凡沙沙，黎謙，農(nóng)天武，謝永斌,賈麗剛,張?bào)K超，彭竑維

(1.上汽通用五菱汽車股份有限公司，廣西柳州 545007；2.寶山鋼鐵股份有限公司研究院，上海 201900；3.澳汰爾工程軟件(上海)有限公司，上海 200436)

0 引言

近年來，隨著我國(guó)汽車的保有量不斷增加，汽車碰撞事故在日常生活中不斷增加。在中國(guó)，據(jù)不完全統(tǒng)計(jì)，在汽車碰撞事故中正面碰撞、側(cè)面碰撞、追尾碰撞所占比例分別是28.7%、20.9%和13.1%，其中正面碰撞的死亡率最高[1]。針對(duì)汽車中出現(xiàn)的安全事故，出現(xiàn)了相應(yīng)的法規(guī)并進(jìn)行法規(guī)試驗(yàn)。其中，最初法規(guī)中正面碰撞包括100%重疊剛性壁障碰撞、40%重疊可變形壁障碰撞。近年來，由于小偏置事故頻發(fā)且死亡率居高不下，人們逐漸認(rèn)識(shí)到正面小偏置碰撞試驗(yàn)的重要性，很多國(guó)家將小偏置碰撞試驗(yàn)引入汽車被動(dòng)安全開發(fā)中。

在2012年，25%小偏置碰撞試驗(yàn)首次被美國(guó)安全保險(xiǎn)協(xié)會(huì)(IIHS)引入到實(shí)驗(yàn)法規(guī)，但是在最初試驗(yàn)評(píng)估的幾款車型表現(xiàn)都較差。2014年，MORGAN等[2]曾對(duì)小偏置進(jìn)行過深入研究，從設(shè)計(jì)的角度指出不同結(jié)構(gòu)對(duì)小偏置試驗(yàn)的影響。2015年，SAUNDERS和PARENT等[3]研究了不同重疊面積的試驗(yàn)方法，并得出不同類型車輛的研究報(bào)告。中國(guó)保險(xiǎn)汽車安全指數(shù)(簡(jiǎn)稱C-IASI)管理中心在2018年9月和2019年3月公布了兩次試驗(yàn)，從C-IASI公布的數(shù)據(jù)不難發(fā)現(xiàn)小偏置工況的優(yōu)秀率很低，所以對(duì)25%小偏置碰撞的探索還有很長(zhǎng)的路要走。

運(yùn)用Altair的RADIOSS仿真分析軟件，對(duì)某SUV車型進(jìn)行試驗(yàn)對(duì)標(biāo)及分析并得到改進(jìn)方案。經(jīng)研究表明，由于此車型是改進(jìn)開發(fā)且質(zhì)量較大，適合采用吸能+掠過的碰撞策略。其中將A柱和前輪罩外板加強(qiáng)板作為車身優(yōu)化重點(diǎn)，增加巧妙的碰撞吸能及掠過結(jié)構(gòu)；底盤部分在副車架處增加加強(qiáng)件，合理的分散沖擊力。仿真分析結(jié)果顯示，C-IASI評(píng)分由原來的“Poor”提升為“Good”等級(jí)。同時(shí)，實(shí)車碰撞試驗(yàn)結(jié)果也得到“Good”的等級(jí)，其中車輛結(jié)構(gòu)等級(jí)評(píng)級(jí)中，各項(xiàng)測(cè)量指標(biāo)的試驗(yàn)結(jié)果與仿真預(yù)測(cè)的結(jié)果幾乎完全一致。

1 25%小偏置碰撞分析特點(diǎn)

1.1 25%小偏置碰撞試驗(yàn)標(biāo)準(zhǔn)

小重疊障礙碰撞測(cè)試是(25±1)%的重疊，其碰撞速度是(64.4±1)km/h。測(cè)試車輛與剛性屏障發(fā)生碰撞,壁障的右邊緣重疊于車輛左邊的中心線(25±1)%的車輛寬度。剛性壁障由一個(gè)垂直并且邊緣具有弧度的鋼板構(gòu)成。前板厚度為38.1 mm，寬為1 000 mm，直徑為150 mm。這個(gè)半徑繼續(xù)超過115°。壁障的一側(cè)被從半徑處向后拉開防止與車輛的二次接觸。護(hù)欄位于地板上，高度1 524 mm?；扛? 840 mm，寬3 660 mm，深5 420 mm。它由疊層鋼和鋼筋混凝土組成，總質(zhì)量為145 150 kg[4]。

1.2 25%小偏置碰撞理論

根據(jù)SAEJ224標(biāo)準(zhǔn)研究的汽車分區(qū)結(jié)構(gòu)[5]，將汽車碰撞區(qū)域分為四大區(qū)域、9個(gè)小部分，其中前5個(gè)小部分為等效吸能區(qū)；第6部分為前風(fēng)擋過渡區(qū)；7、8部分構(gòu)成前乘員艙區(qū)；第9部分為后乘員艙區(qū)(分界線是前門鎖扣)。具體的碰撞區(qū)域分類如圖1所示。

圖1 測(cè)試車輛的碰撞區(qū)域分類

區(qū)域一是等效區(qū)，從防撞梁到前輪罩外板加強(qiáng)板前端段；區(qū)域二是前風(fēng)擋過渡區(qū)，從前輪罩外板加強(qiáng)板后端到前風(fēng)擋段；區(qū)域三是安全區(qū)，乘員生存空間段。碰撞時(shí)各部分的能量變化是：

(1)

式中：E0為初始動(dòng)能；

E1、E2、E3分別對(duì)應(yīng)著前方三塊吸能區(qū)域(簡(jiǎn)稱前三區(qū)域)；

m為實(shí)驗(yàn)對(duì)標(biāo)的整車質(zhì)量；

此外，汽車在碰撞時(shí)的狀態(tài)還與其轉(zhuǎn)動(dòng)慣量有很大的關(guān)系[6]：

I=k2m

(2)

式中:I是轉(zhuǎn)動(dòng)慣量；k是轉(zhuǎn)動(dòng)的回轉(zhuǎn)半徑；m是整車的碰撞質(zhì)量。

由小偏置碰撞的特點(diǎn)可知，小偏置碰撞過程中力的傳遞不經(jīng)過前縱梁，吸能部分主要由前三區(qū)域承擔(dān)，從公式(1)中可知，增加前三區(qū)域的吸能量，可以有效減少碰撞后速度殘余量。小偏置碰撞由于碰撞點(diǎn)不經(jīng)過汽車中心線，會(huì)產(chǎn)生轉(zhuǎn)動(dòng)趨勢(shì)，從公式(2)中可以看出，其質(zhì)量在碰撞中占據(jù)很大的比重，并且轉(zhuǎn)動(dòng)的趨勢(shì)會(huì)產(chǎn)生側(cè)向速度，需要控制側(cè)向速度的大小。25%小偏置碰撞法規(guī)，被稱為史上最為嚴(yán)格的汽車碰撞法規(guī)。大量的小偏置測(cè)試研究表明，64.4 km/h速度下碰撞產(chǎn)生的沖擊力由前面兩個(gè)區(qū)域來承擔(dān)，A柱區(qū)域如果吸能太多，則強(qiáng)度將變得相對(duì)較弱，從而造成全局坐標(biāo)方向的殘余速度增加，駕駛艙變形增大，造成乘員的生存空間減小[7]。綜上所述，前期設(shè)計(jì)考慮小偏置碰撞時(shí)，要綜合考慮吸能和殘余速度。

2 某SUV車型對(duì)標(biāo)仿真分析及評(píng)估

2.1 有限元仿真模型描述及可靠性

文中仿真車型是基于已有車型的基礎(chǔ)上進(jìn)行更新開發(fā)。整車的網(wǎng)格數(shù)量約為230萬(wàn)，整車質(zhì)量為1 914 kg，運(yùn)用Altair的RADIOSS作為仿真分析工具，按照第1.1節(jié)介紹的C-IASI碰撞法規(guī)的內(nèi)容設(shè)置邊界條件，將仿真時(shí)間設(shè)置為180 ms,文中仿真只針對(duì)汽車駕駛員側(cè)結(jié)構(gòu)的仿真研究，不放假人和安全氣囊。

為保證仿真的可靠性，仿真中輸出整車碰撞中的動(dòng)能、內(nèi)能、沙漏能、接觸能，并繪制各能量曲線。從圖2中可以看出，動(dòng)能曲線平滑過渡并降低，內(nèi)能曲線有相應(yīng)上升趨勢(shì)，曲線變化較為合理；沙漏能占比1%，滿足數(shù)值分析需求，能量散耗合理；接觸能占比為12%，低于求解器要求的15%，接觸能量散耗合理。

圖2 能量變化曲線

從仿真與試驗(yàn)結(jié)構(gòu)變形對(duì)比圖和仿真與試驗(yàn)加速度曲線來看，如圖3和圖4所示，基本符合對(duì)標(biāo)精度的要求。其中加速度的曲線正負(fù)峰值走勢(shì)一致,并且兩條曲線的峰值基本相同，誤差在5%之內(nèi)。變形圖中A柱的斷裂位置相同；門環(huán)下A柱斷裂，仿真與試驗(yàn)的斷裂位置也相同，彎折區(qū)域一致性較高，驗(yàn)證了模型的準(zhǔn)確度，也為接下來提出的優(yōu)化方案提供了可靠支撐。

圖3 結(jié)構(gòu)變形對(duì)比

圖4 仿真與試驗(yàn)加速度-時(shí)間曲線

2.2 整車仿真結(jié)果分析

整車有限元模型經(jīng)計(jì)算分析得到，25%小偏置重疊碰撞變形量最大的為白車身、副車架、車門三部分。具體變形分析如下：

(1)白車身部分：小偏置重疊碰撞在30 ms時(shí)，輪胎開始與壁障接觸，同時(shí)前輪罩外板加強(qiáng)板將力傳到后方，由于碰撞力不經(jīng)過前防撞梁、吸能盒及前縱梁，因而前輪罩外板加強(qiáng)板起主要傳力路徑，但前輪罩外板加強(qiáng)板和A柱設(shè)計(jì)強(qiáng)度較弱，不足以抵擋如此大的沖擊力；在60 ms時(shí)，前輪罩外板加強(qiáng)板完全吸能潰縮，輪胎完全卡滯在門檻前端，造成門檻前端位置Y向侵入量過大，致使下A柱斷裂并造成車身地板產(chǎn)生彎折，同時(shí)上A柱門環(huán)在碰撞過程中也出現(xiàn)明顯彎折及開裂，如圖5(a)所示。

(2)副車架部分：碰撞過程中副車架的安裝塔與壁障直接接觸，致使副車架縱梁產(chǎn)生彎折，如圖5(b)所示；下擺臂前點(diǎn)在碰撞過程中沒有脫開，在碰撞后期直接將輪轂上的力傳到下A柱及門檻，嚴(yán)重影響門檻前端Y向侵入量得分。實(shí)際上，副車架的縱梁對(duì)碰撞起到很大的作用，既可以吸能又可傳遞碰撞力的作用[8]。

圖5 各區(qū)域的變形圖

(3)車門部分：前門防撞桿在小偏置碰撞中作用較小，在碰撞后期車輪部分被擠進(jìn)前門內(nèi)，并且前門從門框中脫出，起不到分散力的傳遞路徑作用。

2.3 C-IASI法規(guī)下整車結(jié)構(gòu)評(píng)估

C-IASI法規(guī)中規(guī)定了侵入量測(cè)量點(diǎn),如圖6(a)所示。根據(jù)侵入量的大小進(jìn)行等級(jí)劃分，分為優(yōu)秀(Good)、良好(Acceptable)、及格(Marginal)、差(Poor)4個(gè)等級(jí)[9]。整車仿真模型分析的侵入量結(jié)果如圖6(b)所示，從分析的結(jié)果來看，僅左側(cè)擱腳區(qū)、制動(dòng)踏板和轉(zhuǎn)向管柱3個(gè)測(cè)量點(diǎn)被評(píng)價(jià)為“Good”等級(jí)，而其他測(cè)量點(diǎn)結(jié)果則不太理想，車輛結(jié)構(gòu)等級(jí)評(píng)定為“Poor”等級(jí)。

圖6 測(cè)量點(diǎn)及其仿真結(jié)果

2.4 車輛結(jié)構(gòu)得分較差原因分析

小偏置碰撞的傳力路徑主要分為4個(gè),分別為前縱梁、副車架、前輪罩外板加強(qiáng)板、門檻以及A立柱鉸鏈，如圖7所示。

圖7 各傳力路徑

如圖7(a)所示為前縱梁傳力路徑，其中一種方式是通過防撞梁及吸能盒將碰撞力傳到縱梁，但是此種方式要求防撞梁足夠長(zhǎng)，這樣將會(huì)影響到造型和行人保護(hù)中對(duì)小腿的保護(hù)，需要較大的改動(dòng)；另一種方法是通過前輪罩外板加強(qiáng)板前部結(jié)構(gòu)與縱梁搭接，將力傳到縱梁上，此方案要求前輪罩外板加強(qiáng)板前部搭接要足夠強(qiáng)。

如圖7(b)所示為副車架傳力路徑，主要是在副車架前段往外伸出一個(gè)足夠強(qiáng)的零件，用于碰撞前期與壁障接觸，將力從副車架傳走，副車架吸收更多的能量，降低車身的吸能比例，改善車身的侵入量[10]。

如圖7(c)所示為前輪罩外板加強(qiáng)板傳力路徑，這是小偏置碰撞的主要傳力路徑。根據(jù)前輪罩外板加強(qiáng)板結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)對(duì)碰撞的作用，一般可以分為3種碰撞策略;(1)吸能策略，主要是通過加強(qiáng)乘員艙和發(fā)動(dòng)機(jī)艙達(dá)到碰撞安全目的；(2)完全掠過策略，這是與吸能策略相對(duì)的一種碰撞策略，完全掠過壁障的優(yōu)勢(shì)是碰撞沖擊力較小，乘客生存空間幾乎不變形；(3)掠過+吸能策略，將前兩種策略有效結(jié)合[11]。

如圖7(d)所示為門檻傳力路徑，這也是小偏置碰撞主要的傳力路徑，主要是通過車輪擠壓門檻來傳力。此路徑傳遞的力越大，需要門檻以及整個(gè)門環(huán)的設(shè)計(jì)剛度越大，相應(yīng)的成本就會(huì)增加。所以往往是通過讓前縱梁傳力路徑和副車架傳力路徑吸收更多的能量來減小門檻路徑的傳力。

通過以上傳力路徑的分析，并結(jié)合整車仿真模型的變形，發(fā)現(xiàn)仿真模型在傳力路徑上的設(shè)計(jì)均存在明顯缺陷，這也是仿真模型車輛結(jié)構(gòu)評(píng)分較差的原因。

3 合理化改進(jìn)策略

3.1 改進(jìn)方案

結(jié)合第2.4節(jié)中各個(gè)傳力路徑的分析，改進(jìn)方案的思路為提升圖7(a)和(b)的傳力路徑，同時(shí)提升如圖7(c)和(d)的承載能力。

3.1.1 提升前縱梁傳力路徑的方法

改變前輪罩外板加強(qiáng)板前部與縱梁的搭接，并在搭接前端增加加強(qiáng)件，如圖8所示。因?yàn)樵诖宋恢茫更c(diǎn)承受剪切力，很容易在碰撞過程中撕裂，在前端加強(qiáng)件起到增強(qiáng)前端連接的作用，可有效地傳力到縱梁上。經(jīng)過此設(shè)計(jì)變更，縱梁的傳力從70 kN提升到100 kN，白車身截面力如圖9所示。

圖8 前輪罩外板加強(qiáng)板加強(qiáng)件結(jié)構(gòu)

圖9 縱梁優(yōu)化前后力-時(shí)間曲線對(duì)比

3.1.2 提升副車架傳力路徑的方法

在副車架前端增加一個(gè)加強(qiáng)件，并相應(yīng)地增強(qiáng)其后端的副車架縱梁，使力能夠有效通過底盤傳遞。設(shè)計(jì)更改后副車架的傳力從50 kN增加到90 kN，截面力如圖10所示。

圖10 副車架優(yōu)化前后力-時(shí)間曲線對(duì)比

3.1.3 提升前輪罩外板加強(qiáng)板中A柱的承載能力

將原方案的前輪罩外板加強(qiáng)板結(jié)構(gòu)改斜弧形，保證在碰撞時(shí)產(chǎn)生一定的掠過的效果并可吸收更多的動(dòng)能[12-13]。改進(jìn)門環(huán)的加工工藝，將門環(huán)改為激光拼焊的形式，無縫連接可提高剛度。力的傳遞路徑和仿真分析碰撞后門環(huán)變形結(jié)果如圖11所示。同時(shí)，在門的腰線位置增加一根防撞梁，將A柱的受力通過防撞梁傳遞到B柱上，減小A柱的受力。

圖11 傳遞路徑和門環(huán)的變形量

3.1.4 提升門檻和A立柱鉸鏈附近承載能力路徑的方法

針對(duì)A柱和門檻以及門環(huán)等變形，A柱增加內(nèi)貼板并將門檻加強(qiáng)以防止A柱斷裂；加強(qiáng)前門上下鉸鏈[13]。同時(shí)在地板處，門檻內(nèi)也同步進(jìn)行有效地加強(qiáng)，增加傳遞力的有效性。

此外，在小偏置碰撞中的改進(jìn)要綜合考慮，如果車輪沒有及時(shí)從車體中脫開，整個(gè)車輪擠壓下A柱，將導(dǎo)致整個(gè)A柱和門檻受力過大從而變形嚴(yán)重。而輪轂、擺臂、轉(zhuǎn)向機(jī)構(gòu)等要滿足疲勞耐久的要求，強(qiáng)度較強(qiáng)，因此針對(duì)車輪能夠脫離車體的優(yōu)化尤為重要。針對(duì)現(xiàn)有車型的擺臂形式、轉(zhuǎn)向機(jī)構(gòu)等進(jìn)行優(yōu)化后，碰撞中車輪能夠較好地脫開，A柱和門檻變形明顯減少。

3.2 合理化改進(jìn)后仿真結(jié)果對(duì)比

優(yōu)化前和優(yōu)化后的仿真結(jié)果對(duì)比見表1，優(yōu)化后乘員的生存空間得到很大的改善，由原來的“Poor”提升為“Good”等級(jí)，滿足車輛結(jié)構(gòu)的目標(biāo)要求。

表1 優(yōu)化前后仿真結(jié)果對(duì)比

3.3 C-IASI試驗(yàn)驗(yàn)證

實(shí)施上述4個(gè)合理化改進(jìn)建議后，重新進(jìn)行小偏置碰撞試驗(yàn)。新的碰撞結(jié)果得到“Good”的評(píng)價(jià)，試驗(yàn)結(jié)果與仿真預(yù)測(cè)的結(jié)果幾乎完全一致，如圖12和圖13所示。

圖12 試驗(yàn)& CAE 碰撞后變形

圖13 試驗(yàn)&CAE IIHS車身侵入量

仿真分析中采用的RADIOSS求解器精準(zhǔn)的預(yù)測(cè)了試驗(yàn)的結(jié)果。在初始碰撞結(jié)果為“Poor”的情況下，第二次試驗(yàn)就達(dá)到“Good”的水平，難度較大。通過精準(zhǔn)的有限元仿真分析，大幅縮減企業(yè)的時(shí)間周期，節(jié)約了大量試驗(yàn)和造車的成本，充分體現(xiàn)了仿真分析的價(jià)值。

4 結(jié)論

目前，國(guó)內(nèi)雖然還沒有把25%小偏置碰撞作為主流的安全評(píng)估標(biāo)準(zhǔn)，但是國(guó)內(nèi)的主機(jī)廠都在研究。對(duì)小偏置碰撞安全的重視程度不斷增加，采用C-IASI法規(guī)的試驗(yàn)要求，通過對(duì)某汽車進(jìn)行小偏置碰撞仿真分析，提出掠過+吸能的優(yōu)化策略，將C-IASI評(píng)分由原來的“Poor”提升為“Good”等級(jí)。

在研究過程中得到以下結(jié)論：(1)小偏置碰撞過程中由于壁障與車體的接觸面積較小，適當(dāng)?shù)乜紤]發(fā)動(dòng)機(jī)艙段產(chǎn)生吸能或者掠過策略，并改變前輪罩外板加強(qiáng)板的外形和長(zhǎng)度可吸收更多碰撞中的動(dòng)能；除此，還考慮了前輪罩外板加強(qiáng)板與周圍部件的配合，例如減震塔、內(nèi)封板等。(2)對(duì)于乘員的生存空間在小偏置碰撞中極其重要，增強(qiáng)A柱是關(guān)鍵，可增加厚度(提高材料的牌號(hào))和加入貼板以提高剛、強(qiáng)度；門環(huán)采用激光拼焊無縫連接，碰撞中不容易變形，保證駕駛艙的完整性。(3)適當(dāng)增加導(dǎo)向部件，例如門的導(dǎo)向桿，副車架的導(dǎo)向塊，起到分散力傳遞路徑的作用。