正交试验设计在侧面碰撞安全性仿真分析中的应用

宫 帅，储 伟

（1、东风汽车公司 技术中心，武汉 430058；2、东风汽车公司科技开发部；武汉 430058）

在我国城市道路交通事故中，侧面碰撞的发生率和致伤率均为最高［1］。因此，提高汽车侧面车体的结构强度对降低乘员损伤、改善整车的侧面碰撞安全性能具有重要意义。

在众多提高车体侧面结构强度的措施中，提高零件的材料等级，采用更高强度的钢板是最直接、有效的方法之一。但考虑成本和工艺等因素，仅能对极少数零件采用高强钢，所以需要利用仿真方法找出对碰撞性能影响较大的零件。因此，本文以某乘用车的侧面碰撞模型为基础，采用正交试验设计的方法制定了关键零件的材料优化方案，通过极差分析法找出影响侧碰性能的敏感因素，最终在少量增加成本的情况下，提高了该车的侧碰安全性能，对该车的设计具有指导意义。

1 某乘用车侧面碰撞整车模型及验证

1.1 整车模型

本文建立的整车有限元碰撞仿真模型包括白车身、四门两盖、发动机、前后悬架、座椅总成等，共有91万个节点，90万个单元。移动壁障（MDB）由车体和前部蜂窝材料的吸能块组成，共有64万个节点，66万个单元。按照C-NCAP2009试验规程的要求，MDB与整车放置在同一水平地面上，行驶方向与整车垂直，MDB的中心线对准车辆前排座椅R点，初始速度为 50 km/h［3］。如图 1所示。

1.2 模型验证

为保证模型的准确性，使仿真分析对试验具有一定的预测性，我们根据试验结果对仿真模型进行一系列的调整。调整后，仿真与试验的侧面变形的对比如图2所示，B柱下端加速度曲线对比如图3所示，座椅底部加速度曲线对比如图4所示。

由图2、图3、图4的对比可知，仿真分析的侧面变形模式、关键点的加速度曲线与试验结果基本保持一致，说明仿真模型能够在一定程度上代表整车，仿真结果具有一定的可信度。

2 考核指标

在侧面碰撞结构耐撞性分析中，需要关注关键部位的侵入量和侵入速度，用以考核车辆的结构安全性。本文以B柱侵入量、侵入速度，门槛梁侵入量作为考核指标，如下所示。

2.1 B柱侵入量、侵入速度

在模型的B柱内板上，由下至上设置9个测量点，输出这9个点的侵入量和侵入速度，测量点位置如图5所示。

2.2 门槛梁侵入量

在模型的门槛梁内板上设置10个测量点，输出这10个点的侵入量，测量点位置如图6所示。

3 优化设计

3.1 优化对象的选取

在侧面碰撞过程中，要求所设计的B柱、门槛梁、车门等部件的刚度较大，以便能够迅速有效地将所受到的力迅速向其他的梁系结构传递，达到共同承担撞击力，最大限度的降低对乘员的伤害的目的。根据经验和该车的实际情况，选取7个零件作为优化对象，如下图7所示，名称如表1所示。在方案1中，该七个零件均采用屈服强度为340 MPa的材料，在优化方案中，可以考虑采用屈服强度为420 MPa的材料。

表1 优化对象名称

3.2 正交试验设计

在上面的优化问题中，优化对象为图中所示的7个零件，变量为两种屈服强度的材料，实质上这是一个7因素2水平的优化问题。如果采用全因子的试验方法，即将各种可能的组合都进行仿真计算，需要27=128次计算，这种方法计算时间极长，计算得到的数据量非常大，难以实现。因此，我们引入正交试验的方法进行试验设计［2］，该方法试验次数少，选取的数据点分布均匀，结论的可靠性好。

正交试验设计需要构建正交表，正交表具有均衡分散性和整齐可比性，在数学上称为正交性，这是正交设计最重要的特点。针对该车的碰撞优化问题，我们构建了下面的正交表，如表2所示。表中A～G代表7个因素 （零件），1、2代表因素选取的（水平）材料，1表示采用屈服强度为340 MPa的材料，2表示采用屈服强度为420 MPa的材料，共需进行8次计算，命名为方案1～8，其中方案1为原始方案。

表2 正交表

3.3 优化方案结果分析

按照正交表中规定的优化方案进行仿真计算，可以得到方案1～8的仿真结果，如表3、表4、表5所示。

表3 B柱测量点侵入量

表4 门槛梁测量点侵入量

表5 B柱测量点侵入速度

通过对优化方案的计算，我们得到了8种方案的侵入量和侵入速度的数据，可以采用极差分析法对数据进行分析。极差指的是正交表中各因素各水平对应的计算结果的平均值的最大值与最小值之差。公式如下所示：

式中：Ⅰ为第j列“1”水平所对应的计算结果的数值之和；Ⅱj为第j列“2”水平所对应的计算结果的数值之和；kj为第j列同一水平出现的次数。

各因素极差D的数值越大，说明该因素对计算结果的影响越大；反之，越小。

根据上面的公式，将各因素对各测量点的极差进行计算并绘制成曲线，如图8、图9、图10所示。

对比以上三张图中7个因素对考核指标的影响可知，因素B，即门槛梁外板的材料对该车B柱侵入量、侵入速度的影响最大，其次为因素C和因素D，其余因素的影响很小。同时，因素B对B柱上P1～P5点的侵入量影响较大，对P2～P4点的侵入速度影响较大。同样的，因素B对门槛梁P3～P8点的侵入量影响最大，其次是因素D，其他因素对门槛梁侵入量的影响很小。

3.4 改进方案及结果

基于各因素对三个考核指标的影响和成本考虑，制定改进方案为提高因素B，即门槛梁外板的材料强度，再进行一次计算。原始方案（即方案1）与改进方案的计算结果对比如图11、图12、图13所示。

从以上三张图可以看到，改进方案的B柱侵入量、侵入速度，门槛梁的侵入量均有较大幅度的下降，提高了整车的侧碰安全性能，达到了较好的效果。

4 结论及建议

（1）采用正交试验设计与有限元仿真结合的分析方法，能够通过较少的计算次数，找到对侧碰安全性能影响显著的零件，为改进方案的制定指明了方向，对侧碰性能改进和星级提升工作具有重要意义。

（2）车体侧面结构中关键部件的材料强度对整车侧碰性能具有较大影响，适当提高关键零件的材料强度，能够有力的改善整车的侧面碰撞安全性能。

（3）类似的方法可用于分析零件厚度对整车碰撞性能的影响分析，建立相关的数据库，这对于新车型的设计与开发具有重要的指导意义。

［1］公安部交通管理局.中国统计年鉴［M］.北京：中国统计出版社，2000-2005.

［2］陈魁.试验设计与分析［M］.北京：清华大学出版社，2005.

［3］中国汽车技术研究中心.C-NCAP管理规则（2009年版）［S］.C-NCAP，2009.

［4］赵敏.基于正交试验的微型轿车侧碰安全性研究［J］.汽车工程，2010.5.

［5］范体强、万鑫铭.侧面碰撞安全性研究［C］.重庆：2010 中国汽车安全技术国际研讨会论文集，2010.