基于2018版C-NCAP的某车型侧面碰撞性能分析与结构优化

罗培锋 谢锋 胡敏

广州汽车集团股份有限公司汽车工程研究院 广东 广州 511434

1 引言

整车侧面碰撞性能作为被动安全的重要部分，其在实际道路行驶中，汽车侧面碰撞事故发生率仅次于正面碰撞事故[1-2]，因此侧面碰撞的模拟和研究越来越受到相关研究机构和消费者的重视。为更精确的模拟实际交通事故中侧面碰撞情况，以便更好的保护在侧面碰撞事故中，车内乘员安全，2018版C-NCAP中侧碰工况对壁障和假人均进行了调整[3]，对车身侧面耐撞性能提出了更高的要求[4-7]。而汽车侧面结构是车身中较为薄弱的区域，合理设计和匹配侧围B柱、C柱以及门槛区域的强度和刚度是提升车身侧面碰撞性能的关键[8-9]。

本文以2018版C-NCAP标准为基础，首先建立了整车侧面碰撞分析模型，对侧面碰撞性能进行了分析，根据分析结果对车身结构进行优化，并对优化后的模型进行了整车碰撞仿真分析。优化结果表明，在白车身重量增加很少的前提下，大大提升了整车侧面碰撞性能。

2 整车侧面碰撞结构设计

整车侧面碰撞过程中，主要通过侧围（A柱、B柱、C柱、门槛梁）、前后门防撞梁传递给地板各横梁和顶盖各横梁。车身在框架结构设计过程中，考虑到侧面碰撞性能，需通过接头的合理设计、梁架的合理布置，形成一个笼式的封闭结构，更好的抵抗和传递侧面碰撞过程中的力，以达到侧面碰撞过程中保护乘员的目的。

（1）2018版C-NCAP和2015版C-NCAP相比，对壁障和假人均做出了调整，本文主要考虑壁障的调整对车身结构设计的影响。侧面碰撞规则主要变化点和对车身结构设计的影响分析如下：

（2）新壁障相比旧壁障，前端硬块下表面离地间距抬高了50mm，壁障下表面的抬高会使壁障与门槛的重叠量减少甚至壁障下表面高出门槛上端高度。此调整对B柱的强度、B柱顶部与上边梁的搭接以及前后门防撞梁的布置和强度均提出了更高的要求；

（3）新壁障相比旧壁障宽度增加了200mm，而新壁障的楔形设计却使前端硬块宽度由原来的1500mm 减小为1100mm。前端硬块变小变窄，碰撞过程中将导致车身局部变形增大；

（4）壁障重量由950kg增加到1400kg。重量增加47%意味着碰撞能量相应增加47%。对车身侧面结构要求更高；

（5）撞击点位置相比2015版后移250mm。壁障后移对后门及车身C柱区域结构强度要求更高。

3 整车侧面碰撞结构分析

基于整车3D数据，根据相关标准和企业规范建立整车侧面碰撞有限元模型，如图3.1所示：

图3.1 整车侧面碰撞有限元模型

前后门和B柱测量关键点选取：把假人上中下肋骨、腹部和髋部分别向前车门上投影，得到B1～B5各点，见图3.2；把假人上中肋骨、腹部和髋部分别向后车门上投影，得到B1～B4各点，见图3.3；选取B柱中下部各关键点B1～B10（侧碰过程中乘员易受伤害位置），见图3.4。

图3.2 前门关键点

图3.3 后门关键点

图3.4 B柱各关键点

在侧面碰撞过程中，为减小碰撞对乘员的伤害，需尽量提高碰撞中乘员的生存空间。本文设定最小生存空间为200mm。

通过仿真分析，侧面碰撞结果如下：B柱测量点最大速度9.2m/s（图3.5）；B柱测量点最大动态侵入量为272.6mm（图3.6），最小生存空间为103.2，不满足最小生存空间200mm的目标要求；

图3.5 B柱各关键点的侵入速度

图3.6 B柱各关键点的侵入量

左前车门测量点最大速度12.6m/s（图3.7）；左前门最大侵入量为312.6mm（图3.8），最小生存空间为94.4，出现在假人盆骨对于的位置， 不满足最小生存空间200mm的目标要求；

图3.7 左前门各关键点的侵入速度

图3.8 左前门各关键点的侵入量

车身侧面碰撞变形结果如图3.9，B柱、门槛、前后门区域变形都比较大。

图3.9 车身侧面碰撞变形结果

4 整车侧面碰撞性能优化

4.1 原因分析

与正面碰撞不同，侧面碰撞几乎没有缓冲空间，因此，必须通过优化碰撞区域侧面结构，合理地控制侧面侵入量，以保证假人的生存空间。从上节分析结果来看，侵入过大的原因为B柱强度不足、门槛抗翻转能力较弱、后门与C柱下端区域重叠量不足、前后门防撞梁布置不合理等；

另外对比2015版、2018版C-NCAP发现车身门槛区域变形模式由压溃变形变成翻转变形。在2015版规则中，壁障与车身门槛有一定的重叠量，碰撞过程中，门槛会受到较大的Y向碰撞力F和比较小的翻转力矩M（图4.1），此时门槛由于受到的翻转力矩较小，其变形模式主要为碰撞力F引起的压溃变形。

图4.1 2015版壁障高度的门槛变形模式示意

而在2018版规则中，壁障已高出门槛区域，碰撞过程中，门槛会受到较小的Y向碰撞力F和较大的翻转力矩M（图3.11），此时门槛由于受到的翻转力矩较大，其变形模式主要为力矩M引起的翻转变形。

图4.2 2018版壁障高度的门槛变形模式示意

4.2 优化方案

根据上节碰撞分析结果和侵入量过大原因分析，主要对以下几个方面进行结构优化：

优化前门防撞板的位置；

图4.3 前门防撞板布置优化

门槛加强板材料提升为热成型；

取消B柱内部补丁板，将B柱加强板厚度由1.4mm改为1.8mm，B柱内板材料强度等级降低;

后门槛底部支撑横梁增加横向加强筋，并在横梁内部增加加强板;

图4.4 后门槛底部支撑横梁优化（左图：优化前/右图：优化后）

取消门槛加强板内部三个碰撞盒，增加重新设计的加强衬板；

图4.5 门槛内加强板结构优化（上图：优化前/下图：优化后）

C柱加强板结构光顺，增加后门防撞梁与C柱重叠量。

门槛加强板后段加长向上延伸。

图4.6 门槛加强板后段结构优化（左图：优化前/右图：优化后）

4.3 优化分析结果

对优化后的方案重新进行侧面碰撞仿真分析，分析结果如下：

B柱各测量点最大侵入速度、最大侵入量如图4.7、图4.8所示。最大侵入速度测点位于B柱骨盆位置(B8)，大小为7.8m/s；而最大侵入量测点位于假人腹部位置(B7)，其大小为169mm；生存空间均大于200mm，且最小生存空间206.8mm。

图4.7 优化后的B柱各关键点的侵入速度

图4.8 优化后的B柱各关键点的侵入量

前门各测量点最大侵入速度、最大侵入量如图4.9、图4.10所示。最大侵入速度位于假人腹部（B4）位置7.70m/s；最大侵入量位于假人盆骨（B5）位置，其大小分别为207mm，最小生存空间为200mm 。

图4.9 优化后的前门各关键点的侵入速度

图4.10 优化后的前门各关键点的侵入量

后门各测量点最大侵入速度、最大侵入量如图4.11、图4.12所示。最大侵入速度测量点均位于假人中肋骨（B2）位置，其大小分别为8.9m/s ；最大侵入量测量点均位于假人盆骨（B4）位置，其大小分别为184mm，生存空间均大于200mm，最小生存空间为209mm 。

图4.11 优化后的后门各关键点的侵入速度

图4.12 优化后的后门各关键点的侵入量

优化前后白车身重量总体变化如图4.13所示，其中红色重量增加件，绿色为重量减轻件。其中：增加量为10.5kg，减重量为9.6kg，总体变化为增加0.9kg。

图4.13 车身优化前后零件变化示意

优化前后结果对比分析显示，通过对侧碰过程中白车身变形模式、受力特点分析，采用合理的结构设计和材料选择。在白车身重量适当减重的前提下，其侧碰性能得到了显著的提高。其优化后的B柱区域最小生存空间提高了约100%，前门区域最小生存空间提高了约112%。

5 总结

本文中分析的车型为企业第一款对应2018版C-NCAP的MPV车型，从优化前的结果可以看出，其B柱、前门侵入量非常大，导致最小生存空间严重不足。分析其原因为对2018版C-NCAP的改变引起车身结构设计的变化研究不足。而MPV车型重心和门槛位置较低，进一步增加了车身结构设计中的难度。

通过本文分析可以得出规则的变化，对车身结构设计提出了更新、更高的要求。本文通过详细分析规则的变化对车身结构设计的影响，以及对白车身门槛加强结构的重新设计，B柱、C柱结构强度的重新匹配以及前后门防撞梁的优化布置，在白车身重量增加很少的前提下，大大提升了整车侧面碰撞性能。在后续的整车碰撞试验中，侧面碰撞性能得到满分，对后续车型的开发提供了重要的指导意义。