面向C-IASI 开发的汽车侧面碰撞优化设计

杨浪，戴尹安，唐灿

（威马汽车科技集团有限公司，四川 成都 610106）

引言

侧面碰撞事故是汽车交通事故中较为常见的一种碰撞形式。因车辆侧面结构吸能空间较小，在碰撞事故中易对车内乘员产生较大的损伤[1]。侧面碰撞是发生频率高、致死率和致伤率都较大的交通事故形式，事故统计数据表明世界上大约30%严重交通事故都与侧面碰撞有关。随着美国IIHS 及国内C-IASI 对大壁障侧面碰撞进行测试考核，侧面碰撞结构要求更加严格[2]。本文建立了某车型的整车侧面碰撞仿真模型，并按照2020 版C-IASI 规定的碰撞碰撞速度进行动态碰撞仿真。通过与实车侧面碰撞试验数据对比验证了仿真模型的有效性，并提出了提高该车侧面结构抗撞性的措施和结构改进方案。

1 建立仿真模型

1.1 整车有限元模型建立

在Hypermesh 中对该车型几何模型进行前处理，建立整车有限元模型。该模型主要包含底盘装置和白车身装置。有限元网格采用壳单元形式，部分为实体单元。部件与部件之间为焊单元，部分螺栓连接处设置为刚性单元连接[3]。

1.2 移动壁障(MDB)有限元模型建立

移动壁障车有限元模型由车体和前部蜂窝材料的吸能块组成。碰撞壁障为C-IASI 侧面碰撞用移动壁障车有限模型。按照C-IASI 规程中对侧面移动壁障刚度要求，对壁障有限元模型进行了仿真计算，其结果表明与试验中的刚度曲线较一致，满足有限元模型对标要求，可进行下一步计算。

侧面碰撞仿真模型节点和单元数如表1 所示。

表1 有限元模型的单元及节点数

2 有限元模型的验证

该车型进行的C-IASI 实车侧面碰撞中，整车试验质量是1.631kg，试验速度为50.38km/h。为了对仿真模型数据和实车试验数据进行对标分析，将假人和油液等质量附加在模型白车身上，仿真模型总质量与实车质量一致，并调整重心位置使仿真模型中前后轴重量配比及前后车姿高度均与试验保持一致，仿真中移动壁障模型速度也是50.38km/h。

将仿真模型进行运算并输出仿真结果。在后处理软件中将仿真数据与试验数据进行对比分析。仿真模型中的质量增加为4.04%，沙漏能占比为0.53%，均控制在5%范围内。动能转换为内能过程中，能量转换平滑，且总动能不变，表明仿真运算结果正常。

表2，图1 分别为仿真模型中的B 柱与实车试验中的B柱在碰撞中的侵入量和速度对比，图2 为整车侧面碰撞变形。从数据对比图中，我们可以看到B 柱、车门侵入速度曲线与试验吻合，由此可以得到：（1）仿真结果在可接受误差范围内；（2）计算结果与试验结果一致性较好；（3）模型可信，可用于后续研发等相关工作。

表2 B 柱测量点侵入量对比

图1 B 柱测量点速度曲线对比

图2 整车变形对比

3 结构优化分析

分析原车型实车侧面碰撞试验及仿真中的运动动画，发现该车侧面结构在以下几方面变形较为严重：（1）门槛梁变形过大；（2）B 柱下端屈曲较为严重；（3）座椅安装后横梁处折弯比较严重，如图3 所示。

图3 座椅安装后横梁变形动画

由于上述三处变形较为严重，驾驶员腹部和骨盆伤害值较为高。为提高整车侧面碰撞安全性，应对上述三处进行优化。而与上述三处变形吸能都相关的是座椅安装后横梁，其抗弯能力不足，使得车门侵入量过大，对整车侧面碰撞性能有一定影响[4]。因此，在制定优化措施时，我们将重点放在对前排座椅后安装横梁的变形上。因此，本文的优化方案是：调整座椅安装后横梁型面结构，提高其抗弯强度。

在仿真模型中，对座椅安装后横梁型面结构进行调整，如图4 所示。

图4 座椅安装后横梁型面结构调整

对优化后的方案进行仿真计算，并与原模型进行对比分析，如表3 所示。

表3 优化前后B 柱测量点侵入量对比

4 结论

汽车侧面安全性设计是汽车车身结构安全性研究的重点。在车身结构设计中应充分利用B 柱、车门及门槛之间的搭接，保证侧面结构侵入量较小，给车内乘员足够的生存空间[5]。本文建立并验证了某车型的有限元模型，针对侧面碰撞中变形较严重的部位，进行了前排座椅后安装梁的型面结构优化，提高了其抗弯强度，有效的改善了该车型的侧面碰撞安全性。同时，在提高侧面碰撞安全性的以后研发中，建议从以下几个方面进行改进：

（1）车门防撞梁。在侧面碰撞中防撞梁使得车门不会过多的侵入以保证了乘员安全。因此，应对车门防撞梁进行结构优化，替换更高强度的材料等优化方案，以提高其抗弯能力。

（2）座椅横梁。在碰撞中座椅横梁应将碰撞侧的冲击力通过中央通道传递到非碰撞侧，分散减小碰撞力。通过加强横梁局部结构来提高其强度，保证其不折弯变形。

（3）B 柱。增加B 柱与车顶的连接强度，减少B 柱的侵入变形量，保证车内乘员足够的生存空间。