāo)進(jìn)行設(shè)定，特別是B柱作為側(cè)面碰撞受力的主框架，對其相關(guān)的侵入量和侵入速度都有要求，以滿足后期的開發(fā)目標(biāo)。對于五星車開發(fā)，一般建議B柱侵入量控制在120 mm以內(nèi)，侵入速度控制在7.5 m/s以內(nèi)，見表2：

4.3 開發(fā)應(yīng)對措施

對于側(cè)面碰撞，在白車身的開發(fā)過程中，通過封閉的環(huán)形結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)來增加車身的剛度和耐撞性，下圖是側(cè)面碰撞時(shí)車身的傳力路徑示意圖。在碰撞過程中，B柱、門檻梁、座椅橫梁、B柱下部貫通梁、上邊梁等梁系結(jié)構(gòu)起到至關(guān)重要的作用。下面從這幾點(diǎn)詳細(xì)介紹一下碰撞性能提升的措施。

圖5 側(cè)面碰撞位置示意圖

表2 側(cè)面碰撞開發(fā)目標(biāo)分解

圖6 側(cè)面碰撞傳力路徑

4.3.1 B柱結(jié)構(gòu)形式及強(qiáng)度提升

車身B柱是抵抗側(cè)面撞擊的重要部件。在側(cè)碰事故中，B柱本身要承受巨大的沖擊力，同時(shí)還必須支撐車門、頂蓋以及門檻，提高其抗彎矩強(qiáng)度主要靠提高各截面慣性矩和相關(guān)材料的強(qiáng)度來達(dá)成。

從改善傷害值的角度看，B柱在下端折彎效果較好。如果在中上部折彎，會嚴(yán)重影響假人的頭、胸部關(guān)鍵區(qū)域。通過保障B柱上端結(jié)構(gòu)的相對穩(wěn)定性，可以提高乘員的安全性，把較大的潰縮變形轉(zhuǎn)移到下部區(qū)域，從而達(dá)到吸收碰撞能量的目的[3]。

在提高碰撞性能提升的同時(shí)，還要考慮到輕量化及生產(chǎn)工藝等多方面的要求。目前來看主要有采用熱成型板材和激光拼焊兩種方法來提高B柱的整體的強(qiáng)度。

方案一：B柱加強(qiáng)板采用熱成型鋼，材質(zhì)B1500HS；內(nèi)板采用B340/590DP高強(qiáng)鋼板，板厚根據(jù)不同的車型和開發(fā)目標(biāo)略有不同，一般加強(qiáng)板在1.5mm左右，內(nèi)板1.6mm～2.0mm。

方案二：B柱加強(qiáng)板和內(nèi)板采用激光拼焊，同時(shí)在加強(qiáng)板的內(nèi)部增加一個(gè)內(nèi)襯板，材質(zhì)B340/590DP，料厚1.8mm～2.0mm。內(nèi)板和加強(qiáng)板一般分成上下兩段，采用不同的材質(zhì)和料厚板材焊接而成。具體的板材選型可以根據(jù)CAE分析的結(jié)果選取，以達(dá)到輕量化設(shè)計(jì)的目的。

圖7 熱成型鋼板B柱內(nèi)部結(jié)構(gòu)

圖8 激光拼焊B柱內(nèi)部結(jié)構(gòu)

4.3.2 門檻梁

門檻梁是車身側(cè)圍總成從前到后的貫通梁，在碰撞過程中起到和壁障接觸面X向相互接觸的作用，以達(dá)到整體傳力的目的。對于門檻梁較高的車型，傳力作用效果會更明顯，如大中型SUV車型。

在新版的開發(fā)過程中，要重點(diǎn)關(guān)注門檻梁兩端接頭的強(qiáng)度，因?yàn)榕鲎材芰康脑黾訉τ诮宇^的強(qiáng)度提出了更高的要求。

4.3.3 車門防撞梁結(jié)構(gòu)

車門防撞桿在側(cè)碰過程中主要限制車門的侵入量和侵入速度。一般要布置在移動壁障突出的塊所接觸的區(qū)域，要有足夠的彎矩和強(qiáng)度來抵抗侵入變形。

防撞梁結(jié)構(gòu)一般有兩種形式。一個(gè)是“M”形斷面的熱成型防撞梁，其承受的受力面積更大，作用效 果更好；還有一個(gè)是中間是圓管，兩端焊接板材防撞梁結(jié)構(gòu)，其特點(diǎn)是成本較低，工藝上易實(shí)現(xiàn)。工藝和成本上如滿足要求，建議采用第一種方案。

4.3.4 前排座椅橫梁和B柱下貫通梁

座椅橫梁和B柱下貫通梁在側(cè)碰變形過程中給門檻梁提供側(cè)向的支撐，起到傳遞碰撞能量的作用，同時(shí)抑制門檻結(jié)構(gòu)的翻轉(zhuǎn)，結(jié)構(gòu)形式見下圖：

圖9 座椅橫梁和貫通梁示意圖

橫梁和門檻梁接觸的端面盡量的加大，以增加Y向傳力的能力。座椅橫梁和貫通梁材質(zhì)一般采用B340LA或B340/590DP，料厚1.5mm～1.8mm。

5 CAE分析驗(yàn)證

5.1 建立仿真模型

在整車CAD模型的基礎(chǔ)上利用有限元前處理軟件Hypermesh進(jìn)行合理的網(wǎng)格劃分。因車身的大部分零件都是由薄板鋼沖壓而成，因此車身零件全部采用殼單元形式。為了保證模型精度，同時(shí)兼顧控制模型的規(guī)模以節(jié)省計(jì)算時(shí)間，在側(cè)面碰撞中主要變形或可能失效的部件上使用較小的網(wǎng)格來進(jìn)行劃分，而在變形較小或基本不變形的次要部件上剛使用較大尺寸的網(wǎng)格[4]。

完成的仿真模型中沙漏能占模型總能量3.21%，小于目標(biāo)要求5%；滑移界面能占模型總能量1.59%，小于目標(biāo)要求5%；模型總質(zhì)量增加1.59%，小于目標(biāo)要求3%；模型總能量最大波動幅度為1.79%，小于目標(biāo)要求3%?；谝陨蠋c(diǎn)，模型能量變化基本符合能量守恒定律，模型可用于對標(biāo)。具體數(shù)值見表3：

5.2 碰撞仿真分析

仿真分析后，按照前期的開發(fā)目標(biāo)對B柱的侵入量和侵入速度進(jìn)行確認(rèn)。圖10是優(yōu)化前的侵入量，在140mm左右，不滿足開發(fā)目標(biāo)要求。優(yōu)化后B柱的各個(gè)部位侵入量控制在100mm左右，達(dá)到了侵入量在120mm以內(nèi)的開發(fā)目標(biāo)。

侵入速度主要是考察B柱頂端、腰線、鎖扣、底部四個(gè)部位，見圖13。按照要求，各部位侵入速度在7.5m/s以內(nèi)。

通過CAE的仿真分析，對B柱的侵入量和侵入速度進(jìn)行了驗(yàn)證，從而說明了整個(gè)側(cè)面碰撞結(jié)構(gòu)的合理性。既保障了碰撞性能開發(fā)目標(biāo)的達(dá)成，也很好的控制了安全裕度，兼顧到其他工藝部門的要求。

6 結(jié)語

圖10 B柱優(yōu)化前變形圖

圖11 B柱優(yōu)化后變形圖

圖12 優(yōu)化后側(cè)面侵入量示意圖

表3 仿真模型能量控制表

本文從碰撞法規(guī)及試驗(yàn)條件的變化為出發(fā)點(diǎn)，詳細(xì)闡述了側(cè)面碰撞白車身開發(fā)的重點(diǎn)區(qū)域及控制方法，并提出了多種材料、多種結(jié)構(gòu)形式的方案供其他車型參考。通過分析驗(yàn)證，得出以下結(jié)論：

（1）新版的側(cè)面碰撞法規(guī)考察更加嚴(yán)格，其中臺車重量增加450kg，壁障下端抬高100mm。對白車身側(cè)面結(jié)構(gòu)的整體性，特別是B柱周邊結(jié)構(gòu)的開發(fā)提出了更高的要求。

（2）開發(fā)目標(biāo)的設(shè)定較2015版變化不大，難點(diǎn)主要是由于碰撞能量及碰撞位置、面積的變化加大了侵入量、侵入速度目標(biāo)達(dá)成的難度。

圖13 B柱關(guān)考察點(diǎn)示意圖

圖14 B柱頂端侵入速度

圖15 B柱腰線侵入速度

圖16 B柱鎖扣侵入速度

圖17 B柱底部侵入速度

（3）側(cè)面碰撞性能的開發(fā)重點(diǎn)是碰撞性能和輕量化要求的達(dá)成，同時(shí)滿足相關(guān)工藝的要求，比如涂裝、沖壓等等[5]。在車型的開發(fā)過程中，首先要保障整體側(cè)面結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性，然后在控制各個(gè)關(guān)鍵點(diǎn)相關(guān)參數(shù)要求，以避免不必要的工作量發(fā)生。