摘要：結合《乘用車頂部抗壓強度》國家強制標準及國內外頂部抗壓要求技術發(fā)展趨勢，以某VAN車型車身結構頂部抗壓強度提升為例，建立其有限元模型，利用LS-DYNA軟件進行仿真研究。對B柱結構進行深入分析可知，保持B柱加強板從上到下的完整性可以顯著提升頂部抗壓強度，并在B柱形成穩(wěn)定傳力路徑結構下，提升B柱加強板結構強度及B柱上里板材料牌號，可以進一步提升頂部抗壓強度，并滿足法規(guī)要求。

關鍵詞：車身結構；頂部抗壓強度；B柱

中圖分類號：U461 收稿日期：2024-07-13

DOI：10.19999/j.cnki.1004-0226.2024.10.007

1 前言

在車禍形態(tài)中，汽車翻滾事故的受傷率和致死率都高于正面、?側面、?追尾等碰撞形態(tài)。?據(jù)國內權威數(shù)據(jù)統(tǒng)計，?乘用車翻滾事故受傷率為55.6%，?死亡率達到10.9%，?這表明翻滾事故對人體的傷害或致死率非常高。?此外，?翻滾事故在交通事故中所占比例雖然不高，?大約在2%～3%，?但其造成的人員傷亡卻占整個交通事故傷亡人數(shù)的20%～30%，?進一步凸顯了翻滾事故的嚴重性。?汽車翻滾主要發(fā)生在汽車高速行駛轉彎時，行駛不穩(wěn)定造成汽車側翻并連接翻滾。

車輛翻滾事故可能引發(fā)的一系列問題，包括ABC柱形變、?內部損傷、?車架與車體外殼受損以及車梁結構變形等。?滾翻時車頂受沖擊載荷作用發(fā)生大變形并侵入乘客室，使乘員生存空間變小，易對乘員造成傷害。大量研究表明，車頂強度偏弱是引起乘員頭部和頸部受傷的直接原因[1]。

我國強檢法規(guī)GB 26134—2010《乘用車頂部抗壓強度》對汽車頂部的結構強度進行了明確的規(guī)定：當按照標準的試驗要求對車頂施加向下載荷時，加載裝置下表面的移動量不應超過127 mm，同時載荷的大小要達到整車整備質量的1.5倍，但不超過22 240 N[2]。隨著中國汽車保有量不斷提高，人們對汽車安全性的要求越來越高，各大主機廠越來越重視安全性能，通過結構設計和高強鋼板的運用，車體的抗撞和抗壓能力不斷提升，安全性能得到了大幅提升。GB 26134—2010《乘用車頂部抗壓強度》已經運行了10多年，國家經過對市場車型的調研和摸底，其乘用車頂部抗壓強度大多數(shù)可達到整備質量的3倍，在2022年，國家發(fā)布了GB 26134—201X《乘用車頂部抗壓強度》征求意見稿，將頂部抗壓能力從整車整備質量的1.5倍但不超過22 240 N，提升至3倍但不超過45 000 N。

2 搭建有限元模型

2.1 試驗要求

根據(jù)標準GB 26134—2010《乘用車頂部抗壓強度》的試驗規(guī)定：車輛剛性的固定在剛性地面上，關閉所有車窗，關閉并鎖死所有車門，按照圖1所示的定位加載裝置，使其縱軸前傾角為水平面向下5°（側視），并且縱軸平行于穿過車輛縱向中心線的垂直面，橫向外傾角為水平面向下25°（正視）。同時加載裝置下表面的前緣中點距離車頂外表面最前點254 mm。

根據(jù)標準GB 26134—202X《乘用車頂部抗壓強度》的征求意見稿，按照上述規(guī)定的試驗方法，對于車身結構對稱的車輛，隨機選取一側施加載荷（若車身結構不對稱，則選取車身結構較弱一側施加載荷），施加載荷為車輛整備質量的3.0倍或45.0 kN（取兩者較小值）。當載荷達到規(guī)定值時，加載裝置下表面的移動量應不大于127 mm，頭部模型受力應不大于222 N（g取9.8 N/kg）。

2.2 搭建有限元分析模型

本文利用HyperWorks前處理軟件，對VAN車型建立頂部抗壓強度計算模型，通過Ls-Dyna軟件求解運算得到了其頂部抗壓強度的性能。

根據(jù)法規(guī)試驗要求搭建頂部抗壓強度仿真模型，為縮短仿真計算時間，刪除底盤系統(tǒng)、座椅系統(tǒng)、動力系統(tǒng)等，這些系統(tǒng)不參與承載變形不影響仿真計算結果，同時只建立白車身、前車門、側滑門、前風窗玻璃、儀表系統(tǒng)，這些結構參與承載變形，對仿真計算結果起關鍵作用。模型的網格尺寸、單元翹曲度、長寬比、最大及最小內角、三角形單元比例都要滿足碰撞網格質量標準。

加載裝置的長1 829 mm、寬762 mm、厚度1 mm，加載裝置設置為剛體材料，將加載裝置按照試驗要求進行擺放，如圖2所示。同時在加載壓板上建立局部坐標系，加載壓板只釋放法向自由度。通過對比不同加載速度的仿真結果影響，選取了合適的加載速度不對仿真結果的造成影響。前車門主要由內外板和防撞梁構成，B柱結構由內外板及中間多端加強板構成，具體結構及材料信息如圖3所示。

3 仿真分析

對比分析兩種車門狀態(tài)，即前車門玻璃處于全關閉狀態(tài)和前車門玻璃處于全打開狀態(tài)，前車門玻璃全關閉狀態(tài)下仿真分析結果最大承載載荷為25.72 kN，見圖4，可滿足現(xiàn)行國標要求載荷24.46 kN（22.24 kN的1.1倍安全系數(shù)）；前車門玻璃全打開狀態(tài)下仿真分析結果最大承載為24.13 kN；兩種車門狀態(tài)承載載荷相差1 591 N。

該車型設計整備質量為1 511 kg，其頂部抗壓強度的承載載荷目標為49.5 kN（45.5 kN的1.1倍安全系數(shù)），車身結構頂部抗壓強度遠遠不能滿足開發(fā)目標。

進一步分析其兩種狀態(tài)的變形模式，發(fā)現(xiàn)車門玻璃處于全開狀態(tài)下變形折彎在B柱上端，如圖5a所示；車門玻璃處于全關閉狀態(tài)下變形折彎在門框中部對應的B柱位置，其車門門框和B柱都發(fā)生折彎，如圖5b所示。

4 B柱結構優(yōu)化及分析結果

進一步研究原設計B柱結構，發(fā)現(xiàn)B柱加強板由上中下三段組成，且中間是斷開的，見表1中原設計，其折彎處位于上中段斷開處，原設計載荷在結構斷開處無法連續(xù)傳遞，載荷無法繼續(xù)提升就導致了結構斷開處發(fā)生折彎。

將B柱加強板下段向上延伸與上端相交，在相交處開缺口避免四層焊接，避免相交處斷開，形成連貫受力，其中上下加強板料厚都為1.2 mm，材料為DC01，見表1中方案1，其承載力由25 712 N提升到36 000 N，承載載荷提升了40%，但變形折彎模式仍在上下加強板相交處。從結構設計分析，上下兩加強板是相對錯位設計，導致在搭接處傳力不穩(wěn)定。

為避免B柱加強板中間有薄弱處，加上下加強板合成一根加強板從上貫穿到B柱下端，見表1方案2，承載載荷由36 000 N再次提升到42 300 N，承載載荷提升了17.5%，但距離目標49 500 N還有差距。

為在不增加重量的前提下，將B柱加強板和B柱上里板材料由DC系列軟板提升至D340LA高強板，其承載達到49 500 N（圖6），達成開發(fā)目標要求，同時位移92 mm也小于127 mm，B柱及車門門框變形整體變形均勻，沒有明顯折彎現(xiàn)象（圖7），最終B柱加強方案見表1方案4。

5 結語

本文根據(jù)GB 26134—202X《乘用車頂部抗壓強度》的法規(guī)要求，以某VAN車為例，建立仿真模型進行頂部抗壓強度計算，對比分析了原始結構設計下前車門玻璃全關閉和全打開兩種狀態(tài)對頂部強度的影響，得出玻璃全關閉狀態(tài)下可提升承載載荷，同時還可改變變形模型。為滿足承載載荷達3倍整車整備質量要求，進一步對B柱結構進行了多次結構優(yōu)化，通過對B柱加強板一體化設計避免形成斷點，同時對加強板材料提升高強鋼板，讓其受力從上穩(wěn)定傳遞到下，整體提升承載強度，使頂部強度載荷達成試驗要求。通過此次仿真優(yōu)化，掌握了乘用車頂部強度的設計要點。

參考文獻：

[1]夏湯忠.基于RADIOSS的世嘉車型頂蓋抗壓計算分析和實驗對比[C]//Altair 2010 HyperWorks技術大會論文集，2010.

[2]曾慶超，張遷梓，吳磊.乘用車頂部抗壓仿真分析及結構優(yōu)化[J].南方農機，2022（10）：146-147.

作者簡介

侯路，男，1985年生，工程師，研究方向為結構分析、被動安全仿真。