李明阳，张海华， 李旭

(泛亚汽车技术中心有限公司，上海 201208)

0 引言

最近国家统计局公布了2019年汽车制造业的营收信息，相比2018年的汽车市场， 2019年营业收入同比下降了1.8%，利润总额同比下降高达15.9%，虽然中国经济受全球贸易摩擦以及2020年新冠疫情的影响，经济增长放缓，但是受到二胎政策以及三四线城市对汽车的需求，中国仍将是全球最大的汽车市场[1]。中国新车型评估体系(China New Car Assistant Program,CNCAP) 结合了中国自身的汽车技术标准和经济发展状况为消费者提供了直观的汽车安全信息。

在各种交通道路事故中，汽车的碰撞类型主要可分为：正面碰撞、追尾碰撞、侧面碰撞、翻滚，通过美国公路交通安全管理局对这些碰撞的分析，正面碰撞事故率为49%，在所有碰撞事故中位居第一位[2]。车身作为汽车上最重要的结构件，给乘客提供了必要的乘坐驾驶空间，在发生碰撞时也可以给予乘客一定的保护。前舱位于车身的前端，不但为整车的动力系统及其子系统提供了安装空间，同时也具有吸收和传递碰撞能力的功能，因此针对正面碰撞，车身前舱碰撞路径的设计具有非常重要的意义。C-NCAP中正面碰撞对应的车身模拟分析指标为防火墙脚踏板处结构入侵值以及B柱下方的等效加速度，文中研究了精益化设计路径的入侵值和等效加速度[3]。

1 碰撞路径的设计

前舱是整车架构中最为重要的部分之一，起到吸收和传递碰撞能量等作用，因此车身前舱碰撞路径的设计对于车辆正面碰撞，有着举足轻重的意义。

图1 前舱车身正碰传递路径

图2 白车身载荷分布

在正碰路径设计过程中，理想的前纵梁变形模式分为3个部分:溃缩变形区、折弯区、控制向上扭转区。图3中A为吸收碰撞能量的溃缩变形区，B为保护发动机的折弯区，C为保护乘客的控制向上扭矩区。其中碰撞过程中的主要能量，通过前纵梁前端溃缩变形区的塑性变形来吸收，同时溃缩区的塑性变形也可以减少等效加速度对乘客舱的冲击，基于以上需求溃缩区需要设计成为具有一定刚度的结构路径；由于在分析模型中发动机被视为刚体，而防火墙的刚度较低，为了防止发动机侵入乘员舱，折弯区需要设计成具有较高刚度的结构路径；控制向上扭转区可以保护乘客在舱内的安全，防止碰撞过程中发动机侵入乘客舱侵害到乘客，在设计此区域时应使碰撞中产生的力在前纵梁平直段尾端向下传递。

图3 前纵梁传递力示意

2 传力路径的精益化设计

前舱是正碰过程中主要的吸能区，强度很高的前纵梁结构会使等效加速度变大，而强度较低的前纵梁结构无法起到力的传递和吸收，因此传递路径的主体零件材料采用高强钢代替软钢以及超高强钢。高强钢不但可以提高车身的耐撞性，而且可以有效地减小碰撞过程中的变形，根据实际数据分析高强钢吸收能量是普通钢的1.6～2.0倍[4]。一般提高强度的方法有3种：增加材料的厚度会导致成本费用以及质量的增加，又由于钣金件之间的不同料厚搭配会影响焊接质量，因此增加整体料厚往往也会影响与之焊接的零件；而提高材料等级仅对成本有影响，对质量影响较小；而在局部进行结构加强时，可以减少对其他零件的焊接影响，对费用以及质量的影响也会降到最低。因此通过局部增加加强件以及更改材料属性的精益化方法，优化出满足C-NCAP五星正面碰撞精益化路径。

如图4根据C-NCAP五星正碰需求，此前纵梁内部采用高强钢钣金以及超高钢钣金进行局部结构加强，同时提高部分材料等级。图4为白车身碰撞路径上主体零件的分布，可以看出前纵梁材料大部分采用高强钢，部分加强件为超高强钢。前纵梁中前端主体件采用了高强板以便吸收能量，同时防止前纵梁大面积溃缩。前纵梁前端增加了精益化高强钢加强板，主要是在保证前纵梁前端发生溃缩变形的同时，吸收足够的能量，减少碰撞力对乘员舱的冲击。而在前纵梁的中部，设计增加了一段超高钢的加强板，这块区域为发动机的悬置区，而高强度结构设计可以保证发动机的稳定性，防止发动机的破损以及对乘员舱的侵入。在前纵梁与Kick down的连接区域，为了使此区域也具有高强度结构，设计增加了一段超高强钢的加强板，同时Kick down也采用了超高强钢保证此处的高强度结构，以防止碰撞力对乘员舱的冲击，确保此处不会发生溃缩并把碰撞力分散到后部车身。相比于整体料厚的增加，设计大量采取了加强板并对局部零件进行材料属性优化，以达到精益化设计目的。图4(a) 前纵梁尾端采用分片形式，Kick down以及延伸件分别采用了1.6 mm以及0.8 mm厚度设计，是在满足碰撞需求的同时，达到成本最优。

图4 主体零件分布

图4(b)为高强钢以及超高强钢在前舱钣金件的应用，为了保护乘员舱及分散力碰撞力，在防火墙处分别设计增加了超高强钢加强板及横梁。由于正碰过程中，前舱内的发动机等刚性零件会在碰撞后产生向后的位移，这些向后移动的零件会推动乘客舱内的Dog house、Brake系统等发生移动，可能会危及到乘客舱的安全，因此这些超高强钢加强件的存在，会有效地抵抗二次碰撞对乘客的伤害。

前纵梁作为正碰传力路径中最重要的零件，为了达到碰撞路径精益化设计的目的，在前纵梁内外板上设计了不同方向的加强筋(图5)。其中X向加强筋可以提高零件的强度，而Z向加强筋能够改变路径力的传递方向，起到诱导槽的作用。在前纵梁内侧和外侧的Z向加强筋，可以使零件在此处发生向下的弯曲，在改变力对乘客舱作用的同时，也能充分吸收更多的能量，以便保护乘客舱，使前纵梁按照理想状态进行弯曲。而且当前纵梁承受的力达到一定程度时，如果不进行正确的引导，局部会产生失稳现象。

图5 前纵梁加强筋分布

3 结果分析

在交通事故中存在着各种各样的碰撞形式，正面碰撞一般通过正面100%重叠刚性壁障和正面40%重叠可变形壁障碰撞两种方法考察车辆的安全性[5]，这两种模拟实验相互补充，无法互相取代，只有这两种实验同时验证，才能更全面地验证车辆的安全性。

文中将设计的精益化碰撞路径导入整车模型中，进行正面100%重叠刚性壁障和正面40%重叠可变形壁障碰撞工况实验仿真分析，如图6所示，从两种工况的模拟结果可以看出，前纵梁前端发生溃缩，中段发生弯曲，这是理想的渐进性变形模式，可以使得前纵梁在有限的变形内，吸收更多的能量，以便更好地保护发动机舱。相比于其他车身采用，前纵梁初始厚度为1.8 mm[6],而此前舱传递路径，主体零件的平均厚度仅为1.4 mm，且通过在关键部位设计加强板的方式，设计出了精益化前舱碰撞路径并得到理想的正碰模拟结果。

图6 不同工况下的模拟仿真

在正面碰过程中，C-NCAP 五星碰撞对假人伤害值有严格的控制要求，转化为车身仿真模拟指标为防火墙脚踏板区域变形量小于100 mm(C-NCAP管理规则)以及B柱位置下方的等效加速度小于一定值，而碰撞后车门能否正常开启是判断车辆安全性能的重要指标之一。经过模拟分析此车B柱位置下方的等效加速度满足对五星碰撞对车身的要求。从图(a)和(c)120 s的100%重叠刚性壁障仿真结果可知A柱和门槛无变化，从图(b)和(d)120 s的40%重叠可变形壁障碰撞仿真结果，可知A柱有18 mm变形量，但门槛未发生变形，因此无论进行正面100%重叠刚性壁障和正面40%重叠可变形壁障碰撞，在碰撞过程中以及碰撞结束后，车身都能保障汽车车门可以打开。且从图(c)和(d)中，可以得出脚踏板区域，100%重叠刚性壁障的侵入量最大为28 mm，正面40%重叠可变形壁障碰撞最大侵入量为74 mm，都满足五星碰撞对车身的要求。前舱正面碰撞路径的精益化设计，能够满足C-NCAP五星碰撞需求，且精益化设计对乘客舱起到了很好地保护。

图7 仿真分析结果

4 结论

文中通过介绍正面碰撞前舱理想变形模式-渐变式变形，采用碰撞路径的主体件使用高强钢，前纵梁前端增加高强钢加强件，前纵梁中部、尾部以及防火墙上增加超高强钢加强件的方法，再配合诱导筋的设计，设计出一条精益化前舱碰撞路径。针对此碰撞路径进行正面100%重叠刚性壁障和正面40%重叠可变形壁障碰撞模拟，结果表明此碰撞路径满足C-NCAP五星碰撞需求。