某乘用车侧面碰撞安全性仿真分析

王天博 田国富 王涛

摘  要：为研究某乘用车型在发生侧面碰撞时是否满足国家安全标准，以有限元仿真为基础，对该乘用车进行侧面碰撞安全性分析。首先搭建整车侧面碰撞模型并设置计算参数;然后将模型的k文件导入到LS-DYNA软件中进行仿真计算;最后利用后处理软件观察整车碰撞时序图及B柱的变形模式，并参照国家侧面碰撞相关法规，发现该乘用车型存在B柱侵入量及侵入速度过大的问题，影响了汽车侧面碰撞的安全性。

关键词：某乘用车;有限元仿真;碰撞;B柱

中图分类号：U467.13    文献标识码：A    文章编号：1005-2550（2021）01-0082-05

Abstract： In order to study whether a passenger car meets the national safety standard in the event of a side impact， the side impact safety analysis of the passenger car is carried out based on finite element simulation. Firstly， a vehicle side impact model is built and calculation parameters are set. Then the k file of the model is imported into LS-DYNA software for simulation calculation; Finally， the post-processing software is used to observe the collision timing diagram and deformation mode of B-pillar， and referring to the relevant national standard on side collision， it is found that the passenger car has the problem of excessive invasion volume and invasion speed of B-pillar， which affects the safety of side collision.

Key Words： Passenger Car; Element Simulation; Impact; B-pillar

前    言

我國是汽车大国，按照公安部交管局的统计，截至2020年上半年，全国汽车保有量为2.7亿辆，机动车保有量达3.6亿辆[1]。中国道路交通建设如社会经济一样飞速发展，但由于一些公民本身缺少对法律的认知，且日常生活安全意识不强，导致道路交通事故频繁发生。

图1显示2019年我国交通事故受伤人数较2018年同比增长6.4%[2]。虽增速有所减缓，但依旧导致275125人伤亡，损失巨大。

相对于其他碰撞方式而言，侧面碰撞在交通事故中造成的伤亡人数较多，损失较为惨重，因此提高汽车在发生侧面碰撞的安全性，对降低我国的交通事故致死率起着重要作用[3]。早期的碰撞试验是通对实车碰撞来进行，需耗费大量的金钱和时间。随着社会的发展和科技的进步，工程师开发了有限元分析法[4]，通过计算机仿真的方式，来模拟汽车的碰撞试验，此举可显著降低汽车的设计成本，缩短研发周期。

1    侧碰有限元模型

1.1   整车有限元模型的建立

本文研究的侧面移动壁障碰撞是C-NCAP（中国新车评价规程）中评测的主要碰撞工况之一[5]。仿真实验时，被测车辆静止不动，可移动壁障代替对方车辆，并以固定速度和方向撞击被测车辆。

使用软件HyperMesh打开某款乘用车的几何模型，并对模型进行几何清理、网格划分等必要的前处理工作，对该乘用车白车身等区域划分2D网格，对发动机等零部件划分3D网格，Quads壳单元角度控制在45°至135°之间，Trias三角形单元角度控制在20°至120°之间，以保证计算精准度，得到该乘用车的CAE模型，该模型共包含958281个2D单元，25230个3D单元，如图2所示。

1.2   MDB有限元模型

依据我国GB20071-2006的要求，创立MDB可移动壁障的有限元模型，该模型由移动的台车和蜂窝铝吸能块两部分组成。其中吸能块部分（由六个蜂窝铝组成）划分实体网格，移动台车的部分选用刚性材料，并在最外层附加壳单元，以保证碰撞时的精度，最终形成如图3所示的MDB有限元模型。

1.3   MDB整车侧碰模型

参照GB20071法规搭建整车MDB侧碰模型。按法规要求可移动壁障的中心对准该乘用车前排座椅的R点，壁障的下边缘与地面的距离为300mm，最终形成如图4所示的MDB整车侧面碰撞模型，并对该模型施加13889mm/s（50km/h）的碰撞速度，120ms的碰撞时间。在仿真计算过程中为保障计算精度，增加的质量与总质量的比值（percentage increase）要小于5%[6]，因此需要对计算的时间步长做出调整，以保证最优的计算结果。本仿真实验将DT2MS（时间步长）调整为-7.5e-7，TSSFAC（时间步长缩放系数）设定为0.9。在设置完参数之后，将此模型以k文件的形式提交到计算软件LS-DYNA中计算，计算时长大约10小时。

2    侧面碰撞的仿真分析

2.1   侧碰模型的验证

LS-DYNA在碰撞仿真分析過程中采用了质量缩放的方法来提高计算的效率，但在实车碰撞过程中，需要符合质量守恒定律。增加过多的质量将会使仿真的结果失去真实参考意义，要保证质量增加量与总体质量的比值不大于百分之五。在后处理软件HyperView中查看质量增加曲线，如图5（a）所示，图中显示其增加的质量约为19kg，远小于模型总质量（约2.057t）的5%，所以该计算结果可靠。

图5（b）为能量变化曲线，从图中能够看出，随着碰撞的进行，总能量基本保持不变;而动能逐渐减小，内能不断增大。整个碰撞过程中系统的动能转换成系统的内能，但总能量保持不变，遵循能量守恒定律。从图中可以看出，总能量约为88KJ，其中沙漏能最大值约为0.5KJ。参照李晨、陈昌明等人的研究可知，为使沙漏能对计算结果影响不明显，保证仿真与真实碰撞结果较吻合，沙漏能与总能量的比值不能超过5%[7]。根据图中的数据计算可知，沙漏能与总能量的比值约为1.7%，小于总能量的5%，证明该仿真结果可靠。

2.2   变形时序图

变形时序图能够反映该乘用车在侧碰仿真过程中不同时刻的变形情况。在计算中由于步长设置较小，所以只截取整车在0ms、30ms、60ms、90ms、120ms的变形图。从图6中可以明显看出，在0ms-30ms时，左侧车身结构发生向内凹陷的变形，与此同时，MDB的吸能块发生压缩变形，此时车身其他部位的变形并不明显;在30ms-60ms时，左侧车身变形剧烈，吸能块逐步被完全压缩;在60ms-90ms时，碰撞力达到峰值，车体结构的变形量也在这一时间段内达到峰值，吸能块完全压缩，车身左侧变形充分，导致右侧变形;90ms-120ms碰撞持续，车和壁障向相同的方向移动。

2.3   碰撞速度分析

该乘用车与可移动壁障的碰撞速度曲线如图6所示，在t=0s时刻，MDB的初始速度为13889mm/s，即50km/h。随着碰撞的进行，MDB的速度因为受到车体的阻碍而持续下降;同时，车体的速度因为受到MDB的撞击而持续增加。大约在t=0.66s时刻，二者曲线相交，此时两者移动速度相同;然后MDB的移动速度继续下降，车体的移动速度继续增加。当MDB的移动速度小于该乘用车的移动速度时，该乘用车与MDB分离。

2.4   B柱变形分析

2.4.1 侵入量分析

当汽车受到侧面撞击时，防撞杆能通过分散力的方式，显著削弱碰撞侧的变形程度，从而减少对车内乘员的伤害。当侧碰发生时，前门将力通过前侧门防撞杆传递到A柱和B柱，后门将力通过后侧门防撞杆分散到B柱和C柱。可见B柱是侧碰过程中的关键部件，其侵入量对车内乘员的安全起着重要作用，因此在侧面碰撞仿真分析中，观察B柱侵入量可以作为一个重要的侧碰安全性评价因素。

本文选取四个参考点，从上到下依次对应车内乘员身体的四个位置：头部、胸部、腹部和骨盆。四个参考点均位于撞击侧的B柱内板上，同时沿Y方向在非撞击侧的B柱内板上对应选取四个参考点，两组参考点之间的相对位移，即可代表四个位置在发生侧面碰撞时的真实侵入量。具体测量点的分布情况及B柱的侵入量如图8所示：

由侵入量曲线能够看出，除了对应着车内乘员头部位置的节点之外，其他三个部位的侵入量曲线的最大值，都超过了该车型B柱与座椅之间150mm的装载距离。

2.4.2 侵入速度分析

B柱产生大小不同的侵入量因占据了乘员的生存空间而造成伤害，但其伴随着的在每个点不同的侵入速度，对乘员的损伤更是关键性的[8]。GB20071标准中，还对胸部伤害粘性指标做出了规定，粘性指标由侵入速度和相对挤压变形量二者相乘获得，可由以下公式进行计算[9]。

由公式可见，粘性指标除了与侵入量有关外，还与侵入速度的大小有关，因此，也必须将侵入速度作为一个重要的研究对象。由上一节可知，侵入量是位移和时间的函数，所以利用后处理软件将侵入量曲线求导，即可获得对应节点的侵入速度曲线，如图9所示：

根据张学荣、苏青祖等人的研究发现，当把侧面结构的侵入速度控制在8000mm/s以下时，能够较好的满足侧面碰撞发生时车内乘员安全性能的要求[10]。由图中可以看出，除了头部以外，胸部、腹部和骨盆三个部位的侵入速度都超过了8000mm/s。

3    结论

本文依照GB20071-2006《汽车侧面碰撞的乘员保护》及C-NCAP（中国新车评价规程）等标准，采用有限元仿真的方法，对路面上的某款乘用车型进行侧面碰撞的仿真实验，对下述几个方面进行详解：

（1）使用后处理软件获得质量增加曲线和能量变化曲线，通过计算增加质量与总质量、沙漏能与总能量的比例，证明了该仿真结果的可靠性。

（2）以动态的型式输出变形时序图，观察了不同时刻的碰撞变形程度，进一步展示了该乘用车侧面碰撞的情况。

（3）分析了侧碰发生时B柱的变形模式：B柱的侵入量及侵入速度，结果显示肩部、腹部和骨盆的侵入量大于标准值150mm，侵入速度大于8000mm/s的安全值，值得进一步优化。

此结论对B柱的优化及汽车侧面碰撞的试验均有着重要的指导意义。

参考文献：

[1]中国新闻网.中国汽车保有量2.7亿辆大咖支招停车难[R].北京：中国新闻网，2020.

[2]法治视界.2019中国交通安全事故死亡人数、事故产生原因及预防对策分析[R].西安：陕西法制网第一资讯，2020.

[3]杨媛婷，郭世勇，葛超.基于LS -DYNA某国产SUV侧面碰撞仿真分析[J]凯里学院学报.2015，33（3）：113-114.

[4]李博闻.有限元分析方法在汽车碰撞研究中的应用[J].天津汽车.2008（3）：40-42.

[5]赵秀强.某型轿车侧面碰撞计算机仿真分析[D].沈阳：东北大学，2012：4-6.

[6]刘菲.基于侧面碰撞某SUV B柱轻量化优化[D].武汉：武汉理工大学，2018：30-31.

[7]李晨，陈昌明.轿车保险杠横梁的碰撞安全性研究[J].设计研究.2007，（6）：20-23.

[8]史文燕.基于LS-DYNA的汽车侧面碰撞仿真研究[D].武汉：武汉理工大学2014：44-47.

[9]钟阳.SUV侧面碰撞仿真分析及B柱优化设计研究[D].广州：华南理工大学，2010（6）：32-33.

[10]张学荣，苏清祖.侧面碰撞乘员损伤影响因素分析[J].汽车工程.2008，30（2）：147-149.