某轿车侧面碰撞安全性改进设计

黄峥 ， 王继先

（1.安徽农业大学工学院，安徽 合肥 230036；2.中国汽车技术研究中心，天津 300000）

近年来随着我国汽车工业的飞速发展，汽车人均保有量快速增加，这同时导致了与汽车有关的各种事故的迅速增长，这其中正面碰撞、侧面碰撞、追尾和翻滚是最为常见的事故种类，据交通事故的调查统计，侧面碰撞在其中约占30%［1］。与正面碰撞相比，汽车的侧面结构的缓冲空间小，发生侧面碰撞时车内驾驶员和乘员的受伤几率相对较高，通过合理的设计和布置侧面结构使其能吸收和分散更多的碰撞能量是侧面结构设计和布置的关键。运用计算机仿真技术对整车碰撞进行模拟试验，进而改进或优化车体结构，能够部分取代实车碰撞试验，减低开发成本，极大缩短开发周期。

在本文中建立了某国产轿车的整车侧面碰撞有限元模型，并按照2012版最新C－NACP规定的要求实现了碰撞的动态过程，从侧面移动速度与侧面侵入量与实车试验对比验证模型的有效性，同时提出了提高该车侧面结构抗撞性的措施和结构改进方案。

1 2012C-NCAP侧面碰撞试验标准

如图1所示，试验和仿真按照2012C－NCAP试验程序进行，在移动台车前端加装可变形蜂窝铝，移动壁障行使方向与试验车辆垂直，移动壁障中心线对准试验车辆R点，碰撞速度为km·h－1（试验速度不得低于50km·h－1）。移动壁障的纵向中垂面与试验车辆上通过碰撞侧前排座椅R点的横断垂面之间的距离应在±25mm内。在驾驶员位置放置一个EuroSIDⅡ型假人，在第2排座椅被撞击侧放置SID－Ⅱs（D版）假人，用以测量驾驶员及第 2 排位置受伤害情况［2］。

2 实车侧面碰撞仿真模型的建立

2.1 整车有限元模型的建立

首先将整车CATIA数模导入Hypermesh进行网格划分，然后按照汽车的实际情况将划分好的网格进行连接装配。由于车身结构的刚性和惯性两方面对于车辆耐撞性起着重要作用，因此，车身有限元模型必须尽可能真实再现与反映实际车体结构，同时为了提高计算的速度与效率，对模型进行了必要的简化，对于高度小于3mm的凸台、倒角、直径小于6mm的圆孔忽略不计，模型大多使用边长为10 mm的四边形壳单元，最小单元尺寸控制在4mm以上。考虑到车身材料为延展性较好的低碳冷轧钢板，且在碰撞中车身变形为高速塑性变形，因此，在车身有限元模型中，材料模型使用考虑了材料应变率行为的弹塑性模型，壳单元采用24号材料模型，并且考虑材料的硬化、应变率、沙漏等效应影响［3］。车身模型如图2所示，其中节点个数为955687个，单元个数为952463。

在整车有限元模型中，除了车身之外，还建立了动力总成、传动系统、转向系统、行驶系统等内容，这些总成会不同程度的影响车辆的惯性，还将通过改变结构的刚度和力的传递影响碰撞模拟的计算结果。使用刚体建立动力总成模型，在保证计算效率的同时兼顾碰撞接触模拟，传动、转向系统、行驶系统大部分采用体网格建模方法，底盘建模如图3所示。

2.2 可变形移动壁障有限元模型的建立与验证

按照2012C－NCAP的要求，移动可变形壁障应具有GB20071－2006《汽车侧面碰撞的乘员保护》附录C中规定的特性，由碰撞块和移动车组成，总质量为950±20kg，重心在纵向中垂面10mm内，距前轴 1000±30mm，距地面 500±30mm，碰撞块前表面与壁障重心距离为2000±30mm，碰撞前静止状态下，碰撞块前表面下边缘离地间隙为300±5mm，移动车的前、后轮距 1500±10mm，轴距3000±10mm［4］。建立的可变形移动壁障有限元模型符合上述要求，并对模型进行了试验仿真，验证了移动壁障的准确性，其变形性能满足法规要求，可以用于汽车侧面碰撞的计算机仿真。

移动变形壁障模型包含2种单元类型：实体单元和壳单元，整个模型共有33210个节点，54398个单元，模型质量为951kg。建立的移动变形壁障模型如图 4 所示［5］。

2.3 假人有限元模型的建立与验证

由于假人有限元模型的复杂性，目前国内还不具备独立开发成熟假人模型的能力，所以采用LSTC提供的欧洲侧面碰撞用假人 EuroSID－Ⅱ［6］，整个假人模型共有424431个节点，333601个单元，假人有限元模型如图5所示。

2.4 侧面碰撞仿真模型的建立

按照C－NACP规定的试验要求定义被撞车辆和移动变形壁障的相互位置关系、接触和速度。移动变形壁障的对称中性面与撞击基准面（过H点的车身截面）重合，移动变形壁障与撞击侧车身距离为10mm，移动变形壁障的初始速度定义为50km·h－1。模型如图6所示。

3 侧碰仿真与试验结果对比及优化

3.1 仿真与实验结果对比

从图7和表1可知，整车侧面碰撞仿真模型在一定程度上与试验有较高的契合度，验证了整个仿真模型的有效性和可信度，可以用于后续侧面结构改进。

3.2 车身侧面结构分析与优化

分析原车型试验与仿真计算结果，发现该车侧面结构在以下几个方面变形较为严重：1）门槛梁变形过大；2）B柱下端屈曲较为严重；3）B柱与门槛梁连接处焊点撕裂情况严重。

由于以上原因，驾驶员胸部和腹部伤害值较高，根据仿真和实车试验结果，提出以下结构加强方案：1）调整第二地板横梁高度；2）将车门防撞梁由圆形改为帽形；3）在车门内板和外板之间加上PU发泡做成的缓冲块；4）增加门槛梁内部横向支撑板，材料厚度与外板相同。

对更改后的整车侧面碰撞模型进行仿真计算，由结果得知侵入速度与原车型基本没有变化，但是侵入量有明显降低，如表2所示。

表2 改进前后仿真侵入量对比

4 结 论

相对于汽车正面碰撞有很大的吸能空间，侧面碰撞只有很小的缓冲区域，所以提高车身侧面结构耐撞性的难度很高，尤其对于自主品牌来说，在CNCAP星级测试中侧碰的得分相对都比较低。根据本项目的研究经验表明，为了后续在C－NCAP侧碰测试中可以获得高分，可以从几个方面着手：

1）B柱结构：增强B柱上部与顶棚、下部与门槛的的连接强度，这部分是B柱最重要的部分，对整个B柱进行支撑，使B柱弯曲刚度增加，在侧面碰撞当中不最先发生变形，并且在弯曲过程当中吸收更多的能量；

2）门槛结构：门槛结构中的U形梁式门槛抗撞的主要部分，U形梁的材料应尽量使用屈服强度高的高强钢。为进一步加强门槛梁的耐撞性，可在U形梁内部嵌入横向支撑板，如此可以防止门槛向内弯曲，从而保证乘员的生存空间［7－8］；

3）地板横梁：在不影响总布置的情况下，添加或改进地板横梁可提高侧面碰撞过程中的传力、吸能作用；

4）车门防撞梁：尽量保证车门防撞梁呈帽形，这样可以提高车门的整体刚度，在侧面碰撞当中能够使得车门不会过多侵入，保证乘员的生存空间。

［1］ 公安部交通管理局.中国统计年鉴［M］.北京：中国统计出版社，2011.

［2］ 中国汽车技术研究中心.C－NCAP管理规则［M］.天津：中国汽车技术研究中心，2011.

［3］ R.J.Frampton， G.M.Mackay.The Characteristics of Fatal Collisions for Belted Occupants ［J］.SAE Paper,945167.

［4］ GB20071－2006，汽车侧面碰撞的行人保护［S］.

［5］ ECE R95 －2010， Uniform Provisions Concerning the Approval of Vehicles With Regard to the Protection of the Occupants in the Event of a lateral Collision［S］.

［6］ LSTC.LS －DYNA Keywords User’s Manual［DB/OL］.［2011－10－11］.http://ftp.lstc.com/user/.

［7］ 张金换，杜汇良，马春生，等.汽车碰撞安全性设计［M］.北京：清华大学出版社，2010.

［8］ 黄世霖，张金换，王晓冬.汽车碰撞与安全［M］.北京：清华大学出版社，2000.

［9］高伟;邓召文.汽车侧碰撞儿童约束系统模型的建立及其设计参数的仿真研究 ［J］.湖北汽车工业学院学报,2008,22（4）:12－17.