AEMDB侧面碰撞性能提升方法研究

季奕 曾祥义 李向荣

中国汽车技术研究中心 天津市 300300

1 引言

近年来国内汽车的保有量逐年上升，交通事故也是呈明显上升态势。根据交通事故统计，侧面碰撞约占事故总数的30%，是交通事故的主要形式。汽车侧面碰撞安全性能被各国作为汽车安全性评价指标之一，尤其在我国道路交通环境中，道路路口以平面交叉为主，侧面碰撞事故更为严重。当车辆发生侧面碰撞时，侧面吸能的区域较小，且碰撞作用的时间较短，不如汽车前部、后部那样的足够空间发生结构变形来吸收碰撞能量，同时被撞部分与乘员的距离比较近，容易直接撞击乘员[1]。所以与正面和后面碰撞相比，车辆侧面碰撞对乘员造成的伤害更大，因此良好的侧面乘员保护性能对整车安全来说更为重要。

2 2018版C-NCAP侧面碰撞测试条件变化

2.1 壁障参数的差异

相比2015版侧面碰撞可变形壁障，2018版碰撞试验参数变化比较大。其中试验台车的质量、重心位置、壁障距地面线高度等参数均进行了调整，详见表1：

图1是AEMDB大臂障的照片，从照片也可以看出，前端的形状为阶梯形，不同于之前的壁障。

表1 2018版壁障参数表

图1 AEMDB壁障

2.2 试验假人的变化

在2015版的侧面碰撞试验中，前排放置ES-2假人，后排放置SID IIs假人。在新版法规试验中前排放置的是World SID假人。World SID假人与ES-2假人结构形式不同，World SID假人整体上的刚度比ES-2假人的刚度低。主要体现在当假人在y向承受相同的冲击时，World SID假人受力更低，加速度更低，肋骨产生的位移更大。在承受斜向的冲击时，World SID假人的胸部肋骨与ES-2假人胸部肋骨表现出明显不同的特性，该工况下World SID假人肋骨位移比ES-2假人的肋骨位移小。对于前排的碰撞性能开发，得分难度没有变得严峻，在一定程度上更容易得到相应分数。下图是World SID假人与ES-2假人示意图：

图2 World SID侧面碰撞假人

图3 ES-2侧面碰撞假人

2.3 评价标准变化

相对于2015版，2018版C-NCAP试验结果的评价的指标也发生了变化。前排将根据新的WORLDSID假人调整新的高性能及低性能指标限值，包括头部、胸部、腹部和骨盆；第二排假人的评价指标：除头部和骨盆外，增加胸部和腹部性能评价指标，加大了后排得分的权重[2]。

3 侧面碰撞机理

侧面碰撞是一个移动变形壁障与试验车辆交换动量的过程。随着移动变形壁障的前进，试验车辆侧围的变形逐渐增大，变形抗力也同样增大，试验车辆在侧围变形抗力的作用下逐渐加速；在侧围变形的同时，移动小车也逐渐减速，MDB推动被撞车辆，被撞车辆的速度逐渐增加，MDB的速度逐渐下降，最终两者速度达到统一。如果两者质量大致相当，这一过程满足动量守恒定律。

由于车门的质量较小，碰撞速度上升很快，最终几乎等于MDB的初始速度，形成车门侵入速度。详见图4：

图4 侧面碰撞运动过程原理图

4 碰撞性能提升方法

4.1 开发输入条件及要求变化

首先2018 版更换大壁障后，侧碰壁障质量的增加导致碰撞能量增加。根据能量计算公式E=12mv2，其中m=1400kg，v=50km/h，计算出侧碰台车能量为135.05kJ，比2015版增加47.3%，同时壁障高度抬高，门槛对侧碰的支撑作用减小，因此侧碰的侵入量和侵入速度会明显增加。图5是侧面碰撞模型壁障撞击位置示意图：

其次碰撞试验后增加了第二排假人的评价指标：除头部和骨盆外，对胸部和腹部性能进行评价。这就要求适当的提高后门及门槛后部的结构强度，控制其最大侵入量。

综合以上两点：在侧面碰撞试验中，相对2015版达到同样的开发目标，新版的开发难度大幅提高，随之带来的是整车重量和开发成本的增加。

4.2 开发目标设定

在碰撞性能开发过程中，前期一般对车身的开发目标进行设定，特别是B柱作为侧面碰撞受力的主框架，对其相关的侵入量和侵入速度都有要求，以满足后期的开发目标。对于五星车开发，一般建议B柱侵入量控制在120 mm以内，侵入速度控制在7.5 m/s以内，见表2：

4.3 开发应对措施

对于侧面碰撞，在白车身的开发过程中，通过封闭的环形结构设计来增加车身的刚度和耐撞性，下图是侧面碰撞时车身的传力路径示意图。在碰撞过程中，B柱、门槛梁、座椅横梁、B柱下部贯通梁、上边梁等梁系结构起到至关重要的作用。下面从这几点详细介绍一下碰撞性能提升的措施。

图5 侧面碰撞位置示意图

表2 侧面碰撞开发目标分解

图6 侧面碰撞传力路径

4.3.1 B柱结构形式及强度提升

车身B柱是抵抗侧面撞击的重要部件。在侧碰事故中，B柱本身要承受巨大的冲击力，同时还必须支撑车门、顶盖以及门槛，提高其抗弯矩强度主要靠提高各截面惯性矩和相关材料的强度来达成。

从改善伤害值的角度看，B柱在下端折弯效果较好。如果在中上部折弯，会严重影响假人的头、胸部关键区域。通过保障B柱上端结构的相对稳定性，可以提高乘员的安全性，把较大的溃缩变形转移到下部区域，从而达到吸收碰撞能量的目的[3]。

在提高碰撞性能提升的同时，还要考虑到轻量化及生产工艺等多方面的要求。目前来看主要有采用热成型板材和激光拼焊两种方法来提高B柱的整体的强度。

方案一：B柱加强板采用热成型钢，材质B1500HS；内板采用B340/590DP高强钢板，板厚根据不同的车型和开发目标略有不同，一般加强板在1.5mm左右，内板1.6mm～2.0mm。

方案二：B柱加强板和内板采用激光拼焊，同时在加强板的内部增加一个内衬板，材质B340/590DP，料厚1.8mm～2.0mm。内板和加强板一般分成上下两段，采用不同的材质和料厚板材焊接而成。具体的板材选型可以根据CAE分析的结果选取，以达到轻量化设计的目的。

图7 热成型钢板B柱内部结构

图8 激光拼焊B柱内部结构

4.3.2 门槛梁

门槛梁是车身侧围总成从前到后的贯通梁，在碰撞过程中起到和壁障接触面X向相互接触的作用，以达到整体传力的目的。对于门槛梁较高的车型，传力作用效果会更明显，如大中型SUV车型。

在新版的开发过程中，要重点关注门槛梁两端接头的强度，因为碰撞能量的增加对于接头的强度提出了更高的要求。

4.3.3 车门防撞梁结构

车门防撞杆在侧碰过程中主要限制车门的侵入量和侵入速度。一般要布置在移动壁障突出的块所接触的区域，要有足够的弯矩和强度来抵抗侵入变形。

防撞梁结构一般有两种形式。一个是“M”形断面的热成型防撞梁，其承受的受力面积更大，作用效 果更好；还有一个是中间是圆管，两端焊接板材防撞梁结构，其特点是成本较低，工艺上易实现。工艺和成本上如满足要求，建议采用第一种方案。

4.3.4 前排座椅横梁和B柱下贯通梁

座椅横梁和B柱下贯通梁在侧碰变形过程中给门槛梁提供侧向的支撑，起到传递碰撞能量的作用，同时抑制门槛结构的翻转，结构形式见下图：

图9 座椅横梁和贯通梁示意图

横梁和门槛梁接触的端面尽量的加大，以增加Y向传力的能力。座椅横梁和贯通梁材质一般采用B340LA或B340/590DP，料厚1.5mm～1.8mm。

5 CAE分析验证

5.1 建立仿真模型

在整车CAD模型的基础上利用有限元前处理软件Hypermesh进行合理的网格划分。因车身的大部分零件都是由薄板钢冲压而成，因此车身零件全部采用壳单元形式。为了保证模型精度，同时兼顾控制模型的规模以节省计算时间，在侧面碰撞中主要变形或可能失效的部件上使用较小的网格来进行划分，而在变形较小或基本不变形的次要部件上刚使用较大尺寸的网格[4]。

完成的仿真模型中沙漏能占模型总能量3.21%，小于目标要求5%；滑移界面能占模型总能量1.59%，小于目标要求5%；模型总质量增加1.59%，小于目标要求3%；模型总能量最大波动幅度为1.79%，小于目标要求3%。基于以上几点，模型能量变化基本符合能量守恒定律，模型可用于对标。具体数值见表3：

5.2 碰撞仿真分析

仿真分析后，按照前期的开发目标对B柱的侵入量和侵入速度进行确认。图10是优化前的侵入量，在140mm左右，不满足开发目标要求。优化后B柱的各个部位侵入量控制在100mm左右，达到了侵入量在120mm以内的开发目标。

侵入速度主要是考察B柱顶端、腰线、锁扣、底部四个部位，见图13。按照要求，各部位侵入速度在7.5m/s以内。

通过CAE的仿真分析，对B柱的侵入量和侵入速度进行了验证，从而说明了整个侧面碰撞结构的合理性。既保障了碰撞性能开发目标的达成，也很好的控制了安全裕度，兼顾到其他工艺部门的要求。

6 结语

图10 B柱优化前变形图

图11 B柱优化后变形图

图12 优化后侧面侵入量示意图

表3 仿真模型能量控制表

本文从碰撞法规及试验条件的变化为出发点，详细阐述了侧面碰撞白车身开发的重点区域及控制方法，并提出了多种材料、多种结构形式的方案供其他车型参考。通过分析验证，得出以下结论：

（1）新版的侧面碰撞法规考察更加严格，其中台车重量增加450kg，壁障下端抬高100mm。对白车身侧面结构的整体性，特别是B柱周边结构的开发提出了更高的要求。

（2）开发目标的设定较2015版变化不大，难点主要是由于碰撞能量及碰撞位置、面积的变化加大了侵入量、侵入速度目标达成的难度。

图13 B柱关考察点示意图

图14 B柱顶端侵入速度

图15 B柱腰线侵入速度

图16 B柱锁扣侵入速度

图17 B柱底部侵入速度

（3）侧面碰撞性能的开发重点是碰撞性能和轻量化要求的达成，同时满足相关工艺的要求，比如涂装、冲压等等[5]。在车型的开发过程中，首先要保障整体侧面结构的稳定性，然后在控制各个关键点相关参数要求，以避免不必要的工作量发生。