汽车A柱上内饰板侧气帘爆破设计及仿真验证

魏文华　刘亭亭

摘 要：研究了表面带有针织布包覆的A柱上内饰板以及不带针织布包覆的A柱上内饰板配备有侧气帘的结构设计，建立了A柱内饰板CAE力学仿真模型，验证了在侧气帘爆破时A柱上内饰板受力破损情况，并提出改进建议，为A柱内饰板结构设计提供了理论分析依据。

关键词：A柱内饰板;气帘;二级卡扣;CAE;仿真

1 前言

随着汽车安全[1]法规要求的不断提高，保护驾驶员和成员头部侧面碰撞的侧气帘[2]设计愈来愈普遍，侧气帘布置在车身上边梁和顶棚立柱之间[3]，然而侧气帘爆破时A柱上内饰板的破裂飞溅时有发生造成对车内人员的伤害[4]，各大主机厂在整车开发时期车辆侧面碰撞或偏置碰撞试验中，气帘爆破A柱上内饰板破裂飞溅整改周期及费用都较大，需要做多轮整改碰撞验证。为降低A柱上内饰板爆破飞溅风险，本文研究A柱上内饰板与顶棚的配合关系设计要求、二级卡扣的设计要求以及A柱上内饰板结构设计，最后建立A柱上内饰板气帘爆破力学模型，通过CAE仿真分析气帘爆破时，A柱上内饰板板卡扣座受力后二级卡扣能否正常打开以及A柱上内饰板本体破损情况并提出改进建议。

2 A柱上内饰板系统设计

2.1 A柱上内饰板与顶棚的配合要求

A柱上内饰板压接顶棚要求尽量大，一般要求大于15mm，以便顶棚给A柱上内饰板尽量多的保护，侧气帘爆破时，气帘拉带[5]力作用在顶棚上而不直接切割A柱上内饰板，通过顶棚传递A柱上内饰板开启力。

2.2 A柱上内饰板设计方案探讨

2.2.1 表面带包覆的A柱上内饰板

对于表面带针织布包覆的A柱上内饰板侧气帘爆破，A柱上内饰板注塑本体与针织布通常采用低压注塑工艺成型，便于满足环保要求。A柱上内饰板本体材料选择ABS，强度高，收缩率小，尺寸稳定，适用于中高档车型，若选择用PP材料做A柱上内饰板本体，则成本较低。ABS、PP材料优缺点对比见表1。

A柱上内饰板本体采用减弱槽设计，长度大于拉带在A柱内饰板内的长度。当侧气帘发生爆破时，气帘拉带给A柱内饰板一个侧面向下切向力，由于减弱槽在该处的弱化，A柱内饰板沿减弱槽形变打开（由于表面覆盖有针织布，A柱内饰板本体在减弱槽处开裂粘连在针织布上而不脱落），拉带从A柱内饰板与侧围上钣金之间拉出，实现侧气帘展开的功能。

2.2.2 表面无包覆的A柱上内饰板

对于不带针织布包覆的A柱上内饰板侧气帘爆破若用减弱槽的设计，气帘爆破时，A柱上内饰板在减弱槽处破裂飞溅的风险非常大，因此本文研究采用二级卡扣设计。

（1）A柱上内饰板二级卡扣设计要求

二级卡扣即可以实现A柱上内饰板与车身的安装固定功能，同时当受到气帘拉带（或气帘）的外力作用下，一级卡接可以打开，A柱上内饰板张开一定距离，最后通过二级卡接将A柱上内饰板与钣金拉住保证A柱上内饰板不脱落，气帘拉带从A柱上内饰板与前门框密封条处拉出实现侧气帘侧面展开保护人体头部免受伤害的作用。二级卡扣拉带长度设计一般60mm，一级卡接打开力要求150N，如果一级卡扣打开力小，A柱上内饰板一级卡扣存在卡接不牢易松出的风险，若打开力太大，A柱上内饰板在侧气帘爆破时不易打开，受力面容易被气帘拉带割破产生飞溅。第二级卡接一端与A柱上内饰板固定，另一端与侧围钣金固定，卡接力要求均大于300N，保证二级卡接在侧气帘爆破时不脱出钣金或A柱内饰板，二级卡扣及装配固定结构如图1所示。

（2）A柱上内饰板结构设计

由于侧气帘拉带布置在A柱上内饰板内部，气帘爆破时侧气帘拉带对A柱内饰板爆破力分解为Y向力FY和Z向力FZ，FY与A柱上内饰板安装方向一致，使A柱上内饰板一级卡接可打开，FZ对A柱上内饰板剪切作用，该力的作用面存在易破损飞溅的风险。

因此，初步构想在二级卡扣座与拉带之间设计内饰板加强座，模具通过滑块抽芯实现，防止A柱上内饰板由于拉带的作用力而产生破裂。A柱上内饰板结构设计及受力分析如图2所示。

3 A柱上内饰板CAE仿真验证

3.1 A柱内饰板材料特性表2（选用某PP材料）

3.2 A柱上内饰板仿真模型

仿真模型[6]建立力学条件：设定侧气帘拉带爆破力400N，作用力方向平行与XZ平面，均匀分布作用在A柱上内饰板加强座受力面上，建立力学模型要求如图3所示。

仿真结果1：

最大拉伸变形发生在A柱上内饰板加强座与二级卡扣座连接处，变形强度为44.3MP，如图4所示。

A柱上内饰板二级卡扣座Y向受力为68.8N，仿真结果如图5所示。

结论：A柱内饰板卡扣座Y向力FY等于二级卡扣一级卡接力，即一级卡接打开力68.8N，小于150N，A柱内饰板一级卡扣不能打开，而且卡扣座受力后拉伸变形44.3MP大于材料允许拉伸变形20MP，A柱内饰板将产生爆破破裂。

解决方案：在加强卡扣座与二级卡扣安装座之间增加导向斜筋设计，增大爆破力Y向分力FY便于二級卡扣正常打开，并且便于气帘拉带沿着导向加强筋滑出A柱上内饰板，如图6所示。

力学模型建立：为验证A柱内饰板的正常弹开，设定气帘拉带爆破力800N，作用力方向平行于XZ平面，均匀作用在导向加强斜筋上。

仿真结果2：

A柱内饰板上二级卡扣Y向受力175N，如图7所示。

加强座与二级卡扣座连接处最大拉伸变形35MP，如图8所示。

结论2：仿真结果二级卡扣Y向作用力175N大于一级卡接力150N，二级卡扣可以正常打开，A柱上内饰板最大变形在二级卡扣与导向加强斜筋交接处，该处设计数据以R10圆角处理，但软件划分网格存在2mm误差，该理论相切处产生了网格突变，造成应力集中，仿真失真较大，因此该处拉手强度超标不做考察，仿真分析满足爆破设计要求。

4 结束语

本文重点研究了设计有二级卡扣结构形式A柱内饰板爆破受力，通过假设侧气帘爆破时气帘拉带作用在A柱上内饰板上的不同作用力大小，分析A柱内饰板二级卡扣在侧气帘拉带作用力下能否正常开启以及塑料件拉伸变形与材料许用最大变形比较分析破裂情况，该方法可用于指导A柱上内饰板设计时结构优化。

参考文献：

[1]张红刚.汽车侧气帘结构设计安全性论述[J].交通安全 201605，54-57.

[2]GB 19949.1-2005 道路车辆安全气囊部件.第1部分：术语[S].

[3]冯静. 侧气帘系统试验中的开发研究[J]. 2014 北京汽车，5-9.

[4]陈钟洲，周大永，刘卫国 等.侧面安全气帘的设计与开发技术[J].农业装备与车辆工程 2011（7），7-10.

[5]程勇、陈晓东、张劲.汽车侧面安全气帘关键开发技术[J].2008 汽车工程，156-159.

[6]葛如海，王德宝，胡满江，张学荣，陈晓东侧气帘开发与试验验证研究[J].车辆与动力技术，2013（2）.