某SUV车型侧面柱碰工况安全性能结构优化

唐家亮　欧世声

某SUV车型侧面柱碰工况安全性能结构优化

唐家亮欧世声

（东风柳州汽车有限公司，广西 柳州 545006）

为使某在研SUV车型侧面柱碰达到2021版C-NCAP的五星要求，首先，根据收集整理的北美侧面柱碰数据初步设定车身侧围侵入设计目标值；然后，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。通过分析对比不同方案，制定出能满足安全要求的方案，经CAE和实车试验验证有效。

侧面柱碰；C-NCAP；设计目标值；结构优化

引言

近年来，我国汽车工业快速发展，截至2021年，汽车保有量达3.02亿辆，随着保有量增加随之带来交通事故的增加，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]。其重要原因是车辆侧面的碰撞吸能空间较小，当车辆与刚性较大的柱状物发生碰撞时，往往车身变形程度很大，使车内乘员发生严重二次碰撞，直接影响乘员的生命安全[2]。能在碰撞事故特别是侧面柱碰撞事故中保证乘员的安全，也就成了汽车安全研究的一个重要课题。2021版《中国新车评价规程》（C-NCAP）也增加了新能源汽车侧面柱碰工况。本文参照NCAP柱碰的基本要求，结合公司在研车型的柱碰耐撞安全性开发，探讨几种不同结构对柱碰侵入量的影响，为新车型的安全性能研发提供了参考。

1　基础车型柱碰分析

1.1　侧面柱碰工况简介

侧面柱碰工况示意如图1 所示。

碰撞速度：32 km/h，方向与车辆前进方向成75°；

前排试验假人：WS 50%男性；

后排试验假人：无；

试验壁障：直径254 mm刚性柱；

壁障定位方式：壁障中心线对准前排假人头部质心。

图1　柱碰分析工况

2021版C-NCAP在2018版的基础上进行了完善和提升。侧面柱碰撞法规是2021版C-NCAP新加入的法规，目前只对电动汽车和混沌汽车实施，燃油车还没有实施。法规规定，在前排撞击侧放置 World SID 50th型假人，假人按照 ISO 15830和WG5 N1041 的规范进行准备和标定。壁障为刚直径为254 mm的刚性柱。侧面柱碰实验也不同于侧碰实验，侧碰实验是碰撞台车上的蜂窝铝与车身接触，接触面积大，而且蜂窝铝本身能够变形吸能，只要车身整体有一定的结构强度即可满足要求。而柱碰的实验壁障是直径254 mm刚性柱，与车身接触面积小，对车身结构强度要求更高。

1.2　基础车型拓扑优化分析

如图2所示，基础车型是典型的承载式车身台阶型地板结构，此种结构优点是拓展性较强，同一个下车为基础可以开发出轿车、SUVMPV等一系列车型。其前地板本体高度较低，座椅横梁位于地板上方，前座椅前后横梁与门槛、中央通道组成前地板组要受力框架。作为公司近年来主要车型平台，该下车体前座椅横梁采用了590 DP超高强钢，前座椅后横梁和中央通道采用了780 DP超高强钢，门槛采用了1180 MS马氏体超高强钢，B柱更是采用了抗拉强度1500 MP的热成型钢。综合考虑性能、成本和轻量化，车型前地板结构开发的款车型获得18版C-NCAP五星评价。然而，随着汽车工业的发展，人们对汽车安全性能要求越来越高，C-NCAP将增加侧面柱碰工况，这对车型平台结构是一个新的挑战。

模拟仿真评价标准建立：C-NCAP试验法规侧面柱碰撞主要是将假人头部、胸部、腹部、骨盆的伤害值进行对比评价，因此，对于车身而言主要评估车门和B柱的侵入量。目前国内的评价体系尚未正式开展燃油车的侧面柱碰试验，因此，尚无成熟的设计开发经验作为借鉴，北美几款与本研究车型相近车型的NHTSA侧面柱碰试验结果如表1所示。

表1　北美柱碰试验结果

有限元仿真分析方法是目前车辆被动安全仿真的主要方法，具有成本低、操作简单、能实现变量的合理控制和设计等特点。随着计算机软件、硬件的不断发展。车企、政府科技单位、科研院校都对有限元分析非常重视，目前相关研究已经渗透到汽车开发周期的各个阶段。近年来随着车型不断开发，科研人员通过实验手段验证仿真结果，然后不断修正仿真相关参数，使得模拟仿真得到的结果准确性与实车碰撞效越来越接近，虽然仍不能完全代替实车试验，但变形趋势分析已经非常准确可靠。基于表1参考数据建立仿真的VTS目标。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[3]，得到仿真模型对基础车型进行拓扑优化建模分析，其基础车型柱碰关键区域数据如图2所示，采用HyperWorks和LSDYNA软件进行有限元建模、计算及后处理。网格尺寸6 mm，加载工况（如图1所示）。基础车型分析结果如表2和图3所示，因基础车型基于18版C-NCAP开发，只考虑了MDP侧面壁障碰撞，而柱碰中车身变形主要集中在柱体撞击的狭小区域里，B柱、门槛梁、地板均产生了严重的变形，撞击区域内整个侧围向内凹陷，驾驶员的生存空间被挤压到很小，对其生存产生了严重的威胁，从表2可以看出，主要考察点的侵入量都严重超标。

图2　基础车型数据

表2　基础车型仿真情况

图3　基础结构仿真变形过程

2　优化方案制定

传力路径分析：承载结构的高刚度、高强度、低重量设计是结构工程师长期追求的目标，特别是航天、航空及汽车等领域，传力路径是指力在结构中的传递路线，始于力的作用点，到对应的平衡反力处终止，其作为一种新的设计理念，近年来受到学者们的广泛关注。

2.1 方案一

近年来的研究认为力总是沿着结构刚度最大的通道传递，提出了一种基于相对刚度的传力路径可视化法，在汽车等结构的传力性能评价中得到应用。通过仿真的柱碰变形过程（如图3所示）可以看出，碰撞的过程力量的传递可以分为3个层次，首先是门槛和B柱受到撞击变形，然后传递到前后座椅横梁、最后中央通道也受力变形。因为B柱用的是1500 MP强度级别的热成型钢，本身已经比较强，要减少侧面柱碰撞时侵入量，需要从提升门槛、座椅横梁、和中央通道的强度入手制定方案。同时，因基础车型是量产车型，尽量沿用现有车型零件，通过增加加强板来增强，以减少工装和模具投入满足安全性能的同时做到质量增加最少，以满足轻量化的需求，项目分解给车身重量增加不超过8 kg结构简单，满足冲压、焊接、涂装工艺性要求，综合以上分析，制定出方案一如图4所示。另外，方案还需要考虑如下方面。

图4　方案一优化内容

（1）门槛优化：考虑到门槛长度尺寸达到1300 mm，属于大件，若整体加厚或更换热成型材料开发成本很高，于是在门槛内外板上各增加了一块加强板来提升其强度，材料选用超高强钢780 DP，厚度均为1.2 mm；780 DP材料是目前应用最广泛的冷冲压高强钢之一，同类常用的DP钢按强度级别依次为590 DP、780 DP和980 DP，其强度级别依次变强，冲压和焊接的工艺难度逐级升高。DP双向钢是铁素体和马氏体的混合组织，具有高加工硬化率、高抗拉强度、低屈强比、高延伸率、烘烤硬化性、高能量吸收能力，冲压和焊接工艺成熟，是目前结构类零件的首选用材。

（2）前座椅后横梁正对B柱，与碰撞中心距离只有110 mm，提升后横梁强度是必须的，但后横梁受限于第二排乘客Z向脚部空间的约束无法加高，于是将座椅后横梁替换为BR1500HS热成型钢。热成型钢目前在汽车上大量应用，热成型钢的原始组织为铁素体和珠光体，经过热处理后快速冲压冷却形成均匀的马氏体组织，即将常温下抗拉强度级别500 MP～600 MP钢板，经过加热到950℃左右高温，一次加工成型后迅速冷却所获得的特殊高强度钢。近年来随着热冲压技术和热成型用钢材生产技术的发展，热成型件成本降低到15元/kg～25元/kg，为其大批量应用于价格相对较低的普通乘用车奠定了基础。

（3）在中央通道在中通道与前座椅横梁搭接区域增添两个几字形加强件，其材料为590 DP厚度为 1.4 mm，使车身地板区域的 Y 向传力路径贯通。这两个零件配合位置较多，形状相对复杂，如果采用更强的材料成型难度太大。

对该车型进行以上结构优化，其仿真结果见表3 和图5。

表3　方案一仿真情况

从分析结果来看，方案一基本满足了设定目标要求，说明车身加强的基本思路是对的。但车身门槛左右四个零件，再加上中央通道增加的加强板，车身共增加8.8 kg，面对当今日趋苛刻的轻量化要求，如何对方案进行轻量化优化成了主要问题。对方案一的几个更改点进行详细分析发现，其第一点槛加强板却导致了5.3 kg增重；第二点优化没有增加车身质量，耐撞强度却得到了很大改善，第三点两个中央通道加强板也只增加了1.2 kg。保留方案一中第二三点优化措施，不增加门槛加强板，通过优化传力路径解决门槛变形的问题将会是更优的解决方案。前座椅后横梁高度受人机布置限制不能加高，前横梁的截面Z向尺寸比后横梁大45 mm，其整体抗弯能力比后横梁要强，如何让前横梁分担更多碰撞能量，是解决此问题另一个思路。

2.2 方案二

方案二如图6所示，没有对门槛本身进行加强，而是从增加柱碰时力的传递路径入手，在地板前后座椅横梁之间增加了一根斜撑梁，材料采用780 DP。梁的一段连接到座椅前横梁，另一端顶住门槛。柱碰时柱子直接撞击到该加强梁的一端，该梁与门槛同时承担撞击力，直接减小门槛的受力大小；使地板更多部位受力，缓冲撞击动能，减少侵入量并降低侵入速度。座椅前横梁在司机座椅正下方，截面要比后横梁大很多，其抗弯能力也比后横梁要强，故通过增加的斜梁将冲击力更多分散到座椅前横梁上。另外，斜梁与座椅前横梁链接点选择在雪撬板的后端，而雪撬板的下方是前纵梁，此方案让前纵梁也分担了部分碰撞能量。对方案二进行柱碰CAE仿真模拟发现，主要考察点侵入量和侵入速度与方案一相当，详见表4。

图6　方案二增加斜撑梁

表4　两种种优化方案结果比较

从表4可以看出，两种方案都能满足目标要求，方案二和方案一都是传统的增加钣金加强，工艺上容易实现，但方案一是方案二重量的两倍以上，因此选定方案二作为下车体优化方案，匹配上车体和约束系统带入模型进行详细计算，评估驾驶员伤害在设定的目标范围之内。

3　实车试验

为进一步验证仿真结果的正确性，需要进行实车试验，实车试验法主要是通过实车与实车间的碰撞验证整车安全性能的一种试验手段，在实验中找碰撞发生车身变形情况、侵入量、侵入速度、碰撞时车身在各个时间段加速度大小等数据，通过数据分析修正设计方案，从而提升车身安全性能保护乘员的生命安全。同时，从实车碰撞试验中到的可靠数据对约束系统的参数设置也具有重要的意义，可以为安全气囊引爆时间点设置，主动安全带启动时机提供可靠参数。文中涉及的几个新开零件采用软工装开发试制，可快速按设计数据制造出样车。软工装零件模具不同于正式模具，通常称其为软模，软模的寿命很短，一般完成几十套零件的冲压就报废，一般只开发成型工序，切边和冲孔用激光完成[4]。以本文中新开发的前座椅后横梁为例，其采用热成型材料，由公司配套的专业热成型厂家提供，正常的热成型模具模座采用铸铁制作，工作部分零件是硬质合金钢镶块，镶块中间设置有水道以保证能实现快速冷却，而软模直接采用标准模座，无需全新投入，工作部分采用铸造钢，不设置水道，通过延长保压时间来实现零件冷却。所有零件样件检验采用三坐标配合软模形面进行100%检测，确保零件精度。地板焊接小总成采用专用于试制开发的柔性焊接生产线焊接，软工装试制要求的产量不高，不需像量产一样的高效率节拍。使用试制车间的柔性化生产线，该生产线上焊接夹具的基座上设置有很多安装孔，可以根据不同试制件的需求调整焊接定位、夹持的位置。试制时只需要开发与焊接零件定位的部分，从而缩短开发和某一车型专用焊接线的时间，降低试制开发的成本。试制团队对每一道工序焊接件进行检查，确保每一个焊点符合设计数据要求，总装装配完成后组织研发和制造、质量相关人员对车辆状态进行评审确认。

如图7所示，试制车制作完成后，车辆按试验要求状态配置，运送到特定试验场进行测试。为收集数据，先将覆盖在车身上内饰件拆除，在需要测量的点上做上标记并进行三坐标测量，记录数据。然后将拆掉的零件全部装回，根据试验的要求进行配重、检查胎压及电瓶电量状态等。碰撞试验完成后，根据评分规则对假人进行评分，总得分为15.05（满分16分）得分率94.1%超过目标值85%，满足五星目标要求。在车上左侧主要考察点贴上检测点标识和传感器，通过车身右侧非变形区域前门铰链安装孔和和后门锁扣按建立基准，测出主要考察点的侵入量和侵入速度，与CAE模拟仿真情况做对比，见表5。

图7　实车试验

表5　B柱侵入量 CAE模拟仿真和实车试验比较

通过以上数据对比可以发现，CAE仿真和试车实验虽然存在差异，但整体变形趋势基本一致，说明分析方法和设定的目标基本合理，也说明车身耐撞性能优化方案着实有效。

4　结束语

本文围绕白车身前地板结构对车车身柱碰耐撞性能的提升进行探讨，通过对对碰撞传力路径进行分析找出可以解决问题的备选方案，优化方案并结合CAE分析对几种方案进行分析对比找出最优方案，并经试车实验验证有效。文中方案二重量轻、成本低、工艺性好，此结构构可以为今后其他车型安全性能开发提供参考，这种解决问题的思路和方法也可供其他车型开发借鉴。

[1] Mcneill A, Haberl J, Holzner M, et al. Current worldwide side impact activities-diver gence versus harmonisation and the possible effect on future car design[C]. 19th Intemation Technical Conference on the Enhanced Safety of Vehicles, 2005.

[2] 刘金鑫. 汽车侧面柱碰结构安全性及乘员损伤仿真研究[D]. 兰州: 兰州交通大学，2016.

[3] 肖海涛，董江涛，王月，等. 某车型侧面柱碰车身结构耐撞性优化[J]. 汽车安全与节能学报，2015，6(2): 156-163.

[4] 汪红，张正举，黎志梅，等. 柔性软工装在样车试制中的应用[J] . 时代汽车，2018(7): 122-123，126.

Safety Performance and Structural Optimization of an SUV under Side Pole Impact Condition

In order to make the side pole impact of an SUV model under research meet the five-star requirements of 2021 version C-NCAP, firstly, the design target value of body side wall intrusion is preliminarily set according to the collected side pole impact data at north America. Then, the side column impact simulation calculation model is built for finite element simulation calculation and the optimization design of the body structure is carried out according to the results of the foundation state. Through analysis and comparison of different schemes, a scheme that can meet the safety requirements is developed, which is verified to be effective by CAE and real vehicle test.

side pole impact; C-NCAP; design target value; structural optimization

U461

A

1008-1151(2022)10-0060-04

2022-05-21

唐家亮（1980－），男，东风柳州汽车有限公司车身工程师，研究方向为车身结构设计。