某轿车侧面碰撞仿真及优化设计

宋名洋 蔡坚勇



某轿车侧面碰撞仿真及优化设计

宋名洋 蔡坚勇

东南(福建)汽车工业有限公司研发中心

本文基于实际车型，建立整车碰撞仿真模型，结合LS-DYNA对该车进行侧面碰撞仿真，确认侧结构的变形形态及侵入量，结合试验对车辆侧面结构进行优化设计。

汽车；车身；侧面碰撞；LS-DYNA；安全性

随着消费者对车辆安全性意识的提升，以及国家对车辆被动安全性能要求加强；针对目前该轿车车型侧面结构保护性欠佳、车身结构强度不足的问题，通过虚拟样机仿真分析方式进行优化设计，提升该车侧结构的强度，以期望在C-NCAP中国新车安全性评价中取得更好成绩，为消费者提供更优良的保护。

1 整车建模

1.1 建模依据

依照C-NCAP的试验要求进行仿真建模（如图1），同时，通过对模拟结果进行分析，找出整车结构中存在的问题，为改善整车碰撞特性的结构优化提供依据。

图1 C-NCAP侧面碰撞试验图示

1.2 整车建模

在整车碰撞仿真分析中，为尽量确保与试验结果的可对比性及可用性，需按实际材料特性、密度、质量、接触、边界条件、初始条件和控制参数设置，通过准确的数学模型来还原真实的实车碰撞。

一般来说，SHEEL单元中三角形单元数量超过10%会影响分析的精度，从表1可以看出，有限元模型中三角形单元的数量占壳单元总数的4.94%，未超过10%的限值。

表1 SHEEL单元数量表

1.3 有限元模型示意（如图2、3、4）

图2 白车身有限元模型

图3 侧碰小车有限元模型

图4 侧结构侵入量考察点示意

2 分析方案描述

CAE的目的就是通过仿真分析的方法，快速对设计进行辅助和指导。因此，本文提取了7次典型的方案来进行说明，如表2。

表2 典型方案

3 碰撞试验结果和CAE分析对比

3.1 B柱侵入量比较

通过hyperview软件，读出计算结果文件，并提取各曲线的最大（动态）值作B柱侵入量的考察。侵入量的比较如表3，其中“改善度”为相对方案1的变化百分比。

表3 侵入量的比较

3.2 试验车与CAE仿真模型变形模式对比

CAE的仿真分析与实际试验密不可分，在分析过程中对比试验结果是CAE工作必不可少的一部分；因此，为能确保各方案的分析结果能作为有效的参考数据，故对CAE模型和整车试验的变形模式进行对比，从图5的对比可知，整个变形模型基本一致，CAE分析结果可作为设计参考。

图5 试验车与CAE仿真模型变形模式示意

通过上述的分析对比可知，若仅改善门槛梁强度，对侧结构侵入量并没有很好的改善；若仅改变前门第2根防撞钢梁（前门下端）材质对B柱侵入量影响亦很小，甚至会造成B柱上方侵入量更加严重；故最终采用方案6来进行设计改善并试作。

通过试验，也验证了本次仿真的改善方向有效、可用。

4 结束语

当汽车发生侧面碰撞时，碰撞缓冲区较小，变形空间也较小，而被撞部分与乘员之间距离较近，对乘员伤害比其他碰撞类型更严重。因此，增强侧面碰撞性能就显得尤为重要．

依据本文仿真可知，要改进侧面碰撞性能，就要加强侧结构加强板的强度和刚度，并对内腔结构进行适当的补强，使能量有效地传递给具有保护和吸能作用的梁、柱、底板和车顶等部件，使碰撞能量被分散吸收，最大限度地把可能造成的损害降低到最小程度。

在提升车身侧面碰撞性能方面，可以从以下方向进行改善：

（1）增加车门强度和刚度。方法有增加钣厚和增加车门防撞钢梁两种。增加钣厚固然会在一定程度上改善汽车的碰撞性能，但是钣厚的增加会提高整车的质量，影响整车的性能，所以通常采用增强车门防撞钢梁的方法。汽车防撞钢梁由防撞梁、前侧支架和后侧支架等零件组成，使用高强度钢材制造，并安装在车门内壁中央部位。当汽车行驶中遇到一般侧面碰撞时，能抵抗车门凹陷变形；当遇到较大侧面碰撞时，由于防撞杆的作用，因此不必借助专门工具便可迅速地打开车门，营救出车内乘员。

（2）增加侧结构的刚度和强度。包括增加A柱、B柱和C柱的钣厚和增强侧结构内外钣间的加强钣。此外，局部加强在侧面碰撞过程中变形较大部位的刚度和强度，以减轻在侧面碰撞过程中侧结构的侵入对乘员造成的伤害，保存乘员的生存空间。但出于目前制造成本之因素，不建议采用不等厚钣结构来提升局部强度。

（3）增加门槛梁的强度。在发生侧面碰撞事故时，门槛梁并不直接受到撞击，但是加强门槛梁，可以保证将撞击力有效地分散给地板等重要承力零件。增强措施包括增加承载面积、在梁内增加加强钣以及填充发泡树脂等。

（4）车身两侧B立柱之间安装横梁系统。在座椅下面及顶棚下方增加横向加强梁或加强钣，从而有利于碰撞力的传递，可以减少碰撞侧结构的变形。

（5）采用3H形结构的加强方案。有利于碰撞能力分流的车身结构，碰撞力的传导路径对于车体的抗撞性能具有很大的影响。合理地分流在碰撞中传导的力，可以大大提高车体的强度，减少车体的变形量，从而改善整车的碰撞性能。提高车体侧面碰撞的主要设计思想是使冲击力分散到整个车身结构。在车体结构中采用3H形结构的加强方案，是有利于碰撞力分流的典型的车身结构。所谓“3H”是指在车身的底部、侧面和顶部的骨架都呈现“H”形，并组成立体框架的设计。

[1] LS-DYNA Key Words User Manual 971 （LS-DYNA 971用户手册）.

Computer Aided Engineering Simulation and Design Optimization of Passenger Car Side Collision

Song Mingyang, Cai Jianyong

(Research and Development Center, Southeast (Fujian) Motor Co., Ltd., Fuzhou 350119, China)

Based on actual vehicle model, a simulation model of passenger car side collision was constructed. The side collision of the passenger car was simulated via the model combined with LS-DYNA. The deformation shape and incursion of the side structure were analyzed based on computer aided engineering (CAE) model and the simulation result. Optimal design of the passenger car side structure was conducted in relation to actual test result to enhance the side structure.

vehicle；body in white (BIW)；side collision ；LS-DYNA；safety