汽车侧碰安全性车身结构设计与轻量化研究

摘要：文章在研究与掌握现有侧碰法规安全性车身结构的基础上，通过使用有限元分析软件LS-DYNA进行模拟分析，对车身关键部位从结构优化、零部件材料选取等方面进行了轻量化研究，并进行了实验验证，使钢板材料与材料厚度达到合理配置，达到既满足国家侧碰法规要求，又实现整车轻量化的目的。

关键词：侧碰法规；安全性；车身结构设计；轻量化；模拟分析 文献标识码：A

中图分类号：U463 文章编号：1009-2374（2016）12-0017-04 DOI：10.13535/ki.11-4406/n.2016.12.008

随着汽车工业的飞速发展，全球汽车保有量不断上升。在越来越多的普通人群享受到了汽车带来的方便与快捷的同时，日益严峻的能源危机和全球气候变暖问题使得汽车轻量化成为了汽车行业炙手可热的话题。有关研究数据表明：整车质量降低10%，燃油消耗可降低6%～8%，排放量降低5%～6%。降低汽车整备质量不仅可以降低汽车的油耗、减少有害物质的排放，而且在一定程度上可以带来车辆操控稳定性和碰撞安全性的提升，因此轻量化设计已成为汽车产品研发流程中不可或缺的环节之一。

汽车轻量化首先应保持汽车原有的性能不受影响，汽车侧碰安全性是汽车轻量化面临的主要问题之一。对于汽车而言，乘员舱侧面的结构强度较弱，在汽车侧碰交通事故中乘员通常会受到较大的伤害。根据世界卫生组织的统计资料，全世界平均每年约有120万人因交通事故丧生，根据官方统计，中国历年交通事故死亡人数稳居世界第一。在所有的汽车碰撞类型的交通事故中，侧面碰撞所占的比例约达事故总量的30%左右；侧碰所造成的重伤和死亡比例达到35%。国家强制性法规《汽车侧面碰撞的乘员保护》（GB 20071-2006）的实施使得侧面碰撞安全倍受瞩目，国内各大汽车企业、研究院及高校都对汽车侧面碰撞安全的各个领域进行了研究。国内外汽车实现轻量化的主要途径有：（1）使用轻质材料，如铝合金、钛合金、生态复合材料、高强度钢等；（2）车身结构轻量化设计；（3）使用新的成型方法和连接技术，如柔性轧制工艺、激光拼焊工艺等。目前国内传统车身开发设计主要有两个方面的不足：（1）局部材料强度余量较大，造成材料浪费、产品成本上升；（2）车身关键部位结构强度不足，汽车在使用过程中出现安全性、可靠性不足问题。

本文结合某乘用车开发项目，在保证车身强度、刚度、侧碰安全性的前提下，利用有限元分析和实车试验的方法，通过合理选择零件材料、优化白车身结构等方法对车身结构进行轻量化设计，减轻白车身重量，节省燃油消耗、减少排放，不仅对未来轻量化白车身开发起到了重要的参考作用，对企业提高产品竞争力也具有重要意义。

1 汽车侧面碰撞实验方法与评价标准介绍

我国现在实行的侧碰法规是以ECER95为模板制定的，同时考虑我国乘员的身高、体重与欧洲乘员有较大区别，所以在制定侧面碰撞法规时也参考了日本的法规标准。

1.1 侧碰实验条件与方法

1.1.1 实验基本条件：实验车应停放在指定位置，保持静止，其质量应为车辆的整备质量加上100kg（侧碰假人及其测量设备的质量）；移动变形壁障的特性及检验应符合法规GB 20071-2006中附录C规定，其纵向中垂面轨迹应垂直于实验车的纵向中垂面，且与实验车上通过碰撞侧前排座椅“R”点的横断垂面之间的距离应在±25mm内，在碰撞瞬间，应确保由变形壁障前表面上边缘和下边缘限定的水平中间平面与实验前确定的位置的上下偏差在±25mm内。

1.1.2 实验速度：碰撞瞬间移动变形壁障的速度应为50±1km/h，并且该速度至少在碰撞前0.5m内保持稳定。测量移动变形壁障的实际速度，测量仪器的准确度为1%。

1.1.3 碰撞假人准备：实验开始前，在驾驶员位置安放一个ES-2型侧面碰撞假人，假人应符合法规GB 20071-2006中附录E或F规定。

1.2 侧碰性能评价标准

1.2.1 头部性能指标（HIC）值应≤1000。

1.2.2 胸部性能指标：肋骨变形指标（RDC）应≤42mm，黏性指标（VC）应≤1.0m/s。

1.2.3 盆骨性能指标：耻骨结合点力峰值（PSPF）应≤6kN。

1.2.4 腹部性能指标：腹部力峰值（APF）应≤2.5kN的内力（相当于4.5kN的外力）。

2 汽车侧面碰撞特性研究

在汽车发生侧面碰撞时，碰撞力的传递途径如图1所示，MDB（移动变形壁障）最先与车门接触（对于碰撞时门槛腔体上表面离地高度大于300mm的汽车，MDB同时会与门槛接触，此类结构对侧碰通常比较有利，这里不做详细分析），车门受MDB的撞击下向车身内部变形将力传递至车门内部的防撞杆，再由防撞杆将力传递至A柱、B柱以及C柱；A柱在冲击力的作用下开始变形，将力传递至驾驶仓的前隔板总成、前隔板下安装板合件等；C柱位置则将冲击力传递至顶盖后横梁及后部下车体总成；B柱位置的力通过B柱上接头、B柱下接头分别传递至顶盖横梁#1、门槛，再通过顶盖与地板来传递吸收。

从碰撞时力的分布情况来看，B柱区域结构的设计对碰撞安全性能的提升至关重要。设计不合理一般会出现如下三种安全隐患：（1）B柱上部刚度不足，导致碰撞时B柱上部变形严重，头部性能指标、胸部性能指标超标，直接威胁乘员的生命安全（头部、胸部）；（2）B柱结构刚度分部不合理，导致B柱严重变形，B柱及车门侵入量、侵入速度大，也会对乘员造车生命威胁；（3）B柱下部刚度不足，导致B柱下端车身凹进乘员仓。

3 整车有限元模型建立与碰撞分析结果

首先，根据整车性能目标，收集并分析了大量性能定位相近的对标车的结构信息，按照满足整车性能目标、重量最轻、成本最低的原则，对车身结构与材料选择进行合理配置，得出最初的车身轻量化结构方案，并建立3D数据。然后，建立整车有限元模型进行分析，整车有限元模型的建立的具体流程如图2所示，总体来说分为5步：（1）进行构件简化，综合分析各零部件在碰撞仿真中的特性后，对相应的零件部件进行合理的简化处理，既可保证仿真精度，又可大量节省计算资源；（2）进行网格划分，网格划分的质量对仿真精度、求解时间都有显著影响。理想的网格划分要求网格大小均匀，网格形状规整，但是考虑计算能力的限制，通常按实际需求将车上分为几个区域，分别采用不同的网格尺寸：主要变形区域网格尺寸为10mm×10mm、过渡变形区域网格尺寸为20mm×20mm、非变形区域网格尺寸为40mm×40mm；（3）按实际情况赋予各零件材料属性；（4）将各部件连接起来，合理的连接方法应既能体现其实际连接方式的基本特性及碰撞后的可能状态，又能保证其尽量简化以提高求解效率；（5）给模型添加载荷工况。

实际碰撞采用MDB（移动变形壁障）来代替实车进行实验，整个MDB有限元模型由221个部件，共70220个单元组成。根据法规要求，模拟MDB以50km/h碰撞某乘用车，分析结果如表1所示，假人胸部位置B柱存在变形、前门位移量偏大。

从车身变形模式上看主要有如图3、图4、图5所示

缺陷：

第一，B柱位置变形较大，地板横梁严重折弯，门槛向车内翻转，导致B柱侵入量过大。

第二，门槛内部3个支撑盒全部被压溃，导致由支撑盒到座椅横梁的传力路径被破坏，B柱下端前门防撞杆搭接位置侵入量过大，导致前门位移量增加。

第三，由于侧围加强框架主要通过门槛内部的支撑盒向地板横梁传递冲击力，车身前门槛区域结构变形较小，刚度存在富余。

4 实车实验结果与轻量化改进方案分析

如图6，实车实验时肋骨变形量（RDC）为53.855mm，黏性指数（VC）为1.2m/s，不满足国家法规要求。

侧围入侵速度、入侵量是影响乘员胸部性能指标的关键因素，Kalu等人通过台车实验得出了侵入速度与侧碰假人肋骨变形量能够用图7所示线性关系表示，按照图7中的公式，实车碰撞时的侵入速度达到12.856m/s，超出9m/s的可靠值。

从车身实际变形情况分析，车身变形情况与有限元分析结果大致趋势一致，B柱下端基本上符合反“s”形的变形模式，对乘员安全的保护比较有利，证明此处主要的结构设计是合理的。如图8所示B柱下端钣金被撕裂，说明B柱下部结构偏弱；B柱下端座椅横梁弯折，导致门槛向车内翻转；最终造成B柱下端车身结构变形严重，冲击力无法合理的传导至A柱、C柱和下车体上，车身整体侵入速度、侵入量过大。

在综合分析了有限元仿真结果与实车碰撞实验结果的基础上，制定了以下的结构加强方案及结构轻量化方案：

第一，加强B柱区域结构强度，B柱加强板料厚由t=1.4mm改为t=1.6mm，并取消其圆弧出筋条，保证此处刚度连续；B柱下加强板料厚由t=1.2mm改为t=1.4mm。

第二，前、后门防撞杆分别向下调40mm、34mm，如图10圆圈为调整后的位置，使冲击力更多地通过B、C柱下端传递至下车体，减少假人胸部伤害值。

第三，针对门槛内部支撑盒变形问题，需要将支撑盒厚度提升至t=1.4mm才能有效抵抗变形；经分析支撑盒主要承受横向冲击力，如图11所示，在支撑盒侧面增加两条抵抗横向冲击力的筋条，并取消侧面的工艺孔，达到抵抗变形实现轻量化的效果。

第四，如图12所示，加强地板横梁前端结构强度，使其能够承受侧碰时的冲击力不被折弯，并将力传递至地板以及车身另一侧。

第五，由于实验车门槛上表面离地高度小于300，实际碰撞时MDB未直接撞到门槛上，前门槛位置受到的冲击力较小，碰撞后无明显变形，门槛区域仍然存在轻量化空间。轻量化方案如图13所示，将门槛外板加强板HC340/590DP t=1.2拆分为前门槛外板加强板HC340/590DP t=1.0+后门槛外板加强板HC340/590DP t=1.2，整车质量降低0.648kg；同时将门槛内板由BLD t=1.2改为HC340/590DP t=1.0，整车质量降低0.830kg。

5 有限元分析与实验验证

如图14及表2所示，有限元分析结果显示车身结构优化后各项性能指标改善较大，其中前门侵入量降低24%，经实车碰撞验证，整车侧碰性能满足国家法规要求。

6 结语

汽车安全与轻量化是汽车产品设计的两大关键内容，二者存在一定程度的相互影响、相互制约的关系。如何处理好安全与轻量化之间的关系，对于新车型的开发意义重大。进行整车试验与进行有限元模拟分析是进行安全校核与轻量化设计的两个重要途径，前者试验周期较长，影响整车开发周期；后者虽然比较方便快捷，但以目前的技术手段，其分析结果与实际情况会不可避免地存在一些偏差。通过使用整车实验与有限元分析相结合的方法，可以使两种方法互相验证，达到取长补短、相辅相成的效果，不仅可以缩短实验周期、产品开发周期，还能快速找到问题的最佳解决方案，使车身在结构、材料、料厚等达到合理配置，既实现了汽车轻量化，又保证了整车安全。

参考文献

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作者简介：伍升安（1987-），男，湖南永州人，上汽通用五菱汽车股份有限公司助理工程师，研究方向：车身结构设计研发。