某车型25%小偏置碰撞车体结构优化仿真研究

农天武，贾丽刚，林智桂，张骥超，刘家员

(1.上汽通用五菱汽车股份有限公司，广西柳州 545007；2.宝山钢铁股份有限公司研究院，上海 201900；3.澳汰尔工程软件(上海)有限公司，上海 200436)

0 引言

广义的小偏置被定义为20%～40%之间的重叠[1]，近年来由于小偏置事故频发且死亡率居高不下，人们逐渐认识到正面小偏置碰撞试验的重要性，很多国家将小偏置碰撞试验引入汽车被动安全开发中。

2012年，25%小偏置碰撞试验首次被美国安全保险协会(Insurance Institute for Highway Safety,IIHS)引入到实验法规，但是在最初试验评估的几款车型表现都较差。2014年，MUELLER等[2]曾对小偏置进行过深入研究，从设计的角度指出不同结构对小偏置试验的影响。2015年，SAUNDERS等[3]研究了不同重叠面积的试验方法，并得出不同类型车辆的研究报告，为后续的车辆开发提供了宝贵经验。

从IIHS公布的测试车辆中收集240余款进行研究,结合某款SUV 25%小偏置测试的碰撞策略仿真研究，目标是既能顺利通过法规又能符合轻量化和低成本的要求。对摸底试验车进行对标仿真分析,找出不符合小偏置试验的因素,针对其不足从碰撞策略上进行改进,对比不同的策略方案设计，将吸能+掠过策略作为最终的策略方案。

1 有限元模型简述

1.1 有限元模型

摸底试验车网格数量约为230万(只对车体结构进行评估，不带假人)，整车质量为1 914 kg，运用Altair的RADIOSS求解器作为仿真分析工具，分析有限元边界条件基于IIHS法规的测试内容。

仿真的边界条件设置如下：小重叠障碍碰撞测试是(25±1)%的重叠，初始速度设置为64.4 km/h。测试车辆与刚性屏障发生碰撞, 壁障的右边缘重叠于车辆左边中心线(25±1)%的车辆宽度[4],如图1所示。

图1 IIHS碰撞测试

1.2 有限元模型可靠性

仿真和试验的A柱变形图及B柱下端加速度曲线对比分别如图2、图3所示。变形图显示A柱的折弯位置一致；加速度曲线一致性较高，验证了模型的准确度。

图2 A柱变形对比

图3 仿真与试验B柱下端加速度-时间曲线

2 不同碰撞策略的仿真分析

对摸底试验车进行分析发现，碰撞后的门环弯折、门槛梁破损较严重，评价等级为Poor，需要对车体传力进行改进。对于纵梁的传力，一种方式是通过保险杠横梁经过吸能盒传到纵梁，但是此种方式要求保险杠横梁足够长，这会影响到造型和行人保护的小腿保护，改动量较大；另一种方法是通过ShotGun前部与纵梁搭接处将力传到纵梁上，此方案要求ShotGun前部搭接要足够强。ShotGun传力是小偏置碰撞的主要传力路径，并且不同策略的界定也是根据ShotGun的形式决定。

根据IIHS公布的测试车研究得到3种碰撞策略：吸能策略、掠过策略、吸能+掠过策略。同时，分析摸底车碰撞得出的不足之处和原因，同样设置3种碰撞策略，最后将3种仿真结果进行对比。

2.1 25%小偏置碰撞理论

根据SAE J 224标准研究的汽车分区结构[5]，将汽车碰撞区域分为四大区域、9个小部分。其中前5个小部分为等效吸能区；第6部分为前风挡过渡区；第7、第8部分构成前乘员舱区；第9部分为后乘员舱区(分界线是前门锁扣)，如图4所示。

图4 测试车辆的碰撞区域分类

区域一是等效区，从防撞梁到ShotGun前端段；区域二是前风挡过渡区，从ShotGun后端到前风挡段；区域三是安全区，乘员生存空间段。碰撞时各部分的能量变化是：

(1)

2.2 方案一：吸能策略

吸能方案相对容易改进，主要是加强各个吸能区域结构，因此很多主机厂只注重加强乘员舱，而忽略吸能的作用[5]。吸能策略的可行性较高，但在碰撞时容易产生很大的车身加速度，对于乘员的伤害会很大，必须配合较好的约束系统才能得到较高得分。由于小偏置碰撞时传力主要经过ShotGun、门槛以及门环等部分，而门环是乘员舱重要的组成部分。为保证乘员舱的完整性，不能将门环作为吸能的主体，这也是小偏置测试中结构设计的难点。对于此次方案改进来说，很多改动受到限制，并且还要考虑到加工难度、成本等问题，因此主要从白车身和车门的局部进行改进。

考虑到ShotGun既要吸能又要有较好的刚度，将其厚度略微加大、材料不变；门环依然采用搭接焊，但是将材料提升的同时门环厚度加大，采用B1500HS材料，并在A柱内加入厚度为1.5 mm的加强板，提升门环的刚度。在门槛前端增加一Y向支撑板，这是因为在仿真结果中车轮在碰撞后期挤进门槛，造成侧向侵入量过大，影响门槛处得分。

方案一相对于摸底车模型调整22块结构件，整体质量增加25.2 kg。此方案在轻量化方面处于弱势，其优势是不需要单独设计导向结构，主要是厚度和材料属性的变化，改进实施性较好，如图5所示。

图5 方案一优化后的车身

2.3 方案二：掠过策略

在方案一的基础上重新设计ShotGun的结构，采用带有一定弧度的ShotGun，最大圆弧半径为670 mm，单独的导向结构可以使车辆在碰撞时掠过壁障，且这种策略的优势是碰撞造成的乘客舱侵入量很小。IIHS公布的测试结果中，采用此种碰撞策略的测试车辆结构评分都是Good等级。

将白车身ShotGun的结构重新设计，发动机舱内部的部分结构件配合更改，例如将蓄电池进行90°旋转；整个门环分为4段并采用先进的无缝激光拼焊工艺，提高焊接精度和门环的强度。方案二相对于摸底车模型调整20块结构件，整体质量增加18.7 kg，如图6所示。

图6 方案二优化后的车身

2.4 方案三：掠过+吸能策略

对方案一和方案二进行整合，将其定义为掠过+吸能碰撞策略。由于ShotGun设计具有一定的导向和吸能作用，可吸收大部分能量，同时对乘员舱(门环)进行加强可抵抗冲击力。合理地设计导向作用，在碰撞后期会产生滑移的作用。重新设计ShotGun的结构形式，如图7所示。

图7 方案三优化后的车身

同时将周围紧密配合的钣金件改进设计，例如减震塔、内封板等。门环采用不同厚度的激光无缝焊接技术保证车身的刚度，同时在A柱内增加加强板，且在A柱下门槛处增加两个加强件。碰撞时两个加强件可以抵住A柱内加强板的冲击，使整个门槛梁得到加强，保证碰撞时A柱和门槛的完整性。方案三相对于摸底车模型调整了28块结构件(包括原基础改动部件)，整体质量增加12.3 kg。

同时，优化副车架的碰撞力传递路径，改进设计理念是在有限的重叠面上分散碰撞的冲击力，不同结构的传递路线如图8所示。

图8 优化后的副车架

3 优化模型分析结果及评估

3.1 侵入量对比结果

(1)图9(a)为摸底车门框变形，图9(b)为方案一门框变形，门框抵挡较强的冲击，乘客舱保持较完整，但门槛前端处出现明显的弯折，侧向的侵入量较大，且上A柱上半部出现弯折。根据IIHS对小偏置测试的要求，输出乘员舱侵入量的数值，如表1所示。上车体结构和下车体结构可以得到Good的评分，但是在上铰链的测量点处得分仅为Accept，说明对乘员有一定的安全威胁。优化策略与预期目标有一定的差距，但是此方案比摸底车结果好，仍然有进一步的优化空间[6]。

图9 门框变形

(2)对于方案二，掠过方案较好的避开了壁障的阻碍，从仿真结果看，可以轻松得到Good的评分。如图9(c)所示，乘员舱几乎不变形，只有A柱下端产生较小的弯折，此方案可以有效保证乘员舱完整性。碰撞中产生加速度较小，乘员伤害进一步减小。但此种碰撞策略在实际车辆事故中存在较大隐患，产生二次事故的概率较大。

(3)对于方案三，掠过+吸能的策略是方案一和二的结合体。将前两种方案改良，能达到预期的效果，从表1数值看出，评分可以得到Good的安全等级。如图9(d)所示，在小偏置碰撞试验中，ShotGun溃缩变形起到吸能作用，当壁障达到乘员舱区域时，门框完全可以抵挡住剩余的冲击力，可看出整个门环变形很小，且碰撞后车辆产生一定的转角而停止，有效防止了二次碰撞伤害[7-8]。

表1 3种方案的侵入量对比

3.2 3种方案其他参数结果对比

由于此次是基于该款车型的小偏置碰撞优化，所以要保证尽可能少地改动车身结构，降低造车成本。各个方案的质量变化对比，如表2所示。

表2 3种方案质量增加量 kg

同时，对碰撞中的加速度进行评估，输出白车身左侧B柱下端加速度曲线, 如图10所示。对比加速度曲线，方案一的加速度达到80g，严重超出经验值；而方案二、三的加速度比较缓和且小于40g，是比较正常的碰撞状态。

图10 3种方案的加速度对比

从节约成本的角度出发，改款车要求降低更改费用，而且要考虑与其他零件的匹配问题。尽管掠过方式对于小偏置测试结果会更好，但与前端的大灯、发动机舱部件以及其他附件产生严重的干涉，要重新设计和改进更多的零件，导致成本升高。该款SUV车辆在改款时选用方案三作为改进策略，此方案优势是改进的轻量化设计程度最高，且零件容易改制，其车辆结构评价达到Good等级。

4 结论

随着国内C-IASI(中国保险汽车安全指数)法规试验要求的不断完善，小偏置碰撞测试将逐渐受到各大汽车厂家的重点关注。通过仿真测试研究，得到车辆结构评价从最初Poor等级提高到Good等级的最佳方案。

针对3种碰撞策略模型，运用Altair的RADIOSS求解器做不同方案的仿真分析。对于3种优化的碰撞策略，从耐撞有效性、改款适应性和轻量化的角度进行对比研究得出：(1)掠过策略在小偏置碰撞测试中最有效，但实施性较难且存在二次碰撞的风险。(2)掠过+吸能策略有效性次之，实施性适中。(3)吸能策略有效性相对较差，但实施性好。(4)车辆改款设计要综合考虑其有效性和成本的问题，因此掠过+吸能的改进方案更占优势，并且碰撞后的车身结构评价等级达到Good等级。