畢思剛 范凱 唐明理

（一汽奔騰轎車有限公司，長春 130012）

縮略語

BIW Body In White

MPDB Mobile Progressive Deformable Barrier

C-NCAP China-New Car Assessment Program

C-IASI China Insurance Automotive Safety Index

SD Standard Deviation

OLC Occupant Load Criterion

0 引言

伴隨著供給端的技術(shù)革命和需求端的消費升級，汽車產(chǎn)業(yè)正處在深刻變革轉(zhuǎn)型期，產(chǎn)品與技術(shù)領(lǐng)域呈現(xiàn)出電動化、智能網(wǎng)聯(lián)化、駕乘體驗化、安全健康化、節(jié)能降耗化的“五化”發(fā)展趨勢。一方面，“安全健康化”以及日益嚴(yán)格的汽車安全評價指標(biāo)對白車身安全性能開發(fā)提出了更高的要求。以中國新車評價規(guī)程（China-New Car Assessment Program,C-NCAP）和中國保險汽車安全指數(shù)（China Insurance Automotive Safety Index,C-IASI）為例，2021版C-NCAP采用正面50%重疊移動漸進(jìn)變形壁障碰撞試驗（Mobile Progressive De?formable Barrier,MPDB）替代了2018 版正面40%重疊可變形壁障碰撞試驗[1]，在關(guān)注車輛自我保護(hù)的同時對車輛的攻擊性和碰撞兼容性提出了新的要求。CIASI 中的正面25%偏置碰撞試驗工況憑借低碰撞重疊率（25%），高碰撞速度（64.4 km/h）的特點已成為白車身安全性能開發(fā)新的重點課題[2]。另一方面，“駕乘體驗化”和“節(jié)能降耗化”對白車身輕量化設(shè)計提出了更多的挑戰(zhàn)。在滿足高安全性能目標(biāo)的同時兼顧輕量化開發(fā)對白車身開發(fā)的關(guān)鍵技術(shù)能力提出了更高要求。

本文結(jié)合某高安全（2021 版C-NCAP 五星，2020版C-IASI G 評價）SUV 車型白車身產(chǎn)品開發(fā)，圍繞MPDB碰撞兼容性和25%偏置碰工況的解決方案及輕量化技術(shù)開展設(shè)計研究。

1 MPDB碰撞兼容性的開發(fā)難點及解決方案

1.1 開發(fā)難點及應(yīng)對思路

傳統(tǒng)的正面100%重疊剛性壁障碰撞試驗與正面40%重疊可變形壁障碰撞試驗，正面碰撞工況更加關(guān)注的是車輛自身結(jié)構(gòu)件對于碰撞能量的吸收能力，而MPDB工況更加關(guān)注車與車正面碰撞過程中平衡分配碰撞能量以實現(xiàn)“共贏”的能力，即碰撞兼容性水平。平衡“自我保護(hù)”與“保護(hù)對方”之間的矛盾是MPDB碰撞兼容性開發(fā)的難點和關(guān)鍵點。MPDB碰撞兼容性開發(fā)的關(guān)鍵控制指標(biāo)包括以下3方面：

（1）碰撞后壁障變形量的標(biāo)準(zhǔn)偏差（Standard De?viation,SD）：考察壁障評價區(qū)域內(nèi)，碰撞侵入量偏離平均值的離散程度。

（2）依據(jù)壁障減速度測得的臺車上乘員載荷準(zhǔn)則（Occupant Load Criterion,OLC）：考察碰撞臺車虛擬假人所受約束的減速度，反應(yīng)對方車輛乘員所受傷害情況。

（3）碰撞后壁障入侵深度：考察壁障是否“擊穿”[3]。

分析以上關(guān)鍵控制指標(biāo)可以得出影響碰撞兼容性設(shè)計的3大關(guān)鍵要素：

（1）車輛前端傳力結(jié)構(gòu)與壁障評價區(qū)域的接觸面積；

（2）碰撞接觸面的平整程度；

（3）傳力路徑的合理分布以及強(qiáng)度匹配。

1.2 某SUV車型解決方案及輕量化技術(shù)

1.2.1 優(yōu)化車輛前端與壁障評價區(qū)域的接觸面積

為使車輛前端傳力結(jié)構(gòu)能夠有效覆蓋壁障評價區(qū)域，使碰撞載荷得到合理分布，某SUV 車型前端采用了寬防撞梁加雙吸能盒設(shè)計，并在主防撞梁下部增加副防撞梁，如圖1所示。同時，前防撞梁及雙吸能盒采用擠壓鋁型材，副防撞梁采用管梁代替鈑金橫梁結(jié)構(gòu)實現(xiàn)輕量化。

圖1 車輛前端傳力結(jié)構(gòu)與壁障重疊區(qū)域示意

1.2.2 碰撞接觸面及傳力路徑設(shè)計

主副防撞梁作為車輛前端與壁障最先接觸區(qū)域，其平整程度是設(shè)計關(guān)鍵。該車型主副防撞梁X向型面采用平齊設(shè)計，且曲率保持一致，確保與壁障的碰撞接觸面平整無突兀。在傳力路徑設(shè)計方面，增加上部路徑，將前端梁（Shotgun）前伸至前縱梁前端板，與加寬后的雙吸能盒以及前縱梁相連，加強(qiáng)對碰撞載荷的吸收與傳導(dǎo)，如圖2所示。

圖2 車輛前端傳力路徑及與壁障接觸面示意

1.2.3 方案分析驗證

通過增大碰撞接觸面積、提升接觸面平整度和優(yōu)化碰撞傳力路徑，提升白車身碰撞兼容性。經(jīng)CAE分析及實車試驗驗證，車輛前端的碰撞傳力結(jié)構(gòu)變形合理，最終總體罰分為-1.5 分，滿足兼容性罰分開發(fā)目標(biāo)。實車驗證試驗結(jié)果如圖3和圖4所示。驗證結(jié)果表明：本文中SUV車型白車身應(yīng)對MPDB 碰撞兼容性工況所采用的設(shè)計方案可行，具備推廣借鑒基本條件。

圖3 實車試驗壁障變形示意

圖4 實車試驗壁障表面變形云圖

2 25%偏置碰開發(fā)難點及解決方案

2.1 開發(fā)難點及應(yīng)對思路

正面25%偏置碰撞試驗時車速高達(dá)64.4 km/h，且剛性壁障與傳統(tǒng)車型縱梁幾乎不發(fā)生接觸，A柱及門檻受到較大沖擊，如何將碰撞能量有效合理的吸收和傳導(dǎo)是25%偏置碰工況開發(fā)的難點和關(guān)鍵點[4]。應(yīng)對25%偏置碰的車體結(jié)構(gòu)策略主要有2大類。

2.1.1 側(cè)滑策略

通過Shotgun前伸后與前端框架上橫梁弧形連接形成環(huán)抱式封閉框架，同時加強(qiáng)Shotgun 與前縱梁的連接，當(dāng)車輛與壁障接觸時能夠產(chǎn)生足夠的Y向側(cè)推力，使車輛繞過壁障側(cè)向滑出，從而減小對乘員艙的侵入量。該策略對前機(jī)艙的橫向剛度要求很高，除Shotgun 自身的截面和厚度比較大以外，Shotgun 與縱梁、兩側(cè)Shotgun 之間的連接也需要采用剛度較高的材料和結(jié)構(gòu)設(shè)計。同時，由于輪胎與壁障接觸面積較大，為確保車輛能夠與壁障順利分離需要輪胎能夠在碰撞中失效脫出，這對輪胎連接結(jié)構(gòu)的可靠性設(shè)計提出了較高要求。由于車輛首次碰撞后仍然具有較大的滑移速度，也容易產(chǎn)生二次碰撞傷害。

2.1.2 吸能策略

通過對傳力路徑及吸能結(jié)構(gòu)的合理有效設(shè)計，使前機(jī)艙對碰撞能量的吸收最大化。同時，對乘員艙A柱、門檻、地板縱梁關(guān)鍵承力結(jié)構(gòu)進(jìn)行加強(qiáng)，將碰撞能量有效傳導(dǎo)和吸收，從而達(dá)成侵入量指標(biāo)。目前，吸能策略在行業(yè)內(nèi)的應(yīng)用較為廣泛。

2.2 某SUV車型解決方案及輕量化技術(shù)

某SUV 車型基于吸能策略，圍繞車體傳力路徑、傳力結(jié)構(gòu)設(shè)計以及材料工藝選用進(jìn)行了技術(shù)優(yōu)化與創(chuàng)新應(yīng)用。

2.2.1 傳力路徑設(shè)計

為實現(xiàn)剛性壁障與車體傳力結(jié)構(gòu)有效接觸，對車體前部傳力結(jié)構(gòu)進(jìn)行重構(gòu)優(yōu)化，如圖5所示：

圖5 機(jī)艙前部傳力結(jié)構(gòu)設(shè)計示意

（1）前防撞梁及吸能盒Y向擴(kuò)展，增加與壁障接觸面積；

（2）前縱梁前部在避讓輪胎包絡(luò)后Y向外張，加強(qiáng)對吸能盒的支撐，增加與壁障接觸面積；

（3）Shotgun 前伸至前縱梁前端板，與加寬后的雙吸能盒以及前縱梁相連。

為實現(xiàn)碰撞載荷的有效分解和傳導(dǎo)，該車型在傳力路徑設(shè)計上著重采取了3方面優(yōu)化措施（圖6～圖8）：

圖6 傳力路徑示意（側(cè)向視角）

圖7 傳力路徑示意（底部視角）

圖8 傳力路徑示意（車內(nèi)視角）

（1）Shotgun 前伸后形成上部傳力路徑，增加前機(jī)艙對碰撞能量的吸能，同時更好的將碰撞能量傳導(dǎo)至A柱區(qū)域（圖6）；

（2）下部采用“E”形傳力路徑設(shè)計，將碰撞能量分解至門檻和中通道，同時縱梁主體前后連續(xù)貫通，避免局部應(yīng)力集中（圖7）；

（3）強(qiáng)化縱梁與A柱及門檻間的連接，提升橫向剛度，避免縱梁與門檻間因相互錯動導(dǎo)致侵入量超標(biāo)（圖8）。

2.2.2 傳力結(jié)構(gòu)優(yōu)化及材料工藝創(chuàng)新

為確保前機(jī)艙各吸能結(jié)構(gòu)充分有效，傳力路徑上各零部件強(qiáng)度相互匹配，在該車型開發(fā)中針對傳力結(jié)構(gòu)開展了6項細(xì)節(jié)優(yōu)化，包括創(chuàng)新應(yīng)用新材料、新工藝實現(xiàn)輕量化，如圖9所示。

圖9 傳力結(jié)構(gòu)優(yōu)化示意

（1）A柱上部加強(qiáng)板創(chuàng)新采用1.8 GPa熱成型鋼+補(bǔ)丁板（Patch）設(shè)計，通過Patch板對易彎折區(qū)域進(jìn)行局部加強(qiáng)，同時可節(jié)省模具費用。A柱內(nèi)板創(chuàng)新應(yīng)用第三代超高強(qiáng)鋼QP980，料厚由1.2 mm優(yōu)化至1.0 mm實現(xiàn)輕量化。

（2）A 柱下部與前圍搭接區(qū)域增加螺接結(jié)構(gòu)加強(qiáng)件，強(qiáng)化關(guān)鍵傳力接頭，提升局部穩(wěn)定性。

（3）在前地板上部增加T 形穩(wěn)定結(jié)構(gòu)，強(qiáng)化縱梁與門檻間的橫向剛度，避免發(fā)生錯動變形。

（4）對前門洞轉(zhuǎn)角區(qū)域焊點進(jìn)行加密，強(qiáng)化關(guān)鍵傳力接頭，同時規(guī)避焊點失效風(fēng)險。

（5）門檻加強(qiáng)板延伸至A 柱下部最前端，同時局部增加L形角板進(jìn)行補(bǔ)強(qiáng)。

（6）A柱下部加強(qiáng)板及內(nèi)板采用全包裹設(shè)計，提升關(guān)鍵傳力接頭的結(jié)構(gòu)強(qiáng)度。

2.2.3 方案分析驗證

通過傳力路徑的合理設(shè)計、傳力結(jié)構(gòu)的細(xì)節(jié)優(yōu)化以及材料工藝創(chuàng)新技術(shù)的應(yīng)用，經(jīng)CAE 分析驗證，白車身碰撞傳力結(jié)構(gòu)變形合理，A柱上部未發(fā)生明顯彎折，各項侵入量指標(biāo)達(dá)成開發(fā)目標(biāo)要求，如圖10、圖11所示。驗證結(jié)果表明，本文中SUV車型應(yīng)對25%偏置碰工況所采用的設(shè)計方案可行。

圖10 CAE分析變形結(jié)果示意

圖11 CAE分析侵入量結(jié)果

3 結(jié)束語

結(jié)合某高安全（2021版C-NCAP 五星，2020版CIASI G評價）SUV車型白車身產(chǎn)品開發(fā)，圍繞MPDB碰撞兼容性和25%偏置碰工況的開發(fā)難點、應(yīng)對思路、解決方案及輕量化技術(shù)進(jìn)行了詳細(xì)分析闡述，經(jīng)CAE分析及實車試驗驗證達(dá)成開發(fā)目標(biāo)要求，形成了應(yīng)對MPDB 碰撞兼容性和25%偏置碰工況的有效路徑，夠滿足碰撞兼容性和輕量化要求，該方案可以推廣到后續(xù)高安全車型白車身產(chǎn)品開發(fā)中。