基于2021版C-NCAP侧面柱碰的某SUV车身结构优化设计

吴磊 郑坤 黄茜

摘要：为使某在研SUV车型侧面柱碰达到我国2021版新车评价规程（C-NCAP）的5星要求，文章根据收集整理的国内外侧面柱碰数据初步设定车身侧围侵入设计目标值，搭建侧面柱碰仿真计算模型进行有限元仿真计算，并根据基础状态的结果对车身结构进行优化设计，提升车身侧面柱碰耐撞性能，使侧围侵入量基本满足设计目标值，通过乘员约束系统仿真计算获得假人损伤及得分以验证车身结构优化的效果，结合约束系统计算结果中假人各部位的得分情况对初步设定的设计目标值进行修正，从而获得更加合理的设计目标值，可为后续车型开发提供参考。

关键词：侧面柱碰;C-NCAP;设计目标值;结构优化;有限元;约束系统

0 引言

随着我国汽车工业的飞速发展，汽车保有量快速增长，由此带来的一大问题就是汽车交通事故也在逐年增加，造成了巨大的生命和财产损失。而在汽车交通事故中，侧碰致伤率仅次于正面碰撞[1]，这其中车体与柱状体侧面撞击事故约占14%，但死亡率高达38%[2]。柱状体侧面撞击事故死亡率高的原因主要是碰撞体的刚性大且接触面积小，而车辆的侧围结构相对较薄弱且吸能空间有限，发生事故时车身变形大，车身结构及外部物容易侵入到乘员生存空间对乘员造成伤害。因此，美国高速公路协会（NHTSA）和欧洲新车评价规程（Euro-NCAP）已经新增了侧面柱碰评价工况，我国的2021版新车评价规程（C-NCAP）也将增加侧面柱碰工况以模拟车辆侧面撞击电线杆、广告牌、大树等柱状刚性物的事故现象，该工况的引入将会对车身侧面结构的设计提出更高的要求。

1 工况介绍

2021版C-NCAP的侧面柱碰试验方法如下页图1所示：在前排驾驶员位置放置1个WS假人，车辆以32 km/h的速度与车辆坐标系X轴成75°角撞向直径254 mm的固定刚性圆柱;圆柱的下端不能高于轮胎最低点102 mm，上端必须超过车顶最高点，圆柱的中心与假人头部中心的连线与速度方向一致。

2 确定设计目标值

目前国内的评价体系尚未正式开展侧面柱碰试验，因此，尚无成熟的设计开发经验作为借鉴，但是从产品长期规划出发，现阶段开发车型应该考虑2021版C-NCAP的评价规程。在设计之初，为了明确设计优化目标，本文收集了4款与本研究车型相近车型的NHTSA侧面柱碰试验结果[3-6]以及国内某相近车型的试验假人得分和车身结构耐撞试验仿真对标数据作为参考，以此为基础初步确定本研究的仿真目标值。NHTSA柱碰试验的测量位置为5条与地面平行的水平线，由低到高分别是：Sill Top、Mid Door、Occupant Hip Point、Window Sill、Window Top，具体如图2所示。

分别测量车门外钣金面在上述5条水平线上的Y向最大侵入量。由于NHTSA的试验中所使用的假人以及评分规则与国内不一致，为此，本文又研究了国内某主机厂自主开展的侧面柱碰试验所获得的假人得分以及仿真对标侵入值，该车型柱碰总得分为15.38（满分16分），得分率为96.1%，超过85%，参考2018版C-NCAP星级评价满足5星规划目标要求。本研究参考NHTSA以侧围外钣金件的Y向侵入量作为量化指标，根据该国内车型仿真对标结果以及NHTSA试验车型数据，通过横向对比各款车同一测量点侵入值，初步拟定以其中的最小值作为本研究车型各测量位置仿真计算侧围侵入量设计目标值（如表1所示）。

3 拓扑优化设计

3.1 搭建计算模型

参照试验规范搭建仿真计算模型主要包括：立柱位置、车辆的初始速度及方向、车辆配重，建立接触对等操作[7-9]，得到如图3所示的仿真模型。

3.2 计算结果及优化方案

计算得到基础状态下的侵入值如表2所示。

基础状态下，侧围的侵入量远超目标值，碰撞性能差，需进行结构优化。根据柱碰的传力特点，主要承载结构为门槛梁、车门防撞梁、座椅横梁、中通道、B柱、中通道支架以及上边梁（如图4所示）。根据仿真计算结果，基础状态下门槛梁、座椅横梁以及上边梁出现恶劣折弯说明以上三个区域的抗弯刚度明显不足，具体如图5、图6所示。

根据基础状态的分析结果，本文的主要优化思路是：通过提高侧面柱碰主要承载结构的刚度和增加传力路径的方式增加车身结构的承载能力，从而减小侧围侵入量，达到提高整车侧面柱碰性能的目的。具体方案如下：

3.2.1 座椅横梁区域优化方案

基础状态中，由于刚性立柱更靠近座椅后横梁，导致前、后横梁承载不均，后横梁承载更多，故后座椅横梁变形更严重。本文的优化方案是在增加座椅横梁的抗弯刚度的同时，重新匹配前、后横梁的承载量，具体方案为：

（1）座椅后横梁1.4 mm/DP590提升为1.4 mm/DP780。

（2）座椅前横梁由1.2 mm/DP590提升為1.2 mm/热成型。

（3）为了减少座椅后横梁的载荷，增加一条斜撑梁，将部分载荷分摊到座椅前横梁，其材料为1.4 mm/DP780。

（4）延长座椅后横梁内部的加强板。

3.2.2 门槛区域优化方案

（1）在门槛内板处增加一块1.2 mm/950_1180MS的加强板，以增强门槛的抗弯性能。

（2）在门槛内撞击圆柱位置增加一个支架小总成（“几”字支架1.0 mm/DP590，隔板0.8 mm/DC01），以增加在碰撞过程中的吸能。

3.2.3 B柱区域优化方案

（1）B柱加强板料厚由1.4 mm提升为1.6 mm。

（2）B柱加强板下端与门槛的Z向搭接长度由34 mm延长至84 mm。

3.2.4 车门防撞梁优化方案

车门防撞梁由1.4 mm/热成型提升為2.0 mm/热成型。

按照上述优化方案修改仿真模型，重新提交计算，并对其结果进行分析发现：通过增强门槛梁、座椅横梁、车门防撞梁、B柱的抗弯刚度以及优化座椅前、后横梁的传力路径使前、后横梁的承载比（F前/F后）由39.3%提升到91.7%，优化后车身变形得到明显控制（如图7、图8所示）。

测量优化状态侧围的侵入量，其侵入量显著下降（如表3所示），但是mid door和window top位置的侵入量依然超过了初定目标值，考虑上述两处侵入量小于国内仿真对标车型相同位置的侵入量，且window top所对应的头部依然有空间配合侧气帘，头部得分能够得到保证。因此，以该优化结果进行乘员约束系统分析以评估假人得分情况。

3.3 约束系统模拟仿真

3.3.1 假人伤害值计算

以结构耐撞仿真计算结果作为输入，搭建乘员约束系统仿真模型[10]，如图9所示。

根据上述模型，通过约束系统参数优化假人得分为15.05分（满分16分），得分率为94.1%，超过目标值85%，满足五星目标要求。具体得分如表4所示。

3.3.2 侵入量目标值优化

进一步分析上述假人各部位得分：头部、腹部、骨盆得到满分，胸部得分3.05，得分率为76.3%。将假人各损伤测量部位映射到车身侧围上如图10所示：假人头部对应window top 、胸部对应window sill、腹部对应mid door、骨盆对应occupant hip point。

基于假人得分率以及具体的假人伤害值，对初定目标值进行修正，使其更加符合实际，为后续车型的开发提供参考（如表5所示）。

4 结语

由于目前国内尚未正式开展侧面柱碰的试验评价工作，因此，国内缺乏应对侧面柱碰工况的车型开发的相关经验。鉴于此情况，本文首先在收集分析国内外柱碰试验数据的基础上初步制订了本车型开发的设计目标值，然后依据该目标值对该车身结构进行结构优化，通过优化传力路径、提升局部结构的抗弯刚度，大幅提升了柱碰性能使其基本达到目标值。接着基于优化状态下的柱碰计算结果搭建乘员约束系统计算模型求出假人的伤害值以及得分，结果显示该状态假人得分为15.05，满足2021版五星得分目标，结构优化结束。最后以此为基础对初定目标值进行进一步的修正使其更加符合设计要求，为后续车型开发提供参考，相应流程如图11所示。后续将进一步结合柱碰试验结果，进行仿真试验对标以提升仿真计算精度。

参考文献：

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