鐘鎵濘，楊標(biāo)麟，賈麗剛

一種車(chē)型的貫通式圓管側(cè)圍結(jié)構(gòu)

鐘鎵濘1，楊標(biāo)麟2，賈麗剛2

（1.湖南湖大艾盛汽車(chē)技術(shù)開(kāi)發(fā)有限公司柳州分公司，廣西 柳州 545000；2.上汽通用五菱汽車(chē)股份有限公司，廣西 柳州 545007）

汽車(chē)在正面碰撞仿真分析過(guò)程中存在門(mén)框變形量較大的風(fēng)險(xiǎn)，該風(fēng)險(xiǎn)易導(dǎo)致假人損傷不滿足正面碰撞法規(guī)要求。對(duì)此進(jìn)行結(jié)構(gòu)優(yōu)化，在側(cè)圍內(nèi)部增加貫通式圓管結(jié)構(gòu)，該方案成本較低且有效降低門(mén)框變形量與假人損傷值；最后將優(yōu)化方案進(jìn)行實(shí)車(chē)驗(yàn)證，試驗(yàn)結(jié)果與仿真分析結(jié)果一致，滿足正面碰撞國(guó)標(biāo)要求；同時(shí)為該車(chē)型的正面碰撞開(kāi)發(fā)積累了有效經(jīng)驗(yàn)，降低了汽車(chē)設(shè)計(jì)與制造成本。

正面碰撞；貫通式圓管；結(jié)構(gòu)優(yōu)化

汽車(chē)正面碰撞過(guò)程中，可通過(guò)優(yōu)化前縱梁吸能結(jié)構(gòu)[1]或增加shotgun、副車(chē)架等傳力路徑對(duì)車(chē)身結(jié)構(gòu)進(jìn)行優(yōu)化。本文針對(duì)某款正在開(kāi)發(fā)的乘用車(chē)正面碰撞工況，使用有限元仿真分析方法，參照《汽車(chē)正面碰撞的乘員保護(hù)》（GB11551—2014）的試驗(yàn)要求[2]搭建有限元模型進(jìn)行仿真分析，對(duì)分析結(jié)果進(jìn)行優(yōu)化，并按優(yōu)化方案造車(chē)進(jìn)行實(shí)車(chē)驗(yàn)證。

1 搭建有限元仿真模型

在有限元計(jì)算中，搭建科學(xué)合理的模型是仿真計(jì)算成功的關(guān)鍵。針對(duì)不同的求解類(lèi)型，有限元模型建立的側(cè)重點(diǎn)也略有不同[3]。在保證模型計(jì)算精度的前提下，為了提高工作效率，需盡可能縮短建模時(shí)間和求解計(jì)算的時(shí)間。參考國(guó)標(biāo)正碰法規(guī)搭建有限元仿真模型：

1）在HyperMesh軟件中導(dǎo)入車(chē)身區(qū)域提供的STP格式模型，按照建摸規(guī)范對(duì)白車(chē)身、車(chē)門(mén)、動(dòng)力總成、前后懸、儀表板骨架、轉(zhuǎn)向系統(tǒng)、制動(dòng)系統(tǒng)和座椅等進(jìn)行網(wǎng)格劃分，基準(zhǔn)尺寸為8 mm，確保模型網(wǎng)格正交性良好，無(wú)網(wǎng)格交叉和滲透[4]，車(chē)身變形較大區(qū)域如吸能盒、防撞梁、大梁及封板采用5 mm網(wǎng)格。

2）根據(jù)車(chē)身鈑金的厚度及材料屬性信息對(duì)整車(chē)模型進(jìn)行定義，為保證模型的計(jì)算精度及計(jì)算效率，大部分部件采用2#積分定義，變形較大區(qū)域則采用16#積分并用沙漏控制變形，材料曲線為真實(shí)應(yīng)力應(yīng)變曲線。

3）整車(chē)模型中，焊點(diǎn)和粘膠均采用六面體實(shí)體單元模擬，其中焊點(diǎn)材料為MATL100材料[5]；粘膠材料為MATL1材料，車(chē)身螺栓及二保焊采用rigidbody模擬。

4）正面壁障為剛性墻壁障，類(lèi)型RWPlanar，位置布置在某乘用車(chē)最前端。

5）根據(jù)整車(chē)和壁障之間的實(shí)際接觸情況，在仿真分析里定義相應(yīng)的接觸類(lèi)型：其中包括整車(chē)內(nèi)部的自接觸、壁障與車(chē)身的面面接觸、焊點(diǎn)或粘膠與鈑金的點(diǎn)面接觸以及玻璃與粘膠的點(diǎn)面接觸等。

2 載荷邊界條件

根據(jù)法規(guī)要求，剛性墻壁障固定于水平地面上，乘用車(chē)以(50±2) km/h的速度撞擊壁障，輸出控制卡片，包含計(jì)算時(shí)間、應(yīng)力應(yīng)變等參數(shù)便于后續(xù)結(jié)果查看[6]。調(diào)整好的有限元計(jì)算模型如圖1所示。

圖1 整車(chē)正碰模型

3 計(jì)算結(jié)果分析

模型計(jì)算完成后，需對(duì)計(jì)算結(jié)果進(jìn)行檢查以確保計(jì)算的準(zhǔn)確性，其中包括：鈑金件是否飛出、模型連接是否正確、模型五大能量曲線是否平穩(wěn)，整車(chē)總能量應(yīng)基本保持不變[7]。同時(shí)，為了提高仿真精度和穩(wěn)定性，模型質(zhì)量增加要小于5%。根據(jù)上述原則，得到光滑平穩(wěn)的能量曲線，模型質(zhì)量增加為3.15%，小于5%。說(shuō)明仿真模型精度及準(zhǔn)確性可行，可進(jìn)行結(jié)果查看以及方案優(yōu)化。

根據(jù)國(guó)標(biāo)正碰評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)（該標(biāo)準(zhǔn)是企業(yè)長(zhǎng)期經(jīng)驗(yàn)積累形成，不適用于其他車(chē)型，僅供參考）查看車(chē)身加速度、回彈時(shí)刻、侵入量等如表1所示。

表1 正碰侵入量及侵入速度

測(cè)量位置度量目標(biāo)值仿真結(jié)果 車(chē)身最大加速度L<45 g42.3 R<45 g45 回彈時(shí)刻L>60 ms52.9 R>60 ms52 整車(chē)動(dòng)態(tài)壓潰量侵入量>500 mm440.3 前圍板侵入量侵入量<200 mm199.5 前圍腳踏板安裝點(diǎn)侵入量侵入量<100 mm95 擱腳板侵入量侵入量<50 mm45 管柱跳動(dòng)量X<72 mm88.2 Z<60 mm5.8 門(mén)框變形量L<25 mm49.7 R<25 mm50.5

查看統(tǒng)計(jì)結(jié)果可知，該車(chē)型管柱向跳動(dòng)量以及門(mén)框變形量超出目標(biāo)值，如圖2、圖3所示，需進(jìn)行優(yōu)化。

圖2 車(chē)門(mén)外板變形圖

圖3 管柱X向跳動(dòng)量圖

4 結(jié)構(gòu)優(yōu)化及實(shí)車(chē)驗(yàn)證

根據(jù)仿真結(jié)果對(duì)車(chē)身進(jìn)行優(yōu)化，優(yōu)化改進(jìn)方向是通過(guò)在側(cè)圍增加貫通式圓管，提高側(cè)圍結(jié)構(gòu)強(qiáng)度，進(jìn)而減小門(mén)框變形量以及管柱向跳動(dòng)量，仿真方案如圖4所示。

圖4 貫通式圓管

表2 優(yōu)化方案描述

增加部件材料厚度/mm重量/kg 貫通式圓管H340LAD1.52.0

根據(jù)表2所示方案，重新建立仿真模型進(jìn)行計(jì)算，仿真優(yōu)化結(jié)果如圖5、圖6所示。優(yōu)化方案門(mén)框變形量以及管柱跳動(dòng)量改善明顯，滿足國(guó)標(biāo)要求。因此，按照優(yōu)化方案進(jìn)行造車(chē)試驗(yàn)驗(yàn)證。

圖5 車(chē)門(mén)外板變形圖

圖6 管柱X向跳動(dòng)量圖

最終試驗(yàn)結(jié)果假人損傷如表3所示，假人損傷滿足要求，綜合結(jié)果滿足法規(guī)要求，試驗(yàn)變形圖如圖7所示。

表3 假人損傷及其法規(guī)要求

部位測(cè)量項(xiàng)法規(guī)乘員傷害指標(biāo)試驗(yàn)結(jié)果 駕駛員側(cè)乘員側(cè) 頭部HIC36≤1 000635275 3 ms合成加速度/g≤8060.6144.21 頸部剪切力Fx/kN3.1@0 ms0.543@0 ms0.537@0 ms 1.5@25-35 ms 1.1@45 ms 張力Fz/kN3.3@0 ms2.078@0 ms0.942@0 ms 2.9@35 ms 1.1@60 ms 彎矩My/N.m≤5735.8234.23 胸部壓縮變形量/mm≤7531.529.6 VC/(m/s)≤1.00.190.1 大腿壓力/kN9.07@0 ms1.7250.988 7.58@10 ms3.6580.819 其它所有車(chē)門(mén)保持鎖止?fàn)顟B(tài)，右側(cè)門(mén)均能正常打開(kāi) 約束系統(tǒng)完好，松脫力<60 N 綜述滿足法規(guī)要求

圖7 試驗(yàn)變形圖

5 結(jié)論

本文通過(guò)在側(cè)圍內(nèi)增加貫通式圓管梁解決了某車(chē)型在開(kāi)發(fā)過(guò)程中出現(xiàn)的門(mén)框變形量較大、管柱跳動(dòng)量過(guò)大等問(wèn)題，避免了試驗(yàn)失敗又重新造車(chē)驗(yàn)證的繁瑣流程，并得出以下結(jié)論：

1）此貫通式圓管結(jié)構(gòu)燒焊在側(cè)圍鈑金空腔內(nèi)，不影響原基準(zhǔn)車(chē)型車(chē)身結(jié)構(gòu)；

2）此結(jié)構(gòu)提升側(cè)圍的強(qiáng)度，更有利于碰撞過(guò)程中對(duì)車(chē)身、車(chē)門(mén)以及乘員安全的保護(hù)；

3）此結(jié)構(gòu)可相應(yīng)降低A柱、B柱、門(mén)檻加強(qiáng)板的料厚，有利于輕量化設(shè)計(jì)；

4）本文的建模方法和優(yōu)化思路可應(yīng)用于同系列車(chē)型研究開(kāi)發(fā)當(dāng)中，以提高研發(fā)利用率。

[1] 劉博,高云凱,左文杰.車(chē)身結(jié)構(gòu)件軸向壓潰性能的截面優(yōu)化[J].汽車(chē)技術(shù),2018(5):56-60.

[2] 全國(guó)汽車(chē)標(biāo)準(zhǔn)化技術(shù)委員會(huì).汽車(chē)正面碰撞的乘員保護(hù):GB 11551—2014[S].北京:中國(guó)標(biāo)準(zhǔn)出版社,2015.

[3] 梁卓,吳磊.客車(chē)側(cè)翻仿真全程計(jì)算方法的研究[J].廣西科技大學(xué)學(xué)報(bào),2017(2):74-78.

[4] 農(nóng)天武,黃惠星,吳磊,等.基于某新能源車(chē)后排安全帶固定點(diǎn)強(qiáng)度的車(chē)身局部結(jié)構(gòu)優(yōu)化[J].廣西科技大學(xué)學(xué)報(bào),2020,31(4):112-117.

[5] 陳軍,成艾國(guó),陳濤,等.Beam與Solid兩種點(diǎn)焊模擬方法對(duì)比研究[J].中國(guó)機(jī)械工程,2012(19):2388-2392.

[6] 劉晶,解維杰,彭丹,等.基于碰撞安全的復(fù)合材料尾門(mén)設(shè)計(jì)[J].汽車(chē)零部件,2021(3):6-11.

[7] 黃虎,劉新田,張佳俊.MPV汽車(chē)正面碰撞有限元分析[J].拖拉機(jī)與農(nóng)用運(yùn)輸車(chē),2009,36(2):51-52.

A Kind of Through Tube Side Wall Structure for Vehicle Type

ZHONG Jianing1, YANG Biaolin2, JIA Ligang2

( 1.Liuzhou Branch of Hunan Huda Aisheng Automobile Technology Development Company Limited,Liuzhou, 545000, China; 2.SAIC GM Wuling Automobile Company Limited, Liuzhou 545007, China )

There is a risk of large deformation of door frame in the simulation analysis of frontal collision, which can easily lead to dummy damage not meeting the requirements of frontal collision regulations.The structural optimization is carry out by adding a through tube structure inside the side enclosure. The cost of the scheme is low and the deformation of the door frame and the dummy damage value are effectively reduced.Finally, the optimization scheme is verified in real vehicle, and the test results are consistent with the simulation analysis results, which meet the national standard of frontal impact.At the same time, it has accumulated effective experience in frontal collision development and reduced the cost of vehicle design and manufacturing.

Frontal collision; Through type round pipe; Structural optimization

U462.3

A

1671-7988(2023)11-82-04

鐘鎵濘（1995－），女，工程師，研究方向?yàn)槠?chē)碰撞安全仿真與試驗(yàn)，E-mail:390841282@qq.com。

柳州市科技計(jì)劃項(xiàng)目資助（2021AAA0103）。

10.16638/j.cnki.1671-7988.2023.011.014