张 焜（安徽江淮汽车股份有限公司，安徽 合肥 230000）



某车型正面40％偏置碰撞仿真分析及车体结构优化

张 焜
（安徽江淮汽车股份有限公司，安徽 合肥 230000）

摘要：通过有限元分析方法，建立整车碰撞有限元模型，参照C-NCAP试验标准进行整车正面40％偏置碰撞仿真，根据仿真结果分析得出车体结构存在的问题，对车体结构进行优化，优化后整车正面40％偏置碰撞性能得以提升，从而有效保障车辆安全性能。

关键词：有限元分析方法；40％偏置碰撞；结构优化

10.16638/j.cnki.1671-7988.2016.05.004

CLC NO.: u462.2Document Code: AArticle ID: 1671-7988(2016)03-05-84-04

前言

据相关统计，在汽车碰撞引发的交通事故中，汽车正面碰撞事故是最常见也是造成死亡人数最多的。因此，汽车正面碰撞安全性研究已经成为进行汽车结构安全设计的一项重要内容。目前，国内法规和C-NCAP主要通过正面100％刚性壁碰撞和40％偏置可变形壁障碰撞对车辆进行试验评价。两种试验的碰撞形态和对乘员的伤害机理不同。正碰时，车身前端全部参与碰撞，在巨大的冲击惯性力作用下，车体刚度大，冲击加速度峰值大，对头部、胸部的冲击伤害往往造成乘员死亡。与乘员伤害指标息息相关的因素主要是约束系统，因此，正碰试验主要侧重于对约束系统的评价。而40％偏置碰撞主要评价安全车身结构，考核车身侵入方式对乘员造成的伤害。偏置碰撞时，车辆前端只有一侧主要参与能量吸收，该碰撞形态下车身变形大，乘员室的严重侵入会造成乘员的致命伤害。根据事故车辆不同碰撞重叠率的乘员伤亡分布情况可知.重叠率为30％～40％的事故中乘员严重受伤率最高。而40％偏置碰撞试验能够较好地模拟该重叠率的交通事故。因此，进行正面40％偏置碰撞安全性的研究，对减轻交通事故中人员的伤亡具有非常重要的意义。

在车型开发过程中，车体的结构设计是车辆安全的基础。本文基于碰撞仿真技术对某车型64 km/h偏置碰撞性能进行分析与评估，提出优化方法，切实可行地提升了车身结构的偏置碰撞性能。

1、有限元模型的建立

采用Hypermesh作为前处理建模软件，直接导入CAD模型进行整车建模。整车模型的输入内容包括白车身、四门两盖、悬架系统、转向机构、动力总成、散热系统等主要结构件，其中发动机和变速箱作为刚体考虑。整车模型总质量1.63t，网格划分尺寸8mm，最小网格尺寸2.5mm，网格最大翘曲角度15度，最小雅克比0.6，共计1242866个节点、2372214个单元。

2、整车仿真模型的计算检查

仿真模型完成后，经过多次计算、模型调试与校正，确定模型的正确性和可靠性。仿真结果的真实性和准确性，可以通过定量的方法进行评价。定量评价主要集中在整车碰撞能量变化曲线和质量增加比例的分析上，如果整个模型的沙漏能占总能量的比例在10％以内，质量增加不超过总质量的5％，那么模型计算精度可得到保证。

图1　正面40％偏置碰撞能量曲线

表1　质量增加数据

从图1中曲线可以看出，在发生碰撞的初始时刻，由于汽车的动能较大，在很短的时间内形成极高的冲击力，产生的应力远远大于材料的屈服应力，因而形成较大的塑性变形。随着碰撞过程的推进，车辆的动能大部分转化为系统的内能。但由于汽车在碰撞的最后阶段发生了回弹，所以动能并没有降为零，而是保持在10 kJ左右。在整个碰撞过程中出现了很少沙漏能，几乎为零。同时，由表1可以看出，质量增加比例为0.9％，远小于5％的评价要求。所以足以说明该仿真符合汽车正面偏置碰撞规律，计算结果准确有效。

3、整车模型64km/h偏置碰撞仿真分析

参照C-NCAP试验标准，车辆以64km/h的速度与可变形壁障发生40％重叠率的偏置碰撞，可变形壁障右侧表面偏移车辆中心线约10％的车辆宽度，建立图2所示整车仿真模型。

图2　正面40％偏置碰撞有限元模型

碰撞通过LS-DYNA进行仿真计算，碰撞发生后，变形顺序依次为前防撞梁、吸能盒和纵梁，前舱吸能变形完毕后将能量传递到A柱、前围及乘员舱，整车发生甩尾，直至碰撞结束，整车变形图如图3所示。

图3　正面40％偏置碰撞整车变形图

经过局部分析，发现车体结构存在以下问题：1）吸能盒吸能不充分，左纵梁前端变形不充分，后端变形较大，抵抗变形能力偏弱，如图4①所示；2）A柱上部发生折弯，如图4②所示；3）A柱中部变形严重，如图4③所示；4）前地板下纵梁变形严重，如图4④所示。

图4　正面40％偏置碰撞前舱、A柱、前地板下纵梁变形图

上述四点导致乘员舱防火墙C区入侵量达到142mm，超过120mm目标值，如图5和表2所示。

图5　正面40％偏置碰撞防火墙入墙量图示

表2　防火墙入侵量数据

左B柱下部加速度超标，达到46g，超过42g目标值，如图6和表3所示。

图6　左、右B柱下部加速度数据曲线

表3　左、右B柱下部加速度数据

4、优化方案

针对上述问题，需对车体结构进行优化设计，经过多方案对比分析，采用以下措施能够取得较好的改善效果。

1）针对偏置碰撞中吸能盒和左纵梁变形不理想的问题，对其进行结构和材料改进，如图7所示。

图7　吸能盒和左纵梁结构优化示意图

吸能盒位于前保险杠骨架与前纵梁之间，其主要作用是在发生碰撞时利用充分的变形来吸收能量，从而保护前纵梁不至于发生太大变形，并降低发舱内重要部件的损坏程度。在优化方案中，将吸能盒的原材质B340/590DP改为B250P1，这样可以弱化吸能盒强度，使吸能盒在碰撞过程中充分利用结构变形更好的吸收碰撞能量，从而对前纵梁起到更好的保护作用。

同时，因为左纵梁前端变形不充分，后端变形较大，说明后端抵抗变形能力较弱。所以，在优化方案中，新增左纵梁前加强板B340LA-1.2t和左纵梁后加强板B340LA-1.6t，起到加强后端，让前端发生变形吸能的效果。

2）针对A柱上部弯折，经详细分析，发现弯折点在A柱加强板搭接边避让缺口处，优化方案为在避让缺口处新增盒状加强件B410LA-1.8t，与A柱加强板焊接，从而避免弯折变形，将碰撞能量有效传递，如图8所示。

图8　A柱上部加强件优化方案

针对A柱中部变形严重，导致碰撞能量不能有效传递的问题，解决措施是加强变形区域处的结构，减小其变形甚至不变形。具体方案为延长左前门下铰链固定加强板B410LA-1.2t搭接边100mm，同时新增左A柱中内板加强板B340LA-2.0t，这样的结构设计可使其搭接部分更充分，在碰撞过程中能更好的进行碰撞能量的吸收和传递，如图9所示。

图9　A柱下端变形优化方案

针对前地板下纵梁变形严重的问题，改进方案是延长前地板下纵梁加强板至发舱纵梁后段，有效传递碰撞能量；同时在前地板下纵梁后段增加加强板，避免弯折变形，如图10所示。

图10　前地板下纵梁变形优化方案

5、优化方案结果评定

根据上述优化方案进行整车偏置碰撞仿真计算，并与优化前计算结果对比。

由图11和表4可以看出，优化后防火墙C区入侵量降至119mm，达到目标值要求，从而保证驾驶员在碰撞过程中，腰部以下免受踏板、

内饰件等相关零件侵入造成二次损伤。

图11　优化后正面40％偏置碰撞防火墙入墙量图示

表4　优化前后防火墙入侵量数据

图12　左、右B柱下部加速度数据曲线

由图12和表5可知，左B柱下部加速度峰值降至40.3g，达到目标值要求。同时，优化后的加速度曲线较优化前平滑，说明经过优化，汽车前部能够按照一定的变形顺序进行吸能，优化效果较好。

表5　优化前后左、右B柱下部加速度数据

6、结论

文章阐述了某车型正面40％偏置碰撞仿真分析中出现的问题及原因，并对车体结构进行优化设计。通过弱化吸能盒内外板，加强左纵梁后段结构，优化A柱内板与加强板结构，增强各件之间连接，以及优化前地板下纵梁内部结构，从而使防火墙入侵量超标、左B柱下部加速度超标等问题得到明显改善，为车内乘员提供了一个更加安全舒适的环境，在一定程度上提高了该车的安全性能。

参考文献

[1]黄金陵.汽车车身设计[M].北京:机械工业出版社,2007.

[2]赵海鸥.LS-DYNA动力分析指南[M].北京:兵器工业出版社,2003.

[3]王珏,韩忠浩.轿车正面碰撞仿真与结构改进[J].太原科技,2009.

[4]张金换,杜汇良,马春生.汽车碰撞安全设计[M].北京:清华大学出版社.2010.

Simulation analysis and vehicle body structure optimization of a vehicle front 40％ offset impact

Zhang Kun
( Anhui Jianghuai Automobile Co., Ltd., Anhui Hefei 230000 )

Abstract:Through the finite element analysis method, to establish the finite element model of vehicle collisions. In accordance with the requirements of the C-NCAP test of vehicle front 40％ offset impact simulation, according to simulation results analysis we can get the body structure of the existing problems, on the body structure is optimized, the optimized vehicle front 40％ offset touch crash performance can be improved, so as to effectively safeguard the vehicle safety performance.

Keywords:finite element analysis method; 40％ offset impact; structure optimization

中图分类号：U462.2

文献标识码：A

文章编号：1671-7988（2016）05-84-04

作者简介：张焜，助理工程师，就职于安徽江淮汽车股份有限公司。从事乘用车车体设计工作。