摘 要：為提高轎車車身結(jié)構(gòu)強(qiáng)度，改善汽車碰撞安全性，以某緊湊型轎車為研究對(duì)象，應(yīng)用CATIA建立該車白車身三維模型，根據(jù)C-NCAP碰撞試驗(yàn)法規(guī)的要求進(jìn)行合理的前處理設(shè)置后，采用LS-DYNA軟件對(duì)該車進(jìn)行40%正面偏置碰撞分析，結(jié)果顯示該車前圍板及部分構(gòu)件變形較大，存在一定的安全隱患。通過(guò)改進(jìn)車身結(jié)構(gòu)和材料，40%正面碰撞模擬分析結(jié)果表明：該車碰撞安全性得到一定提升，前圍板的入侵量減小了98.3mm，車門腰線和門檻變形量分別減小了3.3mm和1.5mm。

關(guān)鍵詞：碰撞安全；改進(jìn)；車身結(jié)構(gòu)；汽車

中圖分類號(hào)：TH122文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A文章編號(hào)：1671-5276（2024）03-0054-04

Improvement and Analysis of Vehicle Body Structure Based on 40% Frontal Collision

Abstract：In order to enhance the structural strength of the car body and improve its collision safety， a compact car is taken as the research object to establish the three-dimensional model of the car body in white by CATIA. After reasonable pretreatment settings are made according to the requirements of C-NCAP collision test regulations， LS-DYNA software is used to conduct 40% frontal offset collision analysis on the car. The results show that the cowl panel and some components of the car are deformed greatly， causing certain safety hazards. With the improved body structure and materials， 40% of frontal collision simulation analysis results show that the vehicle collision safety is upgraded to a certain extent， i.e. the intrusion amount of the cowl panel is reduced by 98.3 mm and the deformation amount of the door waist line and the threshold is reduced by 3.3 mm and 1.5 mm respectively.

Keywords：collision safety; improvement; body structure; automobile

0 引言

當(dāng)前社會(huì)人民生活水平日益提高，汽車產(chǎn)銷量和保有量也逐年增加，隨之帶來(lái)的交通事故所引起的死亡人數(shù)也居高不下，近年來(lái)因汽車交通事故導(dǎo)致的死亡人數(shù)超過(guò)4萬(wàn)人。碰撞事故可分為正面碰撞、追尾碰撞和側(cè)面碰撞，資料顯示正面碰撞在交通事故中最為常見(jiàn)，占比約28.7%，且3種碰撞事故中正面碰撞死亡率最高［1］。正面碰撞包含了100%全寬碰撞和40%偏置碰撞。根據(jù)交通事故統(tǒng)計(jì)發(fā)現(xiàn)，重疊率為30%～40%時(shí)，死亡率最高［2］。汽車40%偏置正面碰撞分析和車身耐撞性結(jié)構(gòu)優(yōu)化，對(duì)降低交通事故中駕乘人員傷亡具有一定的實(shí)際意義。

許多研究人員主要從車身材料、防撞梁結(jié)構(gòu)形式、厚度、車身鈑金件焊接方式、對(duì)車身前艙乘客艙等位置結(jié)構(gòu)改進(jìn)等方面進(jìn)行汽車車身偏置碰撞安全性結(jié)構(gòu)優(yōu)化。其中任明偉等［3］采用復(fù)合材料取代鋁合金材料，分析了40%正面碰撞情況下，復(fù)合材料的防撞梁鋪層厚度、吸能盒壁厚和鋪層方式對(duì)汽車耐撞性的影響。楊帆［4］通過(guò)試驗(yàn)和CAE分析，針對(duì)某車40%正面碰撞時(shí)小腿失分過(guò)多的現(xiàn)象進(jìn)行了分析并提出改進(jìn)方案，使汽車碰撞性能得以提升。王占宇等［5］通過(guò)采用鋁合金材料，同時(shí)改善碰撞力傳遞路徑對(duì)某純電動(dòng)SUV進(jìn)行了優(yōu)化，提供了該車碰撞安全性。肖龍等［6］通過(guò)改變車體結(jié)構(gòu)和關(guān)鍵部位的材料，達(dá)到了提高碰撞安全性的目的。張?jiān)鸬龋?］采用泡沫鋁復(fù)合材料填充汽車座椅橫梁，提高車輛的抗彎曲和抗壓縮性能。徐中明、楊昆、謝暉等［8-10］針對(duì)前縱梁在碰撞模擬中發(fā)生的折彎變形問(wèn)題進(jìn)行了分析，并對(duì)其結(jié)構(gòu)優(yōu)化，提高了碰撞安全性。鄧?yán)姷龋?1］為了提高汽車車身耐撞性，對(duì)汽車前防撞梁進(jìn)行了優(yōu)化設(shè)計(jì)。祝學(xué)亮［12］通過(guò)設(shè)置不同的焊接誤差方式，分析了100%正面碰撞中前縱梁的變化情況。由此可見(jiàn)，以上分析在提高車輛耐撞性方面，主要是針對(duì)汽車局部進(jìn)行優(yōu)化或采用不同材料進(jìn)行改進(jìn)。

本文在前述研究基礎(chǔ)上，以某緊湊型轎車為研究對(duì)象，分析該車在40%正面碰撞時(shí)的耐撞性，并從車身局部材料、車身的結(jié)構(gòu)方面進(jìn)行改進(jìn)，以提升汽車的碰撞安全性，可為汽車正面碰撞車身結(jié)構(gòu)優(yōu)化提供一定參考。

1 車身有限元模型建立

針對(duì)某緊湊型轎車，應(yīng)用CATIA軟件建立該轎車白車身三維模型，導(dǎo)入HyperMesh，對(duì)模型進(jìn)行幾何清理，修復(fù)模型中缺失或重疊的部分，去掉多余自由邊、共享邊，改善各部件之間的拓?fù)潢P(guān)系。根據(jù)車身結(jié)構(gòu)特性，采用大小為5mm的三角形和四邊形殼單元?jiǎng)澐周嚿砭W(wǎng)格，其中三角形網(wǎng)格占比5%，共劃分為151 425個(gè)單元，車身網(wǎng)格整理失敗率為0.5%，總體符合要求。為車身鈑金件賦予彈塑性MAT24型號(hào)鋼材材料屬性，密度為7 850kg/m3，彈性模量為210GPa，泊松比為0.3。設(shè)置車身、焊點(diǎn)、剛性壁障之間的接觸關(guān)系，結(jié)合經(jīng)驗(yàn)接觸面間的摩擦因數(shù)設(shè)置為0.2。

根據(jù)我國(guó)C-NCAP碰撞試驗(yàn)法規(guī)的要求，汽車40%正面碰撞（圖1）的分析中，汽車初始車速設(shè)置為64km/h，重力加速度為9.8m/s2。在劃分網(wǎng)格、材料屬性定義、接觸條件和初始條件設(shè)置完畢后，形成K文件并導(dǎo)入LS-DYNA求解運(yùn)算，對(duì)汽車前圍板侵入量、前門門框壓縮量進(jìn)行分析。

2 汽車40%正面偏置碰撞分析

2.1 模擬結(jié)果可靠性分析

圖2為碰撞過(guò)程中系統(tǒng)總能量、動(dòng)能、內(nèi)能和沙漏能的變化曲線。由圖可知，系統(tǒng)的總能量為4.0×107J，基本保持不變。

汽車正面40%碰撞過(guò)程中，動(dòng)能隨時(shí)間延長(zhǎng)逐漸減少，而內(nèi)能隨時(shí)間增加逐漸增加。根據(jù)曲線變化情況可看出，系統(tǒng)總能量、動(dòng)能、內(nèi)能和沙漏能均為光滑過(guò)渡，未出現(xiàn)明顯的突變，沙漏能為1.04×106J，約占總能量的2.26%。沙漏能占比較小，則碰撞試驗(yàn)?zāi)M的結(jié)果準(zhǔn)確性較高，模型可靠。

2.2 碰撞結(jié)果分析

1）車身變形分析

40%偏置碰撞過(guò)程車身的變形情況如圖3所示，分別為0s、0.04s、0.08s、0.12s時(shí)的變形情況。由圖3車身變形結(jié)果可以看出：碰撞初始階段主要是可變性避障與車身接觸，該階段壁障進(jìn)行吸能和變形，車體前部部位的保險(xiǎn)杠前端出現(xiàn)壓潰，但未出現(xiàn)較大的形變；隨后的碰撞產(chǎn)生的沖擊力沿縱向路線傳遞，吸能盒、翼子板和前縱梁等結(jié)構(gòu)出現(xiàn)壓潰變形。由于40%偏置碰的特性，出現(xiàn)變形比較大和侵入量大的區(qū)域主要集中在駕駛員側(cè)，非碰撞側(cè)的擠壓變形較小。

2）前圍板侵入量

正面偏置40%碰撞過(guò)程中，前圍板的侵入量過(guò)大，將對(duì)人體的胸部、腹部以及大腿造成較大的傷害。為減少碰撞時(shí)車體變形造成對(duì)人體部位的傷害，設(shè)計(jì)過(guò)程中應(yīng)保證前圍板的侵入量盡可能較低。圖4為40%正面碰撞仿真試驗(yàn)時(shí)前圍板相對(duì)于車身的侵入量。由圖可知前圍板的最大侵入量主要集中在左側(cè)，最大變形量達(dá)到191mm，不滿足工程目標(biāo)要求值150mm，會(huì)對(duì)乘員造成較大的傷害，因此需對(duì)車身進(jìn)行改進(jìn)。

3）門檻、腰線變形

A、B柱的侵入量過(guò)大會(huì)導(dǎo)致車門卡死無(wú)法打開(kāi)，對(duì)駕駛員和乘客的安全性造成較大影響，且會(huì)影響事故發(fā)生后的救援工作。本分析中A、B柱最大變形量16.5mm，滿足一般要求的最大變形量35mm。由于A、B柱變形產(chǎn)生的車門腰線和門檻長(zhǎng)度也產(chǎn)生一定的變化，其變化量如圖5所示。由圖可知，腰線寬度最大變化量約為5.5mm；門檻寬度最大變化量約為2.3 mm，其變化量在合理范圍內(nèi)。

3 車身結(jié)構(gòu)改進(jìn)與分析

3.1 車身結(jié)構(gòu)改進(jìn)

根據(jù)汽車40%正面偏置碰撞分析結(jié)果，該車碰撞安全性與標(biāo)準(zhǔn)要求具有一定偏差，需進(jìn)行改進(jìn)。汽車整車碰撞安全性較大部分取決于車身強(qiáng)度，車身結(jié)構(gòu)與材料選取大大影響車身強(qiáng)度。結(jié)合前述分析結(jié)果，對(duì)車身部位進(jìn)行改進(jìn)，具體如表1所示。

由于0.04s時(shí)前部保險(xiǎn)杠部位已產(chǎn)生明顯變形和潰縮，為改善車身前部的安全性，保險(xiǎn)杠采用DP700熱成型鋼板材料，使汽車車身質(zhì)量在幾乎不發(fā)生變化的前提下，承受力大大提升；針對(duì)前圍板侵入量較大的問(wèn)題，通過(guò)將前圍板的厚度增加0.5mm以提高前圍板強(qiáng)度；針對(duì)A、B柱及其他重要防護(hù)部位的變形可能造成對(duì)人體傷害的問(wèn)題，局部采用不同高強(qiáng)度鋼板材料的方法來(lái)提升各部位強(qiáng)度。

3.2 改進(jìn)前后結(jié)果對(duì)比

對(duì)車體結(jié)構(gòu)進(jìn)行改進(jìn)并賦材料，和前述分析一樣，按照我國(guó)C-NCAP碰撞試驗(yàn)法規(guī)的要求，對(duì)其進(jìn)行正面40%偏置碰撞分析。

1）前圍板侵入量

圖6為改進(jìn)后前圍板侵入量變化情況。由圖可知，最大變形量集中在左側(cè)部位，數(shù)值約為92.7mm。與改進(jìn)前比較，最大變形量減小了98.3mm，減小了51.5%，變化明顯，增強(qiáng)了車體結(jié)構(gòu)的安全性。

2）門檻、腰線變形

對(duì)改進(jìn)后的模型進(jìn)行碰撞分析，根據(jù)正面40%偏置碰撞結(jié)果發(fā)現(xiàn)，由于A、B柱變形產(chǎn)生的腰線及門檻寬度變形量也相應(yīng)減小，如圖7所示。

改進(jìn)后，正面40%偏置碰撞中，腰線最大變形量為2.2mm，比改進(jìn)前減少3.3mm，減小60%；改進(jìn)后的門檻變形量為0.8mm，比改進(jìn)前減少1.5mm，減小65%。符合車身安全性要求。

4 結(jié)語(yǔ)

本文針對(duì)正面碰撞類型的汽車碰撞安全問(wèn)題的研究背景與意義，分析了研究人員針對(duì)40%正面偏置碰撞的研究方法和研究成果，在此基礎(chǔ)上，結(jié)合某緊湊型汽車車身碰撞安全性進(jìn)行了分析和改進(jìn)，得到如下結(jié)論。

1）根據(jù)C-NCAP碰撞試驗(yàn)法規(guī)的要求，應(yīng)用LS-DYNA軟件對(duì)小轎車車身碰撞進(jìn)行模擬分析，由系統(tǒng)總能量、動(dòng)能、內(nèi)能和沙漏能的變化曲線可知，該模型仿真分析結(jié)果可靠，具有較好的可信度。

2）由40%正面偏置碰撞分析及改進(jìn)結(jié)果發(fā)現(xiàn)，通過(guò)改進(jìn)該車車身結(jié)構(gòu)和材料，可有效提高該車的車身強(qiáng)度，從而提高該轎車的車身碰撞安全性。

3）應(yīng)用LS-DYNA軟件對(duì)汽車車身進(jìn)行碰撞分析換熱結(jié)構(gòu)改進(jìn)，可縮短汽車車身設(shè)計(jì)周期，節(jié)省設(shè)計(jì)成本，提高汽車設(shè)計(jì)開(kāi)發(fā)效率。

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