汽车相关部件对车顶强度试验的影响研究

胡雷，范彬彬，王章平，张宝航，柳惠君，李月明

(吉利汽车研究院(宁波)有限公司，浙江杭州 311228 )

0 引言

汽车车顶强度试验是考查车辆发生翻滚时车身结构强度的一项重要测试手段。在开发过程中，由于早期生产的车辆成本高、数量有限，为了节约资源，在进行汽车顶强度性能验证时以白车身为主，造成仿真数据与实际试验数据之间存在一定的差异。同时由于白车身与实车的差异，白车身车顶强度试验与C-IASI车顶强度正式试验结果存在差异，不同项目之间与C-IASI的车顶强度试验结果差异的区间范围较大。进一步分析发现，开发过程中的车顶强度试验样件安装程度，样件状态不完全一样，造成各项目与C-IASI试验结果的差异波动较大。目前国内外各主机厂也进行了相关的研究分析。相关资料显示影响车顶强度试验车身变形的关键部位为A柱、B柱、顶盖横向等[1]，其中B柱及上横梁对车顶抗压性能的影响较大，A柱、顶盖第一横梁的影响次之，顶盖第二横梁对其影响较弱[2]。但在实际开发过程中，车门、天窗和前挡风玻璃在车顶强度试验中对试验结果的影响程度研究较少。

为缩短仿真计算时间，提高仿真与试验之间的一致性，同时让开发过程中的白车身的车顶强度试验结果与整车的试验结果更具有参考意义，本文作者基于白车身对多个车型项目进行仿真计算，研究在车顶强度试验过程中，前挡风玻璃、天窗、车门等相关部件对车顶强度试验结果的影响程度，并通过相关试验，对影响因子进行验证。根据验证结果梳理出一个标准的企业车顶强度试验开发测试方法流程。

1 C-IASI车顶强度试验方法及评价方法

1.1 车顶强度试验方法

如图1和图2所示，车辆完成准备工作后放置在门槛支撑系统上，并进行固定。使用长为1 829 mm、宽为762 mm的载荷压板进行轴向加载。试验前压板纵轴前倾角需调节到水平向下 5°±0.5°(侧视)，横轴外倾角需调节到水平向下 25°±0.5°(前视)。加载压板前缘中点位于试验车辆顶部纵向中心线最前点之前(254±10)mm[3]。当一切准备工作就绪后，加载压板以约5 mm/s的速度施加载荷直至加载位移不小于127 mm，并通过加载压板上的力传感器获得力位移曲线。

图1 右视图

图2 前视图

1.2 车顶强度试验等级评价方法

车顶强度等级基于试验过程中在压板位移量127 mm范围内测得的峰值载荷与车重(整备质量状态)之比(SWR)进行评价[4]。根据不同的SWR值进行评分评级。评级主要分为优秀、良好、一般和较差4种，具体评级见表1。

表1 车顶强度评级界限

2 车门、天窗和前挡风玻璃在车顶强度试验中的影响

2.1 车顶强度仿真矩阵及仿真结果

将车门、天窗和前挡风玻璃作为车顶强度试验过程对试验结果影响的因素，并确定了4种工况进行顶压仿真计算，如表2和表3所示，选用6个车型每个车型按照表2所示的4种工况进行车顶强度试验仿真计算，并根据计算得到的载荷峰值与整备质量进行比值得出各车型的SWR值，结果如表3所示。

表2 测试方案汇总

表3 各项目仿真结果SWR值汇总

2.2 前挡风玻璃、天窗和车门在车顶强度试验中的影响

车门对车顶强度试验结果影响计算方法为：

天窗对车顶强度试验结果影响计算方法为：

前挡风玻璃对车顶强度试验结果影响计算方法为：

如图3所示，通过数据可以看出，车门、天窗和前挡风玻璃对车顶强度试验的SWR值存在一定影响。进一步对比看出，车门对车顶强度结果的影响较小，而前挡风玻璃和天窗对车顶强度试验的影响都较为显著。

图3 各项目车门、天窗和前挡风玻璃影响占比

2.3 车顶强度试验验证

考虑到试验的破坏性和不可重复性，搭载K1、C1、N1 3个车型项目分别验证车门、天窗和前挡风玻璃对车顶强度试验的影响，试验矩阵见表4。

表4 车顶强度试验矩阵

2.3.1 车门对车顶强度试验结果的影响

如表5所示，K1车型Case1安装车门、天窗、前挡风玻璃，车顶强度试验后的载荷峰值为76.67 kN，其SWR值为4.35。Case2安装天窗、前挡风玻璃，未安装车门，试验后的载荷峰值为76.54 kN，其SWR值为4.34。通过计算，该项目中没有前挡风玻璃进行车顶强度试验后的SWR值降低了0.2%，对试验结果影响不明显，与仿真的分析结果一致。K1车型车顶强度载荷曲线如图4所示。

表5 K1车型车顶强度试验结果

图4 K1车型车顶强度载荷曲线

2.3.2 天窗对车顶强度试验结果的影响

如表6所示，C1车型Case3安装天窗和前挡风玻璃，车顶强度试验后的载荷峰值为74.01 kN，其SWR值为4.89。Case4安装前挡风玻璃，未安装天窗，试验后的载荷峰值为53.34 kN，其SWR值为3.52。通过计算，该项目中没有前挡风玻璃进行车顶强度试验后的SWR值降低了28%，对试验结果影响明显，也与仿真的分析结果一致。C1车型车顶强度载荷曲线如图5所示。

表6 C1车顶强度试验结果

图5 C1车型车顶强度载荷曲线

2.3.3 前挡风玻璃对车顶强度试验结果的影响

如表7所示，N1车型Case5安装天窗和前挡风玻璃，车顶强度试验后的载荷峰值为65.63 kN，其SWR值为4.06。Case6安装天窗，未安装前挡风玻璃，试验后的载荷峰值为46.78 kN，其SWR值为2.89。通过计算，该项目中没有前挡风玻璃进行车顶强度试验后的SWR值降低了28.8%，对试验结果影响明显，也与仿真的分析结果一致。N1车型车顶强度载荷曲线如图6所示。

表7 N1车型车顶强度试验结果

图6 N1车型车顶强度载荷曲线

3 结束语

文中根据C-IASI的车内乘员安全指数车顶强度试验规程和评价规程，对车型车顶强度性能开发过程样件安装程度的试验结果影响进行分析验证。试验结果表明，车门对车顶强度试验的影响较小，前挡风玻璃和天窗对试验结果影响较为明显。基于此形成了内部的一个标准的验证程序，即在车顶强度的开发验证阶段，需要安装天窗和前挡风玻璃，不安装车门。既降低试验样件成本，同时通过固化的内部测试标准持续积累试验结果，并有利于与正式的车顶强度指数试验结果比对分析，以获得更加稳定的差异用于开发阶段的预判。

由于各车型项目设计结构存在差异，受限于试验资源，故只能定性地进行分析，未能对车门、天窗、前挡风玻璃之间的交互作用进行分析。