车辆高速侧翻的车身结构安全性仿真研究

乔维高　涂进进　汤超群

(武汉理工大学汽车工程学院1)　武汉　430070)　(现代汽车零部件新技术湖北省重点试验室2)　武汉　430070)

(汽车零部件技术湖北省协同创新中心3)　武汉　430070)　(武汉理工大学华夏学院4)　武汉　430223)



车辆高速侧翻的车身结构安全性仿真研究

乔维高1,2,3,4)涂进进1,2)汤超群1,2)

(武汉理工大学汽车工程学院1)武汉430070)(现代汽车零部件新技术湖北省重点试验室2)武汉430070)

(汽车零部件技术湖北省协同创新中心3)武汉430070)(武汉理工大学华夏学院4)武汉430223)

摘要：借助于LS-DYNA和正交试验设计方法，通过加装车顶支撑横梁和对车身部件结构厚度尺寸进行参数优化设计来改进车辆高速侧翻碰撞中车顶结构的变形特性,得到车顶侵入量指标对车顶各部件的敏感度顺序及对侵入量优化后的车顶部件厚度尺寸.

关键词：车辆侧翻；仿真模拟；正交试验；侵入量

乔维高(1964- )：男，博士，教授，主要研究领域为汽车安全

0引言

近年来，随着汽车保有量的增加，车速的提高，由于高速过弯、路面状况恶劣等造成的车辆侧翻和翻滚的事故越来越多.虽然该事故占全部交通事故的比例不高，但事故发生所造成的死亡率是较高的[1].不少学者通过分析Malibu试验数据和交通事故统计数据后依旧认为车辆侧翻发生时，车辆顶部压溃变形后与车内人员头部碰撞，使车内人员头部、颈部受伤或者使乘员死亡，是高死亡率的直接原因[2].因此，对减少车辆高速侧翻时车顶不同位置的侵入量的研究很有必要.

1模型的建立

1.1有限元侧翻模型的建立

一辆完好可用的整车有限元模型的建立需要整车坐标系下的CAD数据,以及与之对应的材料清单,车辆所包含的所有焊接信息，空载下的整车质量分布及总成各部件的物理参数信息，转向管柱压溃方式及相应的力-位移压溃曲线,等等[3].该过程的建立耗费巨大，文中采用已建好的RAV4有限元模型.

为了保证计算的稳定,以及降低计算所需时间，去除如轮胎、悬架、发动机及驱动桥等不会影响侧翻中车顶侵入量的部件.简化后整车模型质量和惯性也将发生改变，为此可在相应位置处添加1D质量单元来补偿.将这些质量单元用Rigidbody刚性连接在车体相应位置处.

在整车侧翻碰撞仿真分析中，地面用3D刚性体单元建模，而整车车顶为2D的壳单元.为了避免在LS-DYNA实际计算中2D，3D单元之间发生穿透，滑移能不正常而产生错误，在待接触的地面及车顶部分添加Contactsurfs并将其作为接触对象选择.

车顶侵入量的测量是通过在车顶与碰撞中车底某一不变形位置(上下位置需对应)间建立k值较小的平动弹簧单元实现[4-6].

1.2整车侧翻初始状态确定及加载

选用整车从驾驶员侧车顶刚开始与地面接触到乘员侧车顶刚开始离开地面这一动态侧翻过程进行仿真研究.因此需要确定侧翻时的整车初始碰撞速度、翻转角度、俯仰角度以及偏转角度等初始状态参数，见表1.

表1　整车初始状态参数

2车顶结构变形特性分析

2.1侵入量分析

为了防止弹簧单元的反弹力阻碍车顶的变形，侵入量测量弹簧单元刚度值设定为k=0.01 N/mm，各测量点的设定位置见图1，仿真后得到的各测量点的最大侵入量见表2.

图1　侵入量测量点

测量点DEFG最大侵入量/mm24.7738.4193.3161.8

F点很接近驾驶员头部空间，而该位置在侧翻过程中的侵入量又是最大,达到93.31 mm，而实际车辆驾驶员头部空间不足90 mm，93.31 mm这么大的侵入量将严重威胁驾驶员的人身安全.为此，应优化车顶部件结构，降低车顶对乘员生存空间的侵入量.

3车身结构优化

实际中，所分析SUV车辆的头部空间为80 mm左右，伴随侧翻中乘员的“下潜”运动，93.31 mm这么大的车顶侵入量必将造成严重的乘员损伤.为了保证侧翻中车内人员的足够生存空间，在原有车顶结构的基础上加装2根车顶支撑横梁，见图2.所加两根横梁所用材料相同，都是屈服强度为277 MPa的普通低碳钢，所加横梁结构厚度由前到后分别是0.61 mm和0.62 mm.

图2　优化前后车顶结构对比

3.1优化结果对比分析

车顶加装支撑横梁后侵入量各测量点(D，E，F，G)的侵入量-时间曲线优化前后结果见图3.

图3　各测量点侵入量曲线

由图3可见，除了D处测量点的车顶部件侵入量从优化前的24.74 mm增加到25.33 mm外，E，F，G这几个测量点处的最大侵入量值优化后分别减少了1.23，1.29，5.16 mm.加装车顶支撑横梁对车辆前端变形的影响大于车辆后端，能明显减少车辆前端的侵入量.

3.2车身结构参数优化设计

在整车高速侧翻中，车身结构材料参数和尺寸参数的选取不仅影响着侧翻中车顶结构强度，车顶部件对乘员生存空间的侵入量，同时还和车辆的节能减排有很大关系，而车顶部件对乘员生存空间的侵入量又与侧翻中乘员的损伤有直接关系.因为针对车身结构材料的优化方法和针对车身结构尺寸的优化方法基本相同，文中用正交试验方法针对车身结构厚度尺寸进行侧翻中的车身结构优化设计.

3.2.1试验指标的选取

由上文分析可知，加装车顶支撑横梁可以有效降低侧翻中的车顶侵入量，为此将加装了车顶支撑横梁的车辆作为进行车身结构尺寸参数正交试验优化的目标车辆.为了指标测量的合理性，对驾驶员侧加装了支撑横梁的车顶位置的侵入量也进行测量.与前文不同，这里车顶侵入量测量弹簧单元的位置如见图4.

图4　测量单元位置图

为了进一步定量的明确正交试验指标，将各处测得的最大侵入量值加权后求得的和值作为试验评判指标.侵入量评价指标x表示为

(1)

3.2.2因素及因素水平的确定

对评判指标产生影响的因素及因素水平的确定关系到所需进行正交试验的次数，因侧翻仿真计算时间长，因此，待优化的整车部件选取不宜过多.选取图5所示的4个车身部件的厚度尺寸作为试验因素，每个因素取3个不同水平，设计好的L9(34)正交试验见表5.为了节省篇幅和便于对比分析，将经过加装支撑横梁优化后的因素组合及仿真计算结果分别列于最后一行和最后一列中.

图5　试验因素的选取

图中：H为A柱内加强板厚度；I为车顶支撑横梁厚度；J为车顶纵梁内加强板厚度；K为B柱内加强板厚度.

3.2.3试验结果分析

严格按表5所列试验设计内容修改模型并进行整车高速侧翻有限元仿真.仿真后X1，X2，X3，X4，X5，X6和X7各测量位置的最大侵入量数值整理后见表6.

表5　L9(34)正交试验设计表　mm

表6　仿真试验结果　mm

为了评判所选的4个车顶部件厚度尺寸分别对车辆高速侧翻时车顶侵入量影响的主次关系以及确定选择较好的部件尺寸组合，对表6结果进行极差分析.对表5及对应试验结果，分别求解每个因素不同水平所对应侵入量评价指标之和，求解得出的极差见表7.

表7　极差分析表　mm

由表7可见，因素I的极差最大，达到23.19，即侧翻中车顶的侵入量对车顶支撑横梁厚度尺寸的变化最敏感，同时可知，对H，I，J，K4个因素水平变化的敏感度排序为I>K>J>H.

综合车顶侵入量指标对各因素的敏感度分析结果及整车轻量化目标，确定H1，I3，J3，K3的部件尺寸厚度组合为最佳组合，即相比于参数优化前A柱加强板厚度尺寸由2.09 mm减少到1.8 mm，车顶支撑横梁厚度尺寸由0.7 mm增加到0.9 mm，车顶纵梁内加强板厚度尺寸由1.5 mm增加到1.7 mm，B柱内加强板厚度尺寸由0.7 mm增加到0.9 mm.各测量位置优化前后最大侵入量数值如表8所列.

表8　优化前后结果对比　mm

由表8可见，优化后除了x7测量位置最大侵入量值有所增加外，其他各测量位置处的最大侵入量值都有了明显的减少.侵入量指标也由优化前的60.72 mm减少到优化后的60.12 mm，减少了0.98%.靠近驾驶员头部位置的车顶侵入量有了明显减少，由优化前的91.34 mm减少到优化后的87.34 mm，减少4.3%.x7位置处车顶最大侵入量的增加是因为该测量位置靠近A柱上端，而A柱内加强板的减薄降低了A柱的强度.为了分析该优化对车顶变形特性的影响，有必要画出优化前后各测量位置处的车顶侵入量-时间关系图.见图6.

图6　各测量点侵入量-时间曲线

图6中实线和虚线分别是优化前后各测量位置处的侵入量-时间曲线.由图6可以看出，虽然在驾驶员侧的车顶最前端(X7位置)的侵入特性因为该处支撑横梁的变薄而有所恶劣，但车顶结构尺寸经参数优化后，其整体在侧翻中的变形特性要明显好于优化前，即整个侧翻过程中优化后的车顶对乘员生存空间的侵入量要明显低于优化前.

4结论

1) 加装车顶支撑横梁对车辆前端变形的影响大于车辆后端，能明显减少车辆前端的侵入量.靠近驾驶员头部位置的车顶部件侵入量从优化前的91.34 mm进一步降到了优化后的87.34 mm，降低了4.3%.

2) 车顶评价指标x对H(A柱内加强板厚度尺寸)、I(车顶支撑横梁厚度尺寸)、J(车顶纵梁内加强板厚度尺寸)以及K(B柱内加强板厚度尺寸)的敏感度顺序是I>K>J>H.

3) 经参数优化后确定的分别加装车顶支撑横梁、增加B柱内加强板和车顶纵梁内加强板的厚度尺寸以及减小A柱内加强板厚度的优化方案的车顶变形特性明显优于优化前，各测量点测得的最大侵入量都有明显的减少，侵入量指标也由优化前的60.72 mm减少到优化后的60.12 mm，减少了0.98%.

参 考 文 献

[1]金智林.运动型多功能汽车侧翻稳定性及防侧翻控制[D].南京：南京航空航天大学，2008.

[2]颜凌波.乘用车的翻滚碰撞特性及防护措施研究[D].湖南：湖南大学，2012.

[3]胡志远，曾必强，谢书港.基于LS-DYNA和HyperWorks的汽车安全仿真与分析[M].北京：清华大学出版社，2011.

[4]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.

[5]白金泽.LS-DYNA3D理论基础与实例分析[M].北京：科学出版社，2005.

A Simulation Study on Safety Body

Structure of Vehicle High-speed Rollover

QIAO Weigao1,2,3,4)TU Jinjin1,2)TANG Chaoqun1,2)

(SchoolofAutomotiveEngineering,WuhanUniversityofTechnology,Wuhan430070，China)1)

(HubeiCollaborativeInnovationCenterofAdvanced

TechnologyofAutomotiveParts,Wuhan430070，China)2)

(HubeiCollaborativeInnovationCenterforAutomotive

ComponentsTechnology,Wuhan430070，China)3)

(WuhanUniversityofTechnologyHuaxiaCollege,Wuhan430223，China)4)

Abstract：With LS-DYNA and the design method of orthogonal test, through the installation of roof support beams and the optimization of the thickness of the body part structure to improve the deformation characteristics of the roof body structure in the accident of vehicle rollover crash, and then the sensitiveness of roof parts is obtained for invasion index and a better thickness of the roof parts is gotten after optimization for the invasion.

Key words：rollover; simulation; orthogonal test; invasion

收稿日期：2015-12-08

doi:10.3963/j.issn.2095-3844.2016.01.011

中图法分类号：U461.91