安全车身结构的优化设计

孟晓光

摘要：本文主要通过乘用车安全车身的特点、优点及能量传递方式的介绍，阐述了在安全车身的结构设计中，应对正碰，侧碰方面所进行的结构优化设计。让我们充分认识到，只有设计出安全车身结构，才能实现车身乘员舱部分的高刚度，保证碰撞发生时乘员舱的安全性。

关键词：安全车身；结构；优化设计

Abstract: This paper mainly through the introduction of passenger car safety body characteristics, advantages and energy transfer method, described in the structural design of the safety body to respond to being touched, side impact structure optimization design. We are fully aware that only the safety body structure designed to achieve the high stiffness of the part of the body crew capsule, to ensure the safety of the crew compartment when the collision occurred.

Keywords: security body; structure; optimization design

中图分类号：U463.82 文献标识码：A文章编号：2095-2104（2012）05-0020-02

前言

随着公路的快速发展，乘用车的保有量越来越多。随着行车速度的提高，交通事故的不断增多，行车安全显得越来越重要。为了使行车安全有保障，设计者们在不断地研发种类繁多的主动安全技术，用来尽量避免和减少事故的发生。但是，由于车辆在路上的行驶带有驾乘人员的主观性，所以事故还是有发生的可能。

事故一旦发生，势必会对乘员舱内的驾乘人员带来伤害，为了将由此带来的伤害降低到最小，乘员舱的安全性就显得尤为重要。从事车身设计的工程师们，在正碰、侧碰两方面进行多种设计方案的优化，以提高车身的安全性，让安全车身在被动安全中能够发挥巨大的作用，保护驾乘人员的安全、避免伤害。

1 安全车身的特点及优点

安全车身，是指具有高刚度的乘员舱和有效的能量吸收结构的车身，当发生碰撞时，能够有效保证乘员舱内驾乘人员的生存空间。

从安全车身的特点看，车身结构主要是由相对“软”的前、后部分和相对“硬”的中部乘员舱组成。前部软，是指正碰时前机舱的溃缩变形区需要变形来吸收能量；中部硬，是指驾乘人员的乘坐区域——乘员舱需要具有高强度，以保证不变形，避免直接伤及驾乘人员或影响乘员在发生事故后逃生；后部，是指后碰的溃缩变形区，也是需要通过局部变形来吸收能量。这样的结构，也可以总结为“两头软中间硬”。

现在各个公司所生产的车型中，虽然所采用的具体结构各不相同，但是都是遵循这个思想和原则在设计安全车身。如，日产的ZONE BODY 车身结构，丰田的GOA（Global Outstanding Assessment）车身结构等。

2 安全车身的能量传递

车身在发生碰撞时所产生的能量，一部分被前机舱内变形结构吸收，如纵梁；另一部分则需要通过车身的骨架结构来分散和传递。骨架结构主要包括乘员舱的A、B、C柱，门槛、边梁等。良好的能量传递途径，可以保证力的顺畅传递，使能量尽可能少的传至乘员乘坐部分。

3 安全车身对应正碰时的结构优化设计

在发生正碰时，为了保证乘员舱为刚性结构，需要加强A柱断面系数、前围板总成位置的强度；同时，需要在机舱内局部做相应的溃缩结构来吸收能量，降低车体加速度。

3.1正碰中采用加强方式的几种优化结构

1） 保证防撞梁的强度和刚性

采用高强度或超高强度钢板，提高碰撞的初始加速度及对应峰值，提高其所吸收的能量。

2）加大A柱的断面系数

在受造型条件约束的情况下，改变零件的料厚提高断面系数，采用高强度板等方式，保证正碰时A柱的后移量小，使得事故发生时，门可以顺利打开，保证乘员的逃生路径畅通。

3）提高前围板的强度和刚度

在前围板的总成中，增加刚性的横梁，连接左右纵梁，保证力的传递顺畅；减小发动机的侵入量和前围板的后退量，避免仪表板对驾驶员和副驾位置上的乘员小腿产生伤害。

3.2正碰中，车身所实施的几种吸能优化结构：

安装吸能式前保险杠，即保险杠具有吸能材料组成的结构；

利用新材料的防撞梁，保证其吸能性

采用新材料，如铝制防撞梁。铝的特性决定了它的单位质量吸能率高于钢制件，因为它的密度（2.7*103千克/立方米）约是钢（7.85*103千克/立方米）的三分之一。

纵梁上设计吸能筋结构

纵梁上需要布置合理的吸能筋结构，使压溃变形更充分。在筋的设计过程中需要结合CAE模拟的纵梁溃变结果，布置其形式及在梁上的位置。

4）加长车身纵梁可变形区域，且具有可溃缩的吸能筋结构；

前悬设计越长，在发生碰撞时，对于驾驶舱的缓冲越充分，压溃变形吸收的能量越多。

4 安全车身对应侧碰时的结构优化设计

侧碰所对应的主要部位为B柱，合理的B柱设计，主要的目的是:在H点附近变形大，使得力作用在刚度较大的座椅骨架结构上；在肋骨、胸骨等位置变形小，使得侧碰对胸部的伤害降低到最小。

侧碰时对胸部的伤害是巨大的，胸部（心脏）的伤害会严重威胁到人身安全，所以设计时希望B柱产生的变形趋势，如下图1所示：

图1

一般情况下是根据所设计车型B柱的形状、位置和尺寸，通过简化的力学模型计算B柱各位置弯矩，并按照B柱不同位置设定不同的断面系数目标值，使得设计后的B柱侧碰时会产生如图5所示的合理变形趋势，降低B柱的侵入速度、减小B柱的侵入量，减轻对乘员的伤害。

侧碰设计中主要从以下几种优化方案

4.1设定合理的断面结构

合理的断面是指，要保证B柱在人体R点及R点以上区域的断面系数；

4.2采用不等厚钢板的设计

R点上方为厚板，R点下方为薄板。一般会采用不等厚钢板，或者两段不同厚度的钢板拼焊的方式设计B柱。

4.3车门内增加防撞梁结构

车门内布置防撞梁结构，可以新技术的出现使得防撞梁已经采用到1800Mpa的超高强度钢。

4.4增加门框口的强度

增大A柱、B柱、C柱的截面形状及板厚，增加门槛强度，增大门内板下边界到门槛的重合区。

安全车身除了在正碰、侧碰方面考虑相应的设计优化外，后碰时，也会在尾门槛后增加防撞梁的结构，以有效的吸附撞击时产生的能量，抵抗外部对驾驶舱产生的冲击。

综上论述，安全车身结构是可以有多种设计结构来实现的。安全车身不等于只是加强，提高，也有局部的弱化。除了在结构上采用优化设计外，随着车身新材料，新工艺的发展与使用，也为安全车身结构带来了更多更好的设计新思路。为了提高了车辆的被动安全性能，就需要提高安全车身的设计水平，这为安全车身设计带来更多的挑战和期待。

参考文献

徐乔 龚永融 汽车安全车身的结构概述2006-47 汽车与配件