楊浪,戴尹安,唐燦
(威馬汽車科技集團(tuán)有限公司,四川 成都 610106)
側(cè)面碰撞事故是汽車交通事故中較為常見的一種碰撞形式。因車輛側(cè)面結(jié)構(gòu)吸能空間較小,在碰撞事故中易對(duì)車內(nèi)乘員產(chǎn)生較大的損傷[1]。側(cè)面碰撞是發(fā)生頻率高、致死率和致傷率都較大的交通事故形式,事故統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)表明世界上大約30%嚴(yán)重交通事故都與側(cè)面碰撞有關(guān)。隨著美國(guó)IIHS 及國(guó)內(nèi)C-IASI 對(duì)大壁障側(cè)面碰撞進(jìn)行測(cè)試考核,側(cè)面碰撞結(jié)構(gòu)要求更加嚴(yán)格[2]。本文建立了某車型的整車側(cè)面碰撞仿真模型,并按照2020 版C-IASI 規(guī)定的碰撞碰撞速度進(jìn)行動(dòng)態(tài)碰撞仿真。通過與實(shí)車側(cè)面碰撞試驗(yàn)數(shù)據(jù)對(duì)比驗(yàn)證了仿真模型的有效性,并提出了提高該車側(cè)面結(jié)構(gòu)抗撞性的措施和結(jié)構(gòu)改進(jìn)方案。
在Hypermesh 中對(duì)該車型幾何模型進(jìn)行前處理,建立整車有限元模型。該模型主要包含底盤裝置和白車身裝置。有限元網(wǎng)格采用殼單元形式,部分為實(shí)體單元。部件與部件之間為焊單元,部分螺栓連接處設(shè)置為剛性單元連接[3]。
移動(dòng)壁障車有限元模型由車體和前部蜂窩材料的吸能塊組成。碰撞壁障為C-IASI 側(cè)面碰撞用移動(dòng)壁障車有限模型。按照C-IASI 規(guī)程中對(duì)側(cè)面移動(dòng)壁障剛度要求,對(duì)壁障有限元模型進(jìn)行了仿真計(jì)算,其結(jié)果表明與試驗(yàn)中的剛度曲線較一致,滿足有限元模型對(duì)標(biāo)要求,可進(jìn)行下一步計(jì)算。
側(cè)面碰撞仿真模型節(jié)點(diǎn)和單元數(shù)如表1 所示。
表1 有限元模型的單元及節(jié)點(diǎn)數(shù)
該車型進(jìn)行的C-IASI 實(shí)車側(cè)面碰撞中,整車試驗(yàn)質(zhì)量是1.631kg,試驗(yàn)速度為50.38km/h。為了對(duì)仿真模型數(shù)據(jù)和實(shí)車試驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行對(duì)標(biāo)分析,將假人和油液等質(zhì)量附加在模型白車身上,仿真模型總質(zhì)量與實(shí)車質(zhì)量一致,并調(diào)整重心位置使仿真模型中前后軸重量配比及前后車姿高度均與試驗(yàn)保持一致,仿真中移動(dòng)壁障模型速度也是50.38km/h。
將仿真模型進(jìn)行運(yùn)算并輸出仿真結(jié)果。在后處理軟件中將仿真數(shù)據(jù)與試驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行對(duì)比分析。仿真模型中的質(zhì)量增加為4.04%,沙漏能占比為0.53%,均控制在5%范圍內(nèi)。動(dòng)能轉(zhuǎn)換為內(nèi)能過程中,能量轉(zhuǎn)換平滑,且總動(dòng)能不變,表明仿真運(yùn)算結(jié)果正常。
表2,圖1 分別為仿真模型中的B 柱與實(shí)車試驗(yàn)中的B柱在碰撞中的侵入量和速度對(duì)比,圖2 為整車側(cè)面碰撞變形。從數(shù)據(jù)對(duì)比圖中,我們可以看到B 柱、車門侵入速度曲線與試驗(yàn)吻合,由此可以得到:(1)仿真結(jié)果在可接受誤差范圍內(nèi);(2)計(jì)算結(jié)果與試驗(yàn)結(jié)果一致性較好;(3)模型可信,可用于后續(xù)研發(fā)等相關(guān)工作。
表2 B 柱測(cè)量點(diǎn)侵入量對(duì)比
圖1 B 柱測(cè)量點(diǎn)速度曲線對(duì)比
圖2 整車變形對(duì)比
分析原車型實(shí)車側(cè)面碰撞試驗(yàn)及仿真中的運(yùn)動(dòng)動(dòng)畫,發(fā)現(xiàn)該車側(cè)面結(jié)構(gòu)在以下幾方面變形較為嚴(yán)重:(1)門檻梁變形過大;(2)B 柱下端屈曲較為嚴(yán)重;(3)座椅安裝后橫梁處折彎比較嚴(yán)重,如圖3 所示。
圖3 座椅安裝后橫梁變形動(dòng)畫
由于上述三處變形較為嚴(yán)重,駕駛員腹部和骨盆傷害值較為高。為提高整車側(cè)面碰撞安全性,應(yīng)對(duì)上述三處進(jìn)行優(yōu)化。而與上述三處變形吸能都相關(guān)的是座椅安裝后橫梁,其抗彎能力不足,使得車門侵入量過大,對(duì)整車側(cè)面碰撞性能有一定影響[4]。因此,在制定優(yōu)化措施時(shí),我們將重點(diǎn)放在對(duì)前排座椅后安裝橫梁的變形上。因此,本文的優(yōu)化方案是:調(diào)整座椅安裝后橫梁型面結(jié)構(gòu),提高其抗彎強(qiáng)度。
在仿真模型中,對(duì)座椅安裝后橫梁型面結(jié)構(gòu)進(jìn)行調(diào)整,如圖4 所示。
圖4 座椅安裝后橫梁型面結(jié)構(gòu)調(diào)整
對(duì)優(yōu)化后的方案進(jìn)行仿真計(jì)算,并與原模型進(jìn)行對(duì)比分析,如表3 所示。
表3 優(yōu)化前后B 柱測(cè)量點(diǎn)侵入量對(duì)比
汽車側(cè)面安全性設(shè)計(jì)是汽車車身結(jié)構(gòu)安全性研究的重點(diǎn)。在車身結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中應(yīng)充分利用B 柱、車門及門檻之間的搭接,保證側(cè)面結(jié)構(gòu)侵入量較小,給車內(nèi)乘員足夠的生存空間[5]。本文建立并驗(yàn)證了某車型的有限元模型,針對(duì)側(cè)面碰撞中變形較嚴(yán)重的部位,進(jìn)行了前排座椅后安裝梁的型面結(jié)構(gòu)優(yōu)化,提高了其抗彎強(qiáng)度,有效的改善了該車型的側(cè)面碰撞安全性。同時(shí),在提高側(cè)面碰撞安全性的以后研發(fā)中,建議從以下幾個(gè)方面進(jìn)行改進(jìn):
(1)車門防撞梁。在側(cè)面碰撞中防撞梁使得車門不會(huì)過多的侵入以保證了乘員安全。因此,應(yīng)對(duì)車門防撞梁進(jìn)行結(jié)構(gòu)優(yōu)化,替換更高強(qiáng)度的材料等優(yōu)化方案,以提高其抗彎能力。
(2)座椅橫梁。在碰撞中座椅橫梁應(yīng)將碰撞側(cè)的沖擊力通過中央通道傳遞到非碰撞側(cè),分散減小碰撞力。通過加強(qiáng)橫梁局部結(jié)構(gòu)來提高其強(qiáng)度,保證其不折彎變形。
(3)B 柱。增加B 柱與車頂?shù)倪B接強(qiáng)度,減少B 柱的侵入變形量,保證車內(nèi)乘員足夠的生存空間。