張悅,畢思剛,王建勛,劉彥博,沙磊

一汽奔騰轎車有限公司，吉林長春 130013

0 引言

正面碰撞是一種非常高發(fā)的交通事故類型。據(jù)統(tǒng)計(jì)，正面25%偏置碰撞工況的死亡人數(shù)占正面碰撞死亡人數(shù)的22%。為促進(jìn)車輛此類事故保護(hù)性能的提升，2012年，美國公路安全保險(xiǎn)協(xié)會(IIHS)發(fā)布了一項(xiàng)新的測試工況：小重疊正面碰撞安全性評估碰撞試驗(yàn)規(guī)程。

2018年，中國保險(xiǎn)汽車安全指數(shù)(C-IASI)參考IIHS，發(fā)布了正面25%偏置碰撞試驗(yàn)(下面簡稱“小偏置碰”)為中國保險(xiǎn)汽車安全指數(shù)規(guī)程——車內(nèi)乘員安全指數(shù)中的一個(gè)試驗(yàn)工況。在同年9月份公布了首批測試結(jié)果，12款測評車型中僅有3款車獲得了G的評價(jià)。截至2021年10月，C-IASI公布的73款車中只有36款獲得G評價(jià)。分析測試結(jié)果發(fā)現(xiàn)，車輛結(jié)構(gòu)是導(dǎo)致整體成績差的主要原因。

目前，國內(nèi)外專家為如何提高小偏置碰撞試驗(yàn)車輛結(jié)構(gòu)做了大量研究工作。本文總結(jié)了目前提高小偏置車輛結(jié)構(gòu)評價(jià)等級的設(shè)計(jì)策略，根據(jù)某車型的小偏置試驗(yàn)結(jié)果對標(biāo)修正仿真模型，分析并設(shè)計(jì)優(yōu)化方案。通過仿真分析手段驗(yàn)證優(yōu)化效果，通過結(jié)果可得，車輛結(jié)構(gòu)由較差(P)提升為優(yōu)秀(G)。此外還研究了懸架與轉(zhuǎn)向系統(tǒng)失效對車輛結(jié)構(gòu)等級評價(jià)結(jié)果的影響。

1 正面25%偏置碰撞規(guī)程

1.1 小偏置碰撞試驗(yàn)及評價(jià)規(guī)程

壁障結(jié)構(gòu)尺寸如圖1所示。

圖1 壁障結(jié)構(gòu)尺寸

根據(jù)C-IASI中正面25%偏置碰撞試驗(yàn)規(guī)程，車輛試驗(yàn)質(zhì)量應(yīng)比整備質(zhì)量大150～200 kg，試驗(yàn)速度為(64.4±1)km/h，試驗(yàn)壁障為剛性壁障，高1 524 mm，寬1 000 mm，具體尺寸如圖1所示，壁障固定于車輛牽引方向駕駛員側(cè)地面上。

車輛以25%±1%的重疊率正面撞擊固定剛性壁障，車輛與壁障碰撞位置如圖2所示。

圖2 車輛與壁障碰撞位置

根據(jù)C-IASI中正面25%偏置碰撞評價(jià)規(guī)程，評價(jià)分為車輛結(jié)構(gòu)、假人傷害、約束系統(tǒng)和假人運(yùn)動3個(gè)方面。車輛結(jié)構(gòu)是小偏置碰撞的基礎(chǔ)，假人傷害和約束系統(tǒng)與假人運(yùn)動是車輛結(jié)構(gòu)與約束系統(tǒng)共同作用下得到的結(jié)果。因此文中只研究車輛結(jié)構(gòu)評價(jià)項(xiàng)，總體評價(jià)結(jié)果見表1。

表1 總體評價(jià)結(jié)果

1.2 小偏置碰撞車輛結(jié)構(gòu)等級評定

車輛結(jié)構(gòu)等級用侵入量測量值進(jìn)行評價(jià)，并且根據(jù)乘員艙結(jié)構(gòu)完整性的定向觀察結(jié)果對等級進(jìn)行修正，侵入量測量位置如圖3所示。所有測量點(diǎn)被劃分成兩個(gè)區(qū)域：乘員艙上部和乘員艙下部，乘員艙上部包括轉(zhuǎn)向管柱、A柱上鉸鏈、上儀表板和左下方儀表板；乘員艙下部包括A柱下鉸鏈、左側(cè)擱腳板、左側(cè)足板、制動踏板、駐車制動踏板和門檻。

圖3 車輛侵入量測量位置

乘員艙侵入量等級評定參考值如圖4所示。若無定性的觀察結(jié)果導(dǎo)致等級降低，且下部或上部侵入量測量值都位于標(biāo)記為優(yōu)秀的區(qū)域，那么該區(qū)域結(jié)構(gòu)等級為優(yōu)秀;若侵入量測量值落入不同的評級范圍內(nèi)，則結(jié)構(gòu)等級為測量值位于區(qū)域最多的一級，但結(jié)構(gòu)等級不得比最差測量值所在等級高出一級;若測量結(jié)果一半在同一個(gè)等級區(qū)域，另一半在另一個(gè)等級區(qū)域，則結(jié)構(gòu)等級為較低區(qū)域等級,邊界值上的侵入量將視為較好的等級;若無定性的觀察結(jié)果導(dǎo)致等級降低，則車輛結(jié)構(gòu)等級為乘員艙下部和上部分類等級中差的等級。

圖4 乘員艙侵入量等級評定參考值

2 車體仿真分析

2.1 車身變形分析

某車型小偏置碰撞試驗(yàn)結(jié)果如圖5所示，在碰撞過程中，剛性壁障先與車身外蒙皮接觸，隨后接觸到前保險(xiǎn)杠橫梁外側(cè)，傳統(tǒng)碰撞吸能傳力路徑?jīng)]有起到相應(yīng)作用。傳力路徑一：吸能盒-縱梁，由于壁障與前保險(xiǎn)杠橫梁重疊率極小，縱梁沒能參與碰撞；傳力路徑二：shotgun-A柱-乘員艙，此車型shotgun結(jié)構(gòu)較為薄弱。車輪受到了較大的沖擊。車輪向后擠壓A立柱和門檻梁，由圖5可以看出，乘員側(cè)結(jié)構(gòu)產(chǎn)生劇烈變形。

圖5 某車型小偏置碰撞試驗(yàn)結(jié)果

2.2 車輛結(jié)構(gòu)評價(jià)結(jié)果

乘員艙侵入量等級評定結(jié)果如圖6所示，乘員艙上部評級為較差(P)，乘員艙下部評級為優(yōu)秀(G)，無定性的觀察結(jié)果導(dǎo)致等級降低，車輛結(jié)構(gòu)等級為較差(P)。由圖可以看出，乘員艙上部A柱上鉸鏈、上儀表板兩點(diǎn)侵入量為較差，轉(zhuǎn)向管柱、左下方儀表板兩點(diǎn)侵入量為一般，最終乘員艙上部評級為較差。分析原因?yàn)椋鹤髠?cè)輪胎在小偏置碰撞中偏轉(zhuǎn)姿態(tài)朝向A立柱中下端，壁障載荷通過輪輞傳遞到A立柱。乘員艙下部除A 柱下鉸鏈侵入量是良好，其余侵入量均為優(yōu)秀。分析原因?yàn)椋篒P管梁左側(cè)與A立柱上端結(jié)構(gòu)搭接，A立柱強(qiáng)度不夠，導(dǎo)致轉(zhuǎn)向管柱測點(diǎn)、左A立柱焊接失效，從而A柱下鉸鏈測點(diǎn)侵入量只獲得良好等級。拆車結(jié)果與分析一致，IP管梁變形情況如圖7所示，P管梁左側(cè)變形較大，下方儀表板測點(diǎn)以及上儀表板測點(diǎn)侵入量較大。A立柱焊接失效如圖8所示。

圖6 乘員艙侵入量等級評定結(jié)果

圖7 IP管梁變形情況

圖8 A立柱焊接失效

2.3 車身變形仿真與試驗(yàn)對標(biāo)

(1)文中采用Hypermesh軟件建立碰撞分析模型，計(jì)算求解器軟件為LS-DYNA，鈑金件網(wǎng)格單元類型為Shell，單元尺寸為10 mm，按實(shí)車情況賦材料，其中車身鈑金件材料類型為MAT 24，有限元模型如圖9所示。仿真與試驗(yàn)后掃描車體對標(biāo)結(jié)果如圖10所示。仿真與試驗(yàn)加速度對標(biāo)結(jié)果如圖11所示。

圖9 有限元模型

圖10 仿真與試驗(yàn)后掃描車體對標(biāo)結(jié)果

圖11 仿真與試驗(yàn)加速度對標(biāo)結(jié)果

(2)小偏置碰撞壁障按 C-IASI試驗(yàn)規(guī)程中給出壁障尺寸建立，賦 MAT20 號剛體材料。

(3)該模型按照C-IASI試驗(yàn)要求，整車碰撞速度為 64.4 km/h，碰撞計(jì)算時(shí)間 100 ms，壁障右表面相對汽車中心面偏置 25%整車寬度。

為準(zhǔn)確對標(biāo)仿真模型，文中根據(jù)實(shí)車碰撞出現(xiàn)的失效情況，定義了5組零件試驗(yàn)，8組材料試驗(yàn)。零件及材料試驗(yàn)清單見表2。

表2 零件及材料試驗(yàn)清單

圖12為仿真與試驗(yàn)乘員艙侵入量對標(biāo)結(jié)果。

圖12 仿真與試驗(yàn)乘員艙侵入量對標(biāo)結(jié)果

由圖12可知，仿真對標(biāo)車輛結(jié)構(gòu)與試驗(yàn)基本一致：車身上鉸鏈、下鉸鏈、轉(zhuǎn)向管柱侵入量與試驗(yàn)接近；門檻侵入量仿真對標(biāo)高于試驗(yàn)，主要原因是由于試驗(yàn)中門檻前端材料碎裂導(dǎo)致門檻向侵入較小，仿真無失效材料庫，無法完全模擬；由于IP位置處于臨界位置，IP位置測量點(diǎn)與試驗(yàn)相比，出現(xiàn)評級不同，但整體侵入量誤差在可接受范圍。

2.4 結(jié)果分析

小偏置碰撞車輛結(jié)構(gòu)評價(jià)較差的原因有以下幾點(diǎn)：

(1)受到的能量沖擊更大：傳統(tǒng)可變形壁障在測試中會變形且吸收一部分能量，而小偏置碰撞使用的壁障為剛性壁障，不能變形吸能。輪胎受力更早和更大，前圍板和門檻梁更易變形，導(dǎo)致輪胎入侵乘員艙更嚴(yán)重。

(2)車體吸能結(jié)構(gòu)未參與碰撞：壁障與車體之間重疊量變小，導(dǎo)致傳統(tǒng)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的用于潰縮吸能的前縱梁很難參與發(fā)揮作用，如圖13所示，參與吸能的路徑基本由Shotgun承擔(dān)，難以達(dá)到吸能要求。

圖13 縱梁變形情況

(3)主要受力結(jié)構(gòu)強(qiáng)度不足：A立柱、上A柱前端及門檻前端結(jié)構(gòu)強(qiáng)度不足。

3 車輛結(jié)構(gòu)優(yōu)化

3.1 車輛結(jié)構(gòu)優(yōu)化思路

行業(yè)上小偏置車輛結(jié)構(gòu)優(yōu)化策略主要有兩種：

(1)提高機(jī)艙變形吸能能力及乘員艙抵抗能力。這種理念是發(fā)動機(jī)艙內(nèi)的結(jié)構(gòu)吸收大部分的能量，當(dāng)壁障或輪胎撞擊門檻或乘員艙時(shí)，不會引起乘員艙較大的入侵量和整車旋轉(zhuǎn)，從而維持乘員艙的穩(wěn)定性和保護(hù)駕駛員安全。策略思路是增加碰撞力的傳遞路徑或增加變形吸能部位；壓潰至乘員艙時(shí)，車輛繞碰撞壁發(fā)生旋轉(zhuǎn)。本田雅閣、福特探險(xiǎn)者、福特Focus、斯巴魯傲虎、奔馳C、Mazda3、豐田卡羅拉等車型采用的是這種策略。

(2)懸架與轉(zhuǎn)向系統(tǒng)失效。該策略是設(shè)置懸架和轉(zhuǎn)向系統(tǒng)在碰撞的早期失效，破壞碰撞力(由壁障到輪胎到門檻)的主要傳遞路徑，避免了A柱和門檻梁受到車輪的集中載荷作用，減小剛性壁障對乘員艙的沖擊。雪佛蘭科邁隆、林肯大陸采用的是這種策略。

結(jié)合以上優(yōu)化思路，此車型在提高機(jī)艙變形吸能能力及乘員艙抵抗能力的優(yōu)化方案基礎(chǔ)上，研究了懸架與轉(zhuǎn)向系統(tǒng)失效的優(yōu)化效果。

3.2 車輛結(jié)構(gòu)優(yōu)化方案

3.2.1 提升機(jī)艙變形吸能能力

原車體有兩條縱向傳力路徑，傳力路徑一：吸能盒-縱梁,保險(xiǎn)杠-前縱梁；傳力路徑二：“shotgun”-A柱-乘員艙。優(yōu)化前縱梁與壁障之間重疊率不足5%，剛性壁障避開了前縱梁，能量通過薄弱的“shotgun”(原“shotgun”的向長度較短，且截面積較小)直接傳到A柱和門檻。

優(yōu)化方案為：延長shotgun向長度，增大截面寬度，通過大的加強(qiáng)板結(jié)構(gòu)與縱梁前端相連，如圖14所示;在碰撞前期，“shotgun”就可以參與吸能，將重疊率提高17%，如圖15所示;吸收分散能量，其料厚及材料見表3。

圖14 提升機(jī)艙變形吸能能力方案

圖15 優(yōu)化后車體與壁障重疊率

表3 增加結(jié)構(gòu)料厚及材料

3.2.2 提升乘員艙抵抗能力

原車主要受力結(jié)構(gòu)強(qiáng)度不足，上A柱前端折彎，A立柱、門檻變形較大，導(dǎo)致乘員艙侵入量較大。優(yōu)化思路為A柱折彎處加強(qiáng)，提升A柱強(qiáng)度，同時(shí)對車體A柱門檻結(jié)構(gòu)薄弱部位進(jìn)行加強(qiáng)。優(yōu)化方案主要從兩方面入手，一方面是新增加強(qiáng)件，另一方面是優(yōu)化結(jié)構(gòu)及材料厚度。

門環(huán)處增加受力結(jié)構(gòu)如圖16所示，其料厚及材料見表4，A柱上端折彎區(qū)增加A柱上加強(qiáng)件，A立柱內(nèi)側(cè)增加加強(qiáng)板，門檻增加加強(qiáng)板延伸至車身后部。

圖16 門環(huán)增加受力結(jié)構(gòu)

表4 門環(huán)受力結(jié)構(gòu)料厚及材料

防火墻內(nèi)部增加加強(qiáng)件，前圍上部加強(qiáng)件、A柱與前圍連接加強(qiáng)件、輪罩加強(qiáng)件、前圍擋下板加強(qiáng)件、前輪罩與A柱加強(qiáng)件，抵抗車輪對乘員艙的侵入，為了防止地板變形，地板處增加加強(qiáng)件，如圖17所示。其料厚及材料見表5。

圖17 門環(huán)防火墻區(qū)域增加受力結(jié)構(gòu)

表5 防火墻內(nèi)部結(jié)構(gòu)料厚及材料

優(yōu)化原有結(jié)構(gòu)，A柱上邊梁加強(qiáng)件截面增大，材料增厚；A柱上邊梁內(nèi)側(cè)加強(qiáng)件前端向前延長，增加焊接面積，頂棚橫梁與A柱連接件向下延長，A立柱外加強(qiáng)件向后延長，中通道下加強(qiáng)件向前延長，地板下加強(qiáng)件向后延長、縱梁搭接件結(jié)構(gòu)優(yōu)化，材料厚度不變。寬大的A柱下部及加強(qiáng)門檻、扭力盒、前地板的方式減少乘員艙的侵入量,如圖18所示。其料厚及材料見表6。

圖18 A柱及門檻材料優(yōu)化

表6 A柱及門檻材料結(jié)構(gòu)料厚及材料

4 優(yōu)化結(jié)果分析

4.1 車輛結(jié)構(gòu)等級仿真結(jié)果

結(jié)構(gòu)優(yōu)化后仿真模型碰撞后結(jié)果如圖19所示。由圖可知，優(yōu)化后的車輛結(jié)構(gòu)A立柱、上A柱前端及門檻前端保持良好，門檻梁變形較小，抵抗住了剛性壁障的沖擊。

圖19 結(jié)構(gòu)優(yōu)化后仿真模型碰撞后結(jié)果

優(yōu)化前后乘員艙侵入量結(jié)果對比如圖20所示。由圖可知，乘員艙上部A柱上鉸鏈，上儀表板侵入量明顯減小，轉(zhuǎn)向管左下方儀表板侵入量減至優(yōu)秀范圍，乘員艙上部侵入量平均減少了62.3%，乘員艙上部評級由較差(P)變?yōu)閮?yōu)秀(G)；乘員艙下部A柱下鉸鏈，侵入量減至優(yōu)秀范圍，乘員艙下部侵入量平均減少了22.8%，總體評價(jià)結(jié)果由原來的較差(P)變?yōu)閮?yōu)秀(G)。

圖20 優(yōu)化前后乘員艙侵入量結(jié)果對比

4.2 懸架與轉(zhuǎn)向系統(tǒng)失效研究

在提高機(jī)艙變形吸能能力及乘員艙抵抗能力的優(yōu)化方案的基礎(chǔ)上，進(jìn)一步研究了懸架與轉(zhuǎn)向系統(tǒng)失效對車輛結(jié)構(gòu)侵入量的影響。在仿真模型中，對擺臂球頭、轉(zhuǎn)向拉桿球頭以及減震連接點(diǎn)設(shè)置失效連接，其模型碰撞后結(jié)果如圖21所示。

圖21 懸架與轉(zhuǎn)向系統(tǒng)失效模型碰撞后結(jié)果

懸架與轉(zhuǎn)向系統(tǒng)失效乘員艙侵入量結(jié)果對比如圖22所示。由圖可知，A柱、門檻受到車輪的集中載荷作用減小，侵入量總值減小19%。

圖22 懸架與轉(zhuǎn)向系統(tǒng)失效乘員艙侵入量結(jié)果對比

5 結(jié)束語

本文以某車型為研究對象，對C-IASI 正面25%偏置碰撞工況下車輛結(jié)構(gòu)評價(jià)等級進(jìn)行研究，總結(jié)目前行業(yè)上小偏置車輛結(jié)構(gòu)優(yōu)化策略，并設(shè)計(jì)適合某車型的提升機(jī)艙變形吸能能力和提升乘員艙抵抗能力的優(yōu)化方案，將車輛結(jié)構(gòu)評價(jià)結(jié)果由較差(P)提升為優(yōu)秀(G)。進(jìn)一步研究了懸架與轉(zhuǎn)向系統(tǒng)失效對車輛結(jié)構(gòu)侵入量的影響，仿真分析結(jié)果表明，懸架與轉(zhuǎn)向系統(tǒng)失效可以進(jìn)一步減小車輛結(jié)構(gòu)侵入量。