小偏置碰撞评分原则解析及结构优化策略

乔鑫　杨伟

摘 要：中国汽车工程研究院与中国保险行业协会联合发布“中国保险汽车安全指数测评规程”，其中小偏置碰撞尤为引人关注，如何提高车辆小偏置碰撞工况的等级评定降低保费是主机厂当前的首要任务。通过对小偏置碰撞工况的评分原则进行详细介绍和解析，并以试验结果为依据，研究得出车体结构对小偏置碰撞整体等级评定起决定作用，驾驶员在此工况下下肢受伤残风险最高。为研究应对小偏置碰撞的车体结构，以某款SUV车型仿真结果为基础，详细介绍小偏置碰撞工况下车体变形特点，同时结合理论分析，提出三类优化方案，并对其进行优缺点说明，这三类优化方案为车身设计提供导向作用。针对该车型选择第二类优化方案，车体结构等级评定由“较差”提升为“优秀”。关键词：小偏置碰撞;安全指数;侧气帘;正面气囊;结构优化中图分类号：U270.7  文献标识码：B  文章编号：1671-7988（2020）02-145-04

Abstract： China Automotive Engineering Research Institute and China Insurance Industry association jointly issued the “China Insurance Automotive Safety Index Evaluation Rules”， in which small overlap crash is particularly interesting. How to improve the rating evaluation of vehicle on the small overlap crash condition and reduce the premium is the primary task of the OEMs （Original Equipment Manufacturers） at present. Through the detailed introduction and analysis of the rating principle of small overlap crash， and based on the test results， it is concluded that car body structure plays a decisive role in the overall rating evaluation of small overlap crash， and the driver has the highest disability risk of the lower limb under this condition. In order to study the car body structure for requirement of small overlap collision， basing on the simulation results of a SUV model， and the car body deformation characteristic on small overlap crash is introduced in detail， combining with theoretical analysis， three kinds of optimization schemes are proposed， their advantages and disadvantages are explained， These three kinds of optimization schemes provide guidance for car body design. The second type of optimization scheme is selected for the SUV， and the overall body structure rating has been upgraded from “Poor” to “Good”.Keywords： Small overlap crash; Safety index; Side curtain; Airbag; Structure OptimizationCLC NO.： U270.7  Document Code： B  Article ID： 1671-7988（2020）02-145-04

前言

據全球事故统计数据显示，正面碰撞事故是发生最为频繁的，而且因正面碰撞造成人员死亡的交通事故中，小偏置碰撞约占25%^[1]。为提升车辆正面碰撞中的耐撞性，减少小偏置碰撞事故中人员和财产损失，2012年美国公路安全保险协会（IIHS）发布正面25%小偏置碰撞测试规范并将其引入考核项目中。2018年9月26日中国汽车工程研究院与中国保险行业协会在重庆联合发布“中国保险汽车安全指数测评规程”，其规程包括小偏置碰撞试验方法和评价准则。这将对中国汽车行业带来更大的挑战，对国产汽车的安全性提出更高要求^[2]，同时也能规范国内主机厂在整车开发设计中将小偏置碰撞作为一种不可忽视的工况，从而能整体提高车辆正面碰撞的耐撞性能。

本文基于“安全指数”关于小偏置碰撞测试规程和评价方法，对某SUV车型的有限元模型进行小偏置碰撞仿真分析和车身耐撞性评价，以仿真结果为研究对象重点介绍小偏置碰工况下车体变形特点，并对其结果进行理论分析和提出优化策略，然后对优化方案进行仿真验证。

1 小偏置碰撞试验规程与评价简介

1.1 小偏置碰撞试验与评价规程简介

“安全指数”的小偏置正面碰撞试验规程和评价原则与IIHS的完全一致，测试试验要求车辆以64.4±1 km/h的速度撞击一个固定的刚性屏障，碰撞时车辆左侧以25±1%的车体宽度与壁障表面重叠，其中车辆驾驶员位置安放一个Hybrid Ⅲ50%的男性假人，用来测量碰撞过程中驾驶员损伤情况^[3]，示意图如图1所示。主要用来模拟现实行车中与其他车辆、路边的树木或电线杆等发生碰撞的事故类型。

小偏置碰撞评价等级由三部分组成：约束系统和假人运动等级评定、假人伤害等级评定、车体结构等级评定，其中假人伤害等级评定可由假人头部和颈部、胸部、大腿和髋骨、腿部和脚部几个部位来评估。总体评价根据车辆结构、假人头部和颈部、胸部、大腿和髋部、腿部和脚部伤害测量值以及约束系统与假人运动等级计算得到^[4]，如图2所示。

1.2 小偏置碰撞评价原则研究与分析

小偏置碰撞整体评价等级关键由车体结构决定。这是因为：

（1）约束系统和假人运动等级评定主要涉及的是，在一定车体加速度下合理匹配约束系统参数，好的加速度曲线有利于约束系统的匹配，而车体加速度与车体结构密切相关。

（2）文献^[4]的研究指出小偏置碰撞中假人头颈部、胸部的伤害通常可满足“优秀”等级，而假人腿和脚部的伤害受到结构入侵量影响，评定等级一般在“良好”或以下，即在小偏置碰撞中假人下肢更容易受伤。所以要想提高25%偏置碰撞假人伤害等级，重点是设计优良的车身结构来控制乘员舱入侵量，也即假人伤害等级评定与车体结构密切相关。

车体结构等级用乘员舱测量点入侵量进行评定，所有测量点被划分为两个区域：乘员舱下部与上部。基于各测点入侵量对乘员舱上、下两个部分分别进行评价，并取上下部分评级较差者作为车辆结构等级评定的最终结果^[5]。

2 某SUV小偏置碰撞结构耐撞性分析

2.1 仿真结果可靠性分析

此SUV有限元模型经过正面100%和40%碰撞对标，模型具有一定的可靠性。能量守恒和稳定是保证碰撞仿真结果准确可信的前提，如图3所示。一般要求总能量曲线平稳、沙漏能占总能量比例和质量增加不超过5%，该模型的计算精度满足上述要求。

2.2 小偏置碰撞车体结构结果评价

本文对车体结构等级评估时，测量点入侵量用动态最大值，主要原因是：假人受到的伤害与入侵量最大值相关性较大。

按照“安全指数”关于小偏置碰撞车身结构耐撞性评分标准进行评定，结果如图4所示。乘员舱上部评定结果为“较差”，下部评定结果为“一般”，车体结构整体评定结果取两者中较差，即评定结果为“较差”。

2.3 小偏置碰撞车身变形特点分析

40%偏置碰撞主要通过单侧吸能盒、纵梁、上纵梁和副车架吸收碰撞能量同时向后传递碰撞力，由于壁障与防撞梁重叠面积较大，防撞梁将部分碰撞力传递到右侧，尽管仅有单侧前端结构变形吸能，但柔性壁障同样吸收部分碰撞能量，整体上乘员舱入侵量是可控的。在小偏置工况中，由于车体与刚性壁障重叠面积仅有25%，碰撞过程中刚性壁障完全避开防撞梁、吸能盒、前纵梁、副车架等正面主要吸能部件，车体前端结构整体吸能不足，碰撞能量几乎未减少直接撞向轮胎与上纵梁，导致轮胎和上纵梁在强烈的能量冲击下挤压门槛、前围板、A柱和上边梁，造成较大的乘员舱侵入量，导致驾驶员严重的腿部和脚部伤害。

由图5看出，轮胎外翻，门槛失稳向内折弯，给整车一个较大的侧向力，同时由于碰撞力的作用线不通过汽车的形心，从而形成了一个力矩^[6]，在车辆碰撞中后期，车辆绕壁障旋转较大（几乎达到90度旋转角），头部容易滑离气囊撞向A柱、门槛等硬结构，造成头部伤害过大。

小偏置碰撞车身变形特点概括起来有两点：

（1）乘员舱变形严重，结构入侵量大，对驾驶员腿部、脚部有较大伤害。

（2）整车绕壁障旋转非常严重，影响假人的运动姿态，使假人向车外运动头部易与车门框及车内侧面的硬体结构接触，增大头部伤害。

因此对车身结构耐撞性优化，需对以上两点同时解决。

3 小偏置碰撞车体耐撞性优化

3.1 小偏置碰撞耐撞性优化理论分析

根据小偏置碰撞车体变形特点，将车身结构从前到后分为三个碰撞区域，如图6所示。

碰撞区域1：防撞梁至shotgun前端;碰撞区域2：shotgun前端到前围板;碰撞区域3：A柱及其以后部分^[7，8，9]。

文献^[8]通过研究IIHS试验结果，将试验后车辆停止状态分为两类：车辆几乎未绕壁障旋转直接越过壁障和车辆绕壁障发生90度左右的旋转。根据能量守恒列出上面两类车辆停止状态的数学表达式：

式中：v₀为整车初始速度;E₁、E₂、E₃为三个碰撞区域吸收的能量;v_x、v_y为碰撞后整车沿X和Y向的残留速度;J_z、w_z为整车绕Z轴的转动惯量和角速度。小偏置碰撞当前存在问题是乘员舱变形严重和车辆旋转严重，即E₃和w_z过大。

对公式（1）来说，如果v_x增大容易造成二次伤害;而增大v_y带来的风险与w_z一致，所以設计思路是有效增大E₁、E₂，即增加碰撞区域1、2的吸能。对公式（2）来说，就是要降低E₃和w_z，可行的办法也只有增大E₁、E₂。

作为保护乘员安全的最后一道防线乘员舱理论上如何加强都不为过，但这与轻量化设计相矛盾，且过大的乘员舱刚度导致车体加速度很大（由于E₁、E₂较小），容易造假人胸部和头部伤害。所以最有效的方案是增大E₁、E₂，适当加强乘员舱强度。

3.2 小偏置碰撞耐撞性不同优化方案对比

通过查阅和研究相关资料，笔者将机舱的优化方案归纳为三类：（1）碰撞过程中车辆越过壁障，减小对乘员舱的冲击;（2）增加碰撞力的传递路径或增加变形吸能部位;（3）破坏碰撞力的主要传递路径：壁障—轮胎—门槛的接触。

第一类优化方案，在IIHS做过的所有试验中，其车体耐撞性评价不低于“良好”。笔者认为此方案有较大不确定性：首先，较大的碰撞后残留速度增大二次碰撞事故风险;其次，碰撞试验室地面比较光滑摩擦系数较小，车辆较容易产生侧向位移而滑离壁障，但实际交通路面粗糙时车辆很可能无法滑离壁障，增大乘员舱变形严重的风险。基于以上两点考虑，摒弃此优化方向案。

第二类优化方案的本质传统设计理念一致，增加侧向结构使防撞梁、吸能盒、纵梁、副车架变形吸能及向后传递碰撞力。当壁障或轮胎撞击门槛或乘员舱时，由于碰撞能量较小，不会引起乘员舱的较大入侵量和整车旋转，从而维持乘员舱的稳定性，保护驾驶员安全性。

第三类优化方案：破坏碰撞力的主要传递路径“壁障—轮胎—门槛的接触”，主要方法是设计悬架与转向系统失效，使轮胎在未形成对门槛猛烈冲击前与副车架脱离，可有效减少乘员舱入侵量。文献^[5]作者使用此方法做过优化。但从实际使用角度考虑设计底盘系统失效，可能会给车辆正常行驶带来安全隐患。

通过对以第二类优化方案可靠性高、实施简单，本文使用第二类优化方案。

乘员舱优化方案：通过提高材料等级或增加加强件或两者同时进行使乘员舱结构加强。机舱结构优化和乘员舱优化需同时进行才能确保乘员舱的稳定性，保证假人安全性。

3.3 小偏置碰撞耐撞性优化方案描述

对机舱结构优化：（1）在碰撞区域1将防撞梁向两侧延长;增大碰撞盒断面尺寸，并在其后端增加支撑梁。（2）在碰撞区域1和2之间增加支撑梁，即在shortgun前端与碰撞盒安装板之间增加支撑梁。优化方案如图7所示。

对乘员舱的结构优化：假人歇脚区域横梁和脚下纵梁材料等级提升一级（780DP）;门槛增加加强横梁。方案如图8所示。

3.4 优化方案验证分析

车体结构耐撞性优化方案结果如图9所示。

对该车型进行结构优化后，小偏置碰撞结果取得较好效果，整体评级由“较差”提升为“优秀”。优化后前端结构变形如图10所示，吸能盒完全压溃，纵梁前端压溃、中部弯曲变形，增加的支撑梁也全部变形，前端吸收较大碰撞能量，从而保证乘员舱变形量明显减小，降低假人受伤风险。

经验证优化后的该SUV车型正面100%碰撞工况和40%偏置碰撞工况发现，碰撞盒与纵梁的变形效果较25%小偏置碰撞工况差，主要原因在于100%碰撞和40%偏置碰撞工况下，车辆前端单侧需要吸收的碰撞能量比25%偏置碰撞工况少，三种工况下整体变形趋势比较一致。优化后正面和偏置碰撞的加速度曲线变化较大，并且峰值略有升高但并未超过设计目标，气囊起爆需要重新标定。三种工况下25%偏置碰撞加速度峰值最小。

4 结论

（1）在对小偏置碰撞评分原则分析、试验结果数据统计、相关资料研究上得出：（1）车体结构对小偏置碰撞整体等级评定起决定作用;（2）假人受致命伤害（头颈部和胸部）的风险低于其他工况，但下肢伤残风险高于其他工况。

（2）经过第二类优化方案的实施，使该SUV车型的车体结构等级评定由“较差”提升为“优秀”。该优化方案可靠性高、实施简单、成本较低，且具有通用性，可为其他车型小偏置碰撞优化提供参考。

参考文献

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