座椅安装横梁结构对整车侧碰的影响

卜晓兵金旭龙张连洪张桂贤冯亚玲高鹏飞蔡晓林

（1.天津大学；2.中国第一汽车股份有限公司天津技术开发分公司）

整车侧面碰撞是指汽车在极短的时间内受到巨大的冲击载荷。合理的碰撞载荷传递路径可以显著地改善汽车碰撞性能。汽车的骨架结构，如前座椅安装横梁结构设计不合理，将会导致碰撞能量无法快速传递，存在车身变形和乘员损伤的风险。鉴于整车设计过程中座椅前横梁安装点问题以及B柱和门槛梁造型的问题，涉及到2种座椅安装横梁结构的方案，文章通过仿真模拟车身设计中出现的2种座椅安装横梁结构，探讨了其对整车侧面碰撞吸能和变形模式的影响。

1 侧面碰撞有限元模型建模

整车的有限元建模是一个几何模型离散化的过程，主要包含几何模型网格化、定义材料参数和属性、建立连接关系及定义边界条件四部分。

有限元仿真本质上是利用仿真的方法进行近似的模拟计算，这种近似的计算有赖于有限元模型的准确度和稳定性，其中有限元的网格大小、连接关系、边界条件及控制参数的设置都会对仿真的精度产生很大影响。

整车模型主要由壳单元和梁单元组成，节点数为1 258 056个，单元总数为2 825 923个，三角形单元总数控制在5%以下，壳单元的平均尺寸为4 mm×4 mm。在建模过程中，严格控制单元的品质，尤其是对于单元翘曲度、长宽比及最大和最小内角等都有严格的要求。弹塑性材料可以很好地模拟整车中大量使用的低碳钢冲压板[1]，材料参数通过试验测得，并兼顾碰撞过程中的大应变问题，同时注意了焊点布置的问题[2]。

按照新车评价规程C-NCAP的试验方法，设置移动变形壁障的纵向中垂面轨迹垂直于被撞汽车的纵向中垂面，移动变形壁障下沿离地高度为300 mm，移动变形壁障模型加载初速度为50 km/h，被撞汽车与移动变形壁障模型的位置，如图1所示。

图1 整车侧碰工况仿真模型

文章设计了2种不同结构的前座椅安装横梁，如图2所示，图2a示出前座椅安装横梁前端搭接在门槛梁内板上，且与座椅的安装点有一定的高度差，为了使碰撞载荷可以顺利并快速地引导到中央通道及车身，高度差采用了一定的弧度设计；图2b示出前座椅安装横梁前端由于高度大幅降低，不能搭接在门槛梁内板上，因此安装横梁前端和座椅的安装点不会再产生高度差，但左右翻边的焊点各由原来的3个变为现在的2个，少了1个与门槛梁内板的焊点。汽车座椅安装横梁属于侧面碰撞的关键梁系，须有一定的刚/强度和结构搭接，使碰撞载荷可以有效的传递到车身右侧。

图2 座椅安装横梁结构模型图

2 侧面碰撞有限元仿真结果

对2种不同结构设计的前座椅后安装横梁的整车侧面碰撞进行仿真计算，仿真模型通过LS-dyna计算，分别从仿真结果中输出驾驶员侧B柱测量点的侵入量以及门槛梁内板和座椅安装横梁的变形模式。侧面碰撞首先是被撞一侧的车门、B柱及侧围直接与可移动壁障发生碰撞接触，这些钣金件在受到碰撞冲击载荷后，先发生局部的变形吸能，然后再通过门槛梁、顶盖横梁及座椅安装横梁等碰撞路径，将碰撞的载荷传递出去。

通过求解软件LS-dyna计算的结果，如图3所示。图3a示出与门槛梁内板搭接的方案，从图3a可以看出，座椅安装横梁前端发生变形较小，对门槛梁内板起到了一定的支撑作用；图3b示出不与门槛梁内板搭接的方案，从图3b可以看出，座椅安装横梁前端发生变形明显，由于高度差的存在，使得红色的座椅前安装横梁受力增大。从图3可以看出，未与门槛梁搭接的内板在座椅前安装横梁处变形明显增大。

图3 座椅安装横梁与门槛梁内板变形图

由于座椅后安装横梁的位置与B柱处于侧面碰撞的重叠区域，B柱受到的碰撞载荷通过门槛梁、顶盖横梁及座椅后安装横梁传递，因此座椅后安装横梁的结构以及与门槛梁内板的搭接方式将会影响到B柱的侵入量。

整车侧面碰撞中关注的侵入量测量点，如图4所示，4个测量点的位置，从上而下分别对应假人的头部、胸部、腹部及骨盆的位置。侧面碰撞关注的侵入量与假人的伤害值息息相关，超过一定的侵入量限值，将给假人带来伤害，从而影响C-NCAP中侧面碰撞的得分，进而影响到整车的星级评价。

图4 侧面碰撞侵入量测量点

表1示出仿真结果中统计测量点的B柱动态最大侵入量数值。从表1可以看出，与门槛梁搭接的座椅后安装横梁方案的整体侵入量要小于没有与门槛梁搭接的座椅后安装横梁方案，且侵入量的差值依次加大，尤其是在较为关注的假人胸部和腹部位置差值增大，未与门槛梁搭接的方案在假人胸部和腹部位置数值上分别增大了7.79 mm和9.13 mm；在假人骨盆位置的侵入量，未与门槛梁搭接的座椅后安装横梁方案数值过大，达到了127.23 mm，存在扣分的风险。

表1 B柱测量点的动态最大侵入量 mm

侧面碰撞发生时，各个钣金件受力情况的应力分布可以通过应变分布云图间接体现，图5示出整车侧面碰撞中门槛梁内板的应变分布云图。

图5 门槛梁内板应变分布云图

从图5可以看到，座椅后安装横梁和前安装横梁处的应力最为集中，尤其是座椅前安装横梁与门槛梁内板搭接的地方，应力集中明显。如果结构设计参照图2b座椅横梁未与门槛梁搭接的方案，将直接增加门槛梁的翻转和弯折的风险，当门槛梁发生大的弯折或者翻转时受力集中，将增加B柱的侵入量，从而加大驾驶员在侧面碰撞发生时受到伤害的风险；如果结构设计参照图2a座椅横梁与门槛梁搭接的方案，门槛梁和座椅横梁的受力均较小，可以减缓门槛梁发生大翻转的可能性，并且B柱的侵入量在可控的限值内，避免了假人在侧碰试验中受到大的伤害而扣分。

3 结论

文章分析了整车侧面碰撞工况下2种不同座椅安装横梁方案的仿真结果，2种座椅方案设计的仿真结果在B柱和门槛梁内板的变形模式上存在较为明显的测点差异，主要表现在门槛梁的应变和B柱侵入量数值大小2个方面。搭接门槛梁的座椅方案，门槛梁应变数值和B柱侵入量数值都较小，说明座椅安装横梁与门槛梁搭接的方案可以有效的将碰撞产生的运动载荷快速传递到车身，增加连接部件的轴向刚度和吸能能力。发生相同变形时，需要的碰撞力显著增大，并对B柱和门槛梁产生一定的支撑作用，防止门槛梁在碰撞中发生大的扭转变形，减少B柱的动态最大侵入量，尤其是在较为关注的假人胸部和腹部的关键位置，侵入量的数值明显小于未与门槛梁搭接的座椅方案，从而减少对试验假人的伤害，提高了整车侧碰试验的分值。