汽车侧面碰撞的CAE仿真分析

杨延鹏　李洪力　陈静波　李国亮

摘要：汽车被动安全开发，需要进行大量的整车碰撞和SRS验证，周期较长，过程复杂。随着GB、C-NCAP等评价要求的提高，往往需要投入高昂的开发费用，而进行汽车碰撞安全的CAE仿真计算，并进行结构优化模拟，逐步成为研究汽车耐撞性的必然选择。本文对汽车侧碰进行建模，根据仿真结果对基础车型进行评价，并通过结构优化提升车体结构耐撞性，为后续开发提供参考。

关键词：汽车；侧面碰撞；CAE仿真分析

汽车结构耐撞性主要考虑整车碰撞过程中，基于GB法规、C-NCAP评价规则要求的正面碰撞、侧面碰撞等乘员生存空间保护，体现在两方面因素：生存空间碰撞侵入量、加速度或侵入速度。因此汽车设计中，必须保证车身结构吸能变形性能的稳定，进行实车碰撞试验来检验汽車被动安全性能，投入费用较高，整车需求量也较大。CAE仿真分析有着方便性、成本低、可重复、周期快等特点，可以就汽车设计进行快速验证和结构优化建议，从而有效的提升设计效率，保障汽车结构的安全性。

1.侧面碰撞仿真模型建立

根据企业建模标准并结合GB 20071-2006《侧面碰撞的成员保护》的要求，建立汽车侧碰模型，如图1所示：

1.1模型建模

根据实车数模分别对白车身、底盘、动力、CCB、转向、排气、冷却、开闭件、座椅等系统进行网格划分、材料属性定义、连接设置、建立各总成的碰撞模型。在LS-DYNA软件中，考虑多应变率的影响，材料类型主要采用MAT24，根据BOM选择不同牌号并赋予属性。实际碰撞中发动机、变速箱、轮毂等刚度较大，较其他部件变形较小，采用MAT20材料定义为刚体，缩减计算量。根据连接类型，点焊采用MATl00HEXA，二保焊采用RB2连接，玻璃胶、结构胶、减震胶分别进行设置，并建立运动件的各类铰接关系。

1.2整车搭建

各分总成模型建立后，根据号段规则对节点、部件等分别编号，最后采用PATCH方式，建立总成间的连接。整车模型接触主要包括，整车自接触以及MDB壁障与整车模型的接触，焊接、涂胶等接触特性在各分总成里面各自设置。通过区域配重调整仿真模型与整车质心基本一致，根据实车碰撞标准进行轿车与壁障碰撞姿态调整，由此建立整车侧面碰撞模型。

1.3边界及输出定义

跟据GB20071-2006侧面碰撞的乘员保护，定义壁障的初速度为13.89m/s，即50Km/h；建立B柱相对应区域的加速度计，来输出碰撞过程中相应的变形数据；根据碰撞实际计算时间控制在150ms。

2.仿真实例分析

侧面碰撞基本过程较短，车体基本在数秒内停止运动，而与车体碰撞变形、假人损伤相关的时间基本在150ms内，因此对碰撞结果主要在此区间进行评价。

2.1碰撞结果分析

侧面碰撞过程中，车辆静止，壁障以50Km/h速度，以R点为中心横向冲击车辆侧面，伴随门、B柱等的侵入逐步增大，整车开始运动，直至与壁障速度相同，达到侵入极值。对于乘员假人，相当于从静止状态，受到门、B柱饰板等的挤压开始运动，直至达到门饰板侵入极值的过程。由时序分析可知，整车速度极值与门侵入极值是不一样的，在此过程中，与假人直接相关的便是门、B柱饰板等的侵入量，考虑实车测量、门与B柱变形的相应关系，取B柱上相应特征区域点作为指标进行评价。

根据碰撞动画进行时序分析，0ms，移动壁障刚好接触到汽车；20ms，门侵入速度达到极值，侵入量持续增大；30ms，车体侵入速度快速上升，门相对侵入量基本达到最大；40ms，车体侵入速度达到极值；55ms，车体相对侵入量达到极值；80ms，门、车体速度反弹，整车侵入量保持稳定，车身变形基本停止。此后，整车仿真碰撞过程稳定，直至结束。

将CAE仿真计算结果记录在表l中，可以发现该款车型B柱相对假人各指标区域，变形较大，侵入速度较高。如此，无法保障侧面碰撞中假人的生存空间，对损伤值影响较大，约束系统匹配开发的基础条件较差。

2.2碰撞结构优化

针对碰撞变形情况，需要对B柱、门槛、座椅安装横梁、后地板横梁等进行优化加强。主要方法有：

（1）对B柱顶端，顶棚横梁搭接区域适当加强，上部形成有效支撑。

（2）B柱中部过早折弯是整体胸部、腹部变形量大的主要因素，因此需要对B柱补强板适当优化加强，使B柱加强板在壁障撞击下整体挤压，变形连续不发生突变。

（3）从变形动画可见，门槛地板区域侵入较大，影响主驾座椅姿态，需要对门槛梁适当加强，并通过后地板横梁、座椅安装横梁等结构优化，材料提升来形成对门槛的有效支撑，使冲击力非碰撞区域有效传递。

通过结构优化，仿真计算结果见表2，对比原模型与优化模型，相对侵入量与绝对侵入速度均有明显改善。

3.结语

本文根据侧碰法规，建立汽车侧面碰撞模型，通过CAE仿真分析，针对车体变形情况进行分析评价，通过结构优化达到提升车体结构耐撞性的效果。CAE对缩短车体结构设计周期，降低项目开发成本效果明细，优化方案可为汽车被动安全开发提供参考。