張東明 錢志華 孫金霞 龔超 胡雪芬 趙毅

（蔚來，上海 200233）

1 前言

在機(jī)動(dòng)車交通事故中，側(cè)面碰撞事故約占事故總數(shù)量的41.8%[1]，遠(yuǎn)超正面碰撞及追尾碰撞所占的比例。

國(guó)內(nèi)外諸多機(jī)構(gòu)制定了相應(yīng)的規(guī)程用以評(píng)價(jià)車輛的安全性。經(jīng)過十余年的發(fā)展，中國(guó)新車評(píng)價(jià)規(guī)程（China-New Car Assessment Program,C-NCAP）測(cè)試項(xiàng)目覆蓋了乘員保護(hù)、行人保護(hù)及主動(dòng)安全等多個(gè)方面。根據(jù)規(guī)劃，2025 年版C-NCAP 管理規(guī)則將對(duì)碰撞工況進(jìn)行升級(jí)，由新型移動(dòng)變形壁障（Advanced European Mobile Deformable Barrier，AEMDB）更新為中國(guó)先進(jìn)移動(dòng)變形壁障（Advanced Chinese Mobile Deformable Barrier，SC-MDB），進(jìn)一步提高了對(duì)車輛側(cè)碰性能的要求。

本文對(duì)比2種壁障的特性及某車型在采用2種壁障時(shí)碰撞結(jié)果的差異，分析采用新規(guī)程條件下整車側(cè)面碰撞開發(fā)面臨的問題，并提出相應(yīng)的改進(jìn)方向。

2 壁障差異分析

不同碰撞試驗(yàn)結(jié)果主要受側(cè)面碰撞壁障臺(tái)車自身質(zhì)量、碰撞速度、離地高度、變形區(qū)尺寸以及變形區(qū)剛度等因素的影響，離地高度為壁障臺(tái)車車輪最下端與變形區(qū)下表面的垂向高度差，變形區(qū)尺寸為壁障臺(tái)車前端可變形區(qū)域（材料多為蜂窩鋁）的寬度、高度及厚度，如圖1所示。AE-MDB和SC-MDB臺(tái)車參數(shù)如表1所示。

表1 AE-MDB與SC-MDB臺(tái)車參數(shù)

圖1 壁障臺(tái)車主要尺寸

由表1 可知：SC-MDB 臺(tái)車比AE-MDB 臺(tái)車質(zhì)量增加300 kg，碰撞速度提高10 km/h，整體碰撞能量提升75%；變形區(qū)寬度增加100 mm，對(duì)部分短軸距車型，C 柱與壁障臺(tái)車重疊量增大，承載增加；變形區(qū)厚度增加100 mm，考慮到絕大部分車型的側(cè)面碰撞工況中壁障變形區(qū)未完全壓潰，此變化對(duì)整車側(cè)面碰撞性能影響較小。

針對(duì)壁障臺(tái)車變形區(qū)剛度，構(gòu)建壁障臺(tái)車剛性墻沖擊模型進(jìn)行有限元分析，如圖2所示。設(shè)置一面全約束的剛性墻，將AE-MDB 和SC-MDB 臺(tái)車按相應(yīng)碰撞速度撞擊剛性墻，讀取撞擊過程中剛性墻壓強(qiáng)?？紤]到AE-MDB和SC-MDB臺(tái)車變形區(qū)蜂窩鋁在其寬度方向上分為3個(gè)區(qū)域，沖擊力按照3個(gè)區(qū)域分別讀取，分析結(jié)果如圖3所示，其中臺(tái)車位移為自壁障臺(tái)車與剛性墻接觸時(shí)起壁障臺(tái)車移動(dòng)的距離。

圖2 壁障臺(tái)車剛性墻沖擊模型

圖3 壁障臺(tái)車剛性墻沖擊模型碰撞沖擊壓強(qiáng)

由圖3 可知：AE-MDB 臺(tái)車變形區(qū)左、中、右側(cè)的半程壓強(qiáng)（即壁障壓潰一半厚度時(shí)的單位面積沖擊力）分別為240.1 kN/m2、313.5 kN/m2、234.2 kN/m2；SC-MDB 臺(tái)車變形區(qū)左、中、右側(cè)的半程壓強(qiáng)分別為319.6 kN/m2、298.9 kN/m2、327.4 kN/m2。 AEMDB 臺(tái)車變形區(qū)左、右2 個(gè)區(qū)域單位沖擊力基本一致，中部的單位沖擊力比兩側(cè)高約30%，呈現(xiàn)“中間硬、兩邊軟”的規(guī)律。這種設(shè)計(jì)將較多的碰撞載荷傳導(dǎo)至B 柱，對(duì)B 柱性能要求較高，而車門區(qū)域的碰撞載荷相對(duì)較低。SC-MDB 臺(tái)車變形區(qū)左、中、右3 個(gè)區(qū)域單位沖擊力差距小于10%，剛度基本一致。

對(duì)比2 種壁障臺(tái)車可以發(fā)現(xiàn)，AE-MDB 臺(tái)車中部區(qū)域的單位沖擊力與SC-MDB 臺(tái)車的單位沖擊力基本一致，但左、右2 個(gè)區(qū)域的單位沖擊力顯著偏低，因此，SC-MDB 臺(tái)車碰撞工況下車門將承擔(dān)更大比例的碰撞載荷，SC-MDB 臺(tái)車碰撞能量的提升對(duì)車門的要求將高于對(duì)B 柱的要求。

基于某車型，分別利用AE-MDB 臺(tái)車和SCMDB 臺(tái)車進(jìn)行側(cè)面碰撞有限元分析，碰撞后壁障臺(tái)車的變形及潰縮量如圖4所示。2種壁障臺(tái)車的變形模式基本一致，中部區(qū)域及左、右邊界位置潰縮量較大，左、右側(cè)中部潰縮量較小，壁障臺(tái)車整體變形呈現(xiàn)波浪狀。SC-MDB臺(tái)車左、中、右3個(gè)區(qū)域側(cè)潰縮量較AE-MDB臺(tái)車分別高83 mm、106 mm、113 mm，差異較小。

圖4 AE-MDB及SC-MDB臺(tái)車變形及潰縮量

3 整車側(cè)面碰撞模擬分析

在側(cè)面碰撞試驗(yàn)中，壁障臺(tái)車的碰撞載荷主要由試驗(yàn)車輛前、后車門及B 柱承擔(dān)。對(duì)于特定軸距及離地高度的試驗(yàn)車輛，C 柱及門檻也可承擔(dān)部分碰撞載荷?；谀耻囆头謩e進(jìn)行AE-MDB 及SCMDB 臺(tái)車的側(cè)面碰撞模擬分析，提取2 個(gè)工況下該車型B 柱最大侵入量、C 柱最大侵入量和車門最大侵入量，如表2所示，其中AE-MDB臺(tái)車碰撞工況對(duì)應(yīng)的侵入量均已化歸為100%。

表2 某車型側(cè)面碰撞工況下結(jié)構(gòu)最大侵入量%

由表2 可知，在SC-MDB 臺(tái)車碰撞工況下，B 柱最大侵入量增加22%。2 種工況下B 柱變形如圖5所示。SC-MDB 臺(tái)車碰撞工況下B 柱變形模式及B柱外板變形區(qū)域與AE-MDB 臺(tái)車碰撞工況下保持一致，但B 柱外板變形區(qū)變形程度提高。SC-MDB臺(tái)車碰撞工況C 柱最大侵入量提高了216%，其原因主要包括：SC-MDB 臺(tái)車的右邊界位于分析車型的C 柱區(qū)域，對(duì)C 柱造成較大沖擊；SC-MDB 臺(tái)車右側(cè)變形區(qū)剛度較AE-MDB臺(tái)車顯著提升。

圖5 SC-MDB與AE-MDB臺(tái)車碰撞工況B柱變形情況

車門變形輪廓線如圖6 所示。SC-MDB 臺(tái)車碰撞工況下前、后車門上部（腰線位置）侵入量分別增加10%和19%，變形模式與AE-MDB 臺(tái)車碰撞工況基本一致。此區(qū)域侵入量增加相對(duì)較小，主要是因?yàn)樵囼?yàn)車輛車門上部不在壁障臺(tái)車變形區(qū)撞擊區(qū)域內(nèi)。由于車門中部已能被壁障臺(tái)車變形區(qū)域覆蓋，在SC-MDB 臺(tái)車碰撞工況下前、后門侵入量分別增加39%和57%，侵入量增幅較車門上部區(qū)域明顯變大。

圖6 SC-MDB與AE-MDB臺(tái)車碰撞工況車門變形輪廓線

從變形模式上看，不同于AE-MDB 臺(tái)車碰撞工況下門板的整體變形，SC-MDB 臺(tái)車碰撞工況下前門中部呈現(xiàn)彎曲變形，變形后前門狀態(tài)如圖7所示。SC-MDB臺(tái)車碰撞工況下碰撞后前門防撞梁彎折變形較大。在這種彎曲變形模式下，車門整體存在滑入乘員艙的趨勢(shì)，車門侵入量大幅增加，提高了車門鉸鏈、鎖鉤斷裂的風(fēng)險(xiǎn)[2-3]。試驗(yàn)車輛的后門被壁障臺(tái)車變形區(qū)完全覆蓋，因此SC-MDB 臺(tái)車碰撞工況下后門中部的變形模式仍以整體變形為主。由前門變形模式可以預(yù)見，對(duì)于一些軸距較長(zhǎng)的車型，若壁障變形區(qū)無法完全覆蓋后車門，則后門變形模式將變?yōu)閺澢冃巍?/p>

圖7 SC-MDB臺(tái)車碰撞工況前門變形狀態(tài)

通過對(duì)比B 柱變形和車門變形可以發(fā)現(xiàn)，SCMDB 臺(tái)車碰撞工況下B 柱變形增加量小于車門變形增加量，這也印證了前文關(guān)于壁障臺(tái)車變形區(qū)剛度的論述，即SC-MDB 臺(tái)車變形區(qū)左、右兩側(cè)區(qū)域剛度提升，其相對(duì)于AE-MDB 臺(tái)車提升的碰撞能量將更多地傳遞至車門，因此車門侵入量增加大于B柱侵入量的增加。

4 SC-MDB臺(tái)車碰撞工況結(jié)構(gòu)優(yōu)化措施

針對(duì)SC-MDB 臺(tái)車碰撞工況下的結(jié)構(gòu)優(yōu)化措施可分為B 柱優(yōu)化和車門優(yōu)化2 個(gè)方面。首先，盡管SC-MDB 臺(tái)車碰撞工況下B柱變形模式未發(fā)生明顯變化，但B 柱是側(cè)面碰撞工況下主要的承載件及吸能件，仍需加強(qiáng)B 柱結(jié)構(gòu)（尤其是B 柱變形吸能區(qū)）以吸收SC-MDB 臺(tái)車的碰撞能量提升。激光拼焊技術(shù)是一種行之有效的方案，如圖8所示，以拼焊分縫位置及B柱外板上、下段厚度作為優(yōu)化變量，利用試驗(yàn)設(shè)計(jì)（Design of Experiments，DOE）方法優(yōu)化出滿足B柱侵入量要求且質(zhì)量最輕的方案。該方案可在保證B 柱結(jié)構(gòu)強(qiáng)度的前提下，最大限度地限制質(zhì)量增加。

圖8 B柱外板拼焊方案

SC-MDB 臺(tái)車碰撞工況下車門的彎曲變形一方面顯著增大了乘員保護(hù)的難度，另一方面增大了因車門鎖鉤、鉸鏈?zhǔn)г斐绍囬T整體脫落的可能[4]。為此，一方面需要加強(qiáng)車門防撞梁、腰線加強(qiáng)板等承力件，加強(qiáng)方式包括提升材料強(qiáng)度、增大截面和厚度尺寸；另一方面，車門與B 柱、C 柱以及門檻之間的關(guān)鍵搭接區(qū)域（見圖9）應(yīng)保證足夠的搭接面積，確保車門碰撞載荷有效傳導(dǎo)至車身結(jié)構(gòu)。

圖9 車門與車身關(guān)鍵搭接區(qū)域

基于DOE 優(yōu)化方法，試驗(yàn)車輛B 柱外板變形區(qū)料厚需提升30%，前車門防撞梁料厚提升35%，腰線加強(qiáng)板材料強(qiáng)度提升50%，分析結(jié)果如表3 所示。實(shí)施上述方案后B 柱侵入量降低20%，車門侵入量平均降低14.3%，均與AE-MDB 臺(tái)車碰撞工況下的侵入量相近。相對(duì)于傳統(tǒng)的一體式B 柱外板，基于DOE的B柱外板拼焊方案可在滿足侵入量要求的前提下，質(zhì)量減輕15%。

表3 某車型SC-MDB工況優(yōu)化方案分析結(jié)果%

5 結(jié)束語

本文通過構(gòu)建剛性墻沖擊模型對(duì)比分析了AE-MDB 臺(tái)車與SC-MDB 臺(tái)車的特性，同時(shí)基于某試驗(yàn)車輛有限元分析結(jié)果，對(duì)比了2 種工況下整車侵入的差異和變化，提出了優(yōu)化措施，可得出如下結(jié)論：

a.SC-MDB臺(tái)車相對(duì)于AE-MDB臺(tái)車碰撞能量增加75%；SC-MDB 臺(tái)車變形區(qū)左、右兩側(cè)區(qū)域剛度較AE-MDB 臺(tái)車提升約30%。壁障臺(tái)車升級(jí)后，車門侵入量的增加大于B柱侵入量的增加。

b.SC-MDB 臺(tái)車碰撞工況下B 柱變形模式及變形區(qū)域未發(fā)生變化，變形程度及侵入量增加。為提高B 柱強(qiáng)度并降低侵入量，需對(duì)B 柱進(jìn)行加強(qiáng)，提升吸能量。

c. SC-MDB 臺(tái)車碰撞工況下，車門由AE-MDB臺(tái)車碰撞工況下的整體變形侵入變?yōu)閺澢冃吻秩?，在增大侵入量的同時(shí)增加了車門脫落的風(fēng)險(xiǎn)。因此，需要加強(qiáng)車門防撞梁、腰線加強(qiáng)板，并保證車門與車身的關(guān)鍵搭接區(qū)域有足夠的搭接面積，在控制彎曲的同時(shí)將碰撞載荷傳導(dǎo)至B 柱、C 柱，保證整車結(jié)構(gòu)完整性。