基于正面40%重叠的不同撞击速度下汽车车体耐撞性分析及优化改进

摘要：为研究汽车与40%重叠率壁障在不同撞击速度下的耐撞性及主要影响因素，基于GB 11551—2014法规，并联合HyperWorks、LS—DYNA软件构建正面碰撞模型进行模拟分析，提取整车系统能量时间曲线及仿真过程中沙漏能、界面滑移能的时间曲线验证了模型的精度。通过分析不同撞击速度下车体B柱下端加速度变化、前围板纵向侵入量变化，确定了危险工况。通过整车在正面碰撞过程中主要承力部件的分析，分析了不同刚度、不同部件对车体耐撞性的影响及敏感性，进而确定上边梁、纵梁以及门槛梁的最终刚度，并进行仿真模拟，得出优化后的车体加速度时间曲线、前围板纵向侵入量时间曲线，并将结果与初始参数下的曲线进行了对比。结果表明：优化后的B柱下端加速度、前围板纵向侵入量最大值及出现时间均优于原始指标，优化后车体耐撞性有所提高。研究结果可为整车的结构改进提供理论依据。

关键词：正面碰撞；40%重叠率；车体耐撞性；有限元仿真；结构优化

中图分类号：U461.91 收稿日期：2024-08-28

DOI：10.19999/j.cnki.1004-0226.2024.12.011

1 前言

汽车在发生正面重叠率碰撞时其前排乘员舱的生存空间和车体受到冲击加速度是影响乘员损伤的主要原因，对此，以往的研究人员做了大量的分析与研究。

一部分研究者通过假人对车体耐撞性进行了分析与研究。武和全等[1]分析了汽车正面撞击速度为50 km/h下后排不同坐姿乘员的损伤生物力学，结果表明乘员损伤最严重的坐姿是左倾15°，因此，使用3+2点式安全带能有效减轻乘员头部损伤。彭旭东等[2]基于C—NACP正面碰撞工况搭建碰撞分析模型及实车试验，分析了碰撞过程中后排家人的损伤情况，基于此提出了优化方案，此项研究为后排假人损伤的优化提供参考。黎和俊等[3]对NASS-CDS数据进行了分析，得出女性乘员的头部和腹部损伤最为严重，身体其他部位的损伤相对较轻。叶凡等[4]基于ECE R129法规，通过利用Hybrid Ⅲ 6YO假人模型构建胸部动力学方程，并分析了正面碰撞过程中撞击力对假人胸部加速度的影响，结果表明假人模型所受到的颈部力与安全的肩带力对胸部加速度的影响较大。

另一部分研究者对车体的耐撞性直接进行了研究分析。蒋珂[5]基于C-NCAP的正面40%重叠可变形壁障碰撞试验对某纯电动SUV进行测试，通过改善车身前端吸能机构、提升乘员舱刚度对车身结构进行优化，优化方案可提升碰撞安全性能。孙伟[6]联合Hyper Mesh和LS—DYNA软件建立MPDB有限元模型并进行50%重叠率的仿真，分析了关键部件的冲击加速度、侵入量，并对两车的相容性进行优化，将优化后的数据与优化前的数据进行比较，结果发现优化方法可行。赵世婧等[7]通过分析前纵梁压溃失效、折弯失效等影响吸能过程的因素，对前纵梁进行结构的优化设计。刘翔等[8]利用HyperWorks仿真软件建立了车辆正面100%碰撞有限元模型。通过后处理软件提取了加速度、前围板侵入量及A柱上部折弯角等参数的数据，以此评估正面碰撞中车体的耐撞性能。

以上研究方法为汽车正面重叠偏置碰撞提供了相应的研究基础。本文基于40%重叠率对不同撞击速度下的车体耐撞性进行了分析。

2 模型的构建及仿真结果分析

2.1 模型的构建及有效性验证

以某SUV车辆作为仿真分析模型，构建某SUV汽车的整车模型，并设置接触参数。根据GB 11551—2014规定，在车辆正面碰撞测试中，试验车辆（以下通称子弹车）以50 km/h的速度、重叠率为40%撞击静止于前方的壁障，如图1所示。

通过HyperWorks、LS—DYNA软件后处理，提取仿真数据，整理得出本次正面系统能量时间曲线以及碰撞过程中沙漏能、界面滑移能时间曲线，如图2所示，可以看出在仿真模拟碰撞过程中求解较稳定，能量守恒，沙漏能在5%以内，所以整个仿真碰撞模型是有效的。

2.2 仿真结果分析

2.2.1 乘员舱加速度分析

B柱与门槛梁相交的位置刚性较高，故选择此处安装加速度传感器以测定正面撞击过程中加速度波动情况[9]。子弹车分别以速度为36 km/h、50 km/h、64 km/h撞击40%重叠率的刚性壁障，提取并整理仿真数据，得出的加速度时间特性曲线如图3所示。从图3可以看出，随着碰撞速度的增大，曲线波动的幅度逐渐变大，并且在64 km/h时撞击加速度存在最大值18.5 g，对应的撞击危险时间为55～95 ms之间，之后3种速度工况下冲击加速度曲线逐渐趋于稳定状态。综上，当撞击速度为64 km/h时车体处于危险状态。

2.2.2 前围板变形的分析

在碰撞法规中，前围板变形量大小也是影响车体耐撞性的主要评价指标，因为前围板侵入量的大小严重影响前乘员舱的生存空间，所以有必要对其进行分析。图4所示是车体在撞击过程中不同时刻下的前围板位移云图，相应各工况下时间-侵入量曲线图如图5所示。

可以看出，由于汽车前部存在散热器、发动机等主要部件，使得车体在发生正面撞击时存在较大的缓冲空间，所以曲线从0时刻开始没有较大的变化量，但是随着撞击的进行，车体前部主要部件压缩到极限时，前围板开始变形，出现的时间是75 ms，此后，随着撞击速度的不同，曲线的斜率不尽相同。可以看出，最大侵入量与撞击速度成正比，当撞击速度为64 km/h时，前围板侵入量存在最大值，整个曲线走势符合实际要求。

3 汽车车体结构耐撞性的改进措施

3.1 改进措施中的参数调整

根据仿真过程中车体变形情况分析可知，车辆发生40%重叠碰撞时，车辆前舱中的前纵梁和上边梁是主要的吸能部件，其通过折弯变形可吸收碰撞能量［10］。因此，本文对汽车前部主要吸能部件的刚度在不同状态下进行仿真，研究主要吸能部件刚度调整后对B柱下端加速度和前围板侵入量这两项评价指标的影响。

首先做以下定义：a.设置上边梁厚度以调整其刚度的大小，进而分析不同刚度条件下对车体耐撞性的影响；b.调整纵梁厚度以改变其刚度的大小，并分析对耐撞性的影响；c.门槛梁作为乘员舱下部主要的关键支撑部件及传力通道，在研究刚度变化对车体耐撞性影响时可将其作为一个整体，可通过调整材料厚度来实现刚度的变化。

以上三个影响因素主要通过碰撞侧B柱下端最大加速度a及前围板的侵入量d来进行考查。定义完成上面的三个影响因素之后，要给出对影响因素的调整策略[10]。

在建立的车辆40%重叠正面碰撞模型中，通过仿真结果得到车辆以64 km/h的初始碰撞速度发生重叠为40%正面碰撞时耐撞性最差，选择这种工况作为初始模型通过调整部件厚度来优化车体结构的耐撞性。

首先调整上边梁的厚度，纵梁和门槛梁的厚度不变，只研究上边梁整体厚度调整后对整车车体耐撞性的影响。然后分别用同样的方法调整纵梁和门槛梁的厚度改变其刚度，找出这三个影响因素对B柱下端最大加速度和前围板侵入量的影响。

表1是调整的三个部件整体厚度的变化，各部件厚度均是由参数组1到参数组3依次递减，其中参数组2是三个影响因素的初始模型中部件材料厚度。

3.2 各评价指标影响参数分析

3.2.1 B柱下端加速度影响参数分析

在正面碰撞工况下车体结构的耐撞性可以用加速度响应来衡量，若加速度过大还会影响乘员生存空间，因此可用加速度响应这一指标来判断车体结构优化时的优化效果。图6是各部件刚度调整后对子弹车B柱下端加速度amax值的影响结果。从图6中可以看出，上边梁刚度的调整对车体受到冲击时的amax值的影响不是很明显。但是纵梁和门槛梁的刚度调整会使得加速度响应变得比较敏感，纵梁整体刚度的减小使得车体的冲击加速度最大值amax整体趋势减小，门槛梁刚度的增加会使车体的amax值增加。

3.2.2 前围板侵入量影响参数分析

图7为主要吸能部件刚度调整后对子弹车车体前围板侵入量峰值的影响结果。从图中可以看出，门槛梁刚度对车体前围板dmax的影响不明显，车体前围板dmax随着上边梁刚度的减小逐渐减小，随着纵梁刚度的减小逐渐下降，但是厚度值太小，会导致变形量又有回升。

4 结构优化

4.1 结构刚度匹配设计

结构改进的主要目标是减小车体B柱下端加速度和前围板侵入量，来保证乘员舱在发生碰撞事故时不会出现大的变形，从而有效保证乘员生存空间。根据仿真结果分析可知，上边梁刚度对B柱下端加速度和前围板侵入量的影响不是很明显，可适当减小其刚度。纵梁刚度的调整对B柱下端加速度和前围板的影响都相对比较明显，但是刚度太大或太小都会增加冲击加速度和前围板侵入量，因此通过比较分析，可对纵梁刚度不做改进。门槛梁刚度的调整对前围板侵入量的影响不大，但是降低门槛梁刚度对优化车体的B柱下端加速度效果很明显，因此可降低门槛梁的刚度。表2是根据分析结果对上边梁、纵梁及门槛梁的板厚作出的调整情况。

4.2 优化改进结果对比

图8是仿真模型未调整吸能部件厚度时的B柱下端加速度曲线与仿真模型按照表2吸能部件厚度调整以后所得到的车体B柱下端加速度曲线对比图。从图中加速度曲线对比可以看出，车体B柱下端加速度amax值的出现时间延迟，并且最大值amax降低，其最大值列于表3，可以看出改进后车体B柱下端加速度amax的值降低了23.38%。说明车体耐撞性的提高可通过调整刚度来实现，为乘员提供更多的生存空间。

图9为按照4.1节中各部件厚度调整方案进行优化以后所得到的前围板侵入量时间曲线和未调整厚度时的前围板侵入量时间曲线对比图。

从图中侵入量时间曲线可以看出，前围板侵入量最大值dmax有所减小，其最大值列于表3，可以看出改进后车体前围板侵入量dmax的值降低了38.45%。

5 结语

a.本文联合HyperMesh软件和LS-DYNA求解器研究了某SUV汽车在40%重叠率不同碰撞速度下与壁障的正面碰撞，提取撞击过程中的整车系统能量、沙漏能、界面滑移能时间曲线，验证了模型的有效性。通过对不同撞击速度下车体B柱下端加速度、前围板侵入量进行了分析，得出最危险工况是撞击速度64 km/h。

b.选取对正面40%重叠率撞击下影响车体耐撞性较大的上边梁、纵梁、门槛梁等三个部件进行分析，通过改变以上三种零部件的刚度（以改变厚度的方式改变刚度）分析车体的耐撞性，分析不同零件刚度对B柱下端加速度、前围板侵入量的影响敏感性。

c.得出了影响车体耐撞性的三个零件的主次顺序、影响方式，并确定了各零部件刚度的取值范围，以此进行仿真模拟并与初始参数下的仿真结果进行了比较，得出优化改进后的参数值对车体耐撞性更高。

参考文献：

[1]武和全，周惠来，李羿辉，等.汽车正面碰撞中后排不同坐姿乘员损伤生物力学分析[J].汽车安全与节能学报，2023，14（6）：688-697.

[2]彭旭东，肖森，刘宸甫，等.汽车正面碰撞后排小体位假人伤害研究及优化[J].汽车工程学报，2024，14（2）：275-286.

[3]黎和俊.汽车正面碰撞中不同体征乘员的损伤响应差异研究［D］.烟台：烟台大学，2020.

[4]叶凡，王丙雨，韩勇，等.正碰下6岁儿童乘员的胸部运动学方程与损伤风险分析[J].汽车安全与节能学报，2022，13（4）：617-624.

[5]蒋珂.基于40%偏置碰撞的车身结构优化[J].农业装备与车辆工程，2022，60（6）：141-145.

[6]孙伟.某SUV正面碰撞安全性能研究[D].大连：大连交通大学，2024.

[7]赵世婧，樊继红，王贞涛.基于正面碰撞汽车前纵梁结构优化设计分析[J].机械设计与制造，2020（12）：138-141.

[8]刘翔，刘俊杰，罗方赞.车辆正面碰撞中的耐撞性能仿真分析[J].汽车实用技术，2019（9）：149-152.

[9]胡远志，曾必强，谢书港.基于LS-DYNA和HyperWorks的汽车安全仿真与分析[M].北京：清华大学出版社，2011.

[10]许鹏善.汽车小重叠正面斜角碰撞时车体结构的耐撞性分析及优化改进[D].兰州：兰州交通大学，2017.

作者简介：

许鹏善，男，1989年生，讲师，研究方向为汽车被动安全性。