轿车侧面碰撞乘员舱分区刚度优化与匹配研究*

胡玉梅,姜亚洲，禹慧丽，崔泰松,杨芳霞

(1.重庆大学，机械传动国家重点实验室，重庆 400044; 2.汽车噪声振动和安全技术国家重点实验室，重庆 400039)

前言

基于安全需求，汽车侧面碰撞安全研究一直是国内外汽车被动安全性研究的热点。良好的车体结构抗撞性能为乘员生存空间提供了有力的保证，而车体结构抗撞性与乘员舱刚度密切相关。在侧面碰撞过程中，乘员舱刚度的分配决定了车身的变形和侧面部件如车门B柱内板等的侵入速度和侵入量，因此对整车乘员舱刚度的匹配优化具有重要的实际意义。

国内外汽车安全技术研究人员针对乘员舱刚度做了大量研究。文献[1]～文献[4]中通过优化侧围结构(如B柱、防撞杆和门槛等部件)，文献[5]中通过在车身侧面采用高强度钢，以及文献[6]和文献[7]中利用提高车门刚度等来加强侧面刚度以改善侧面结构抗撞性；文献[8]中研究了侧面碰撞车体结构与乘员伤害的关系，并在此基础上得到了侧面碰撞车体结构抗撞性的评价参数；文献[9]中通过提取轿车相应部分的惯性特性和刚度特性建立了整车侧面碰撞参数化模型，并针对侧面结构抗撞性进行了刚度参数的优化。此研究主要用于概念设计阶段的轿车侧面结构抗撞性设计；文献[10]中通过调整乘员舱部分构件厚度研究了构件的刚度对乘员损伤的影响等。

综上所述，虽然目前国内外对车身侧面碰撞的研究很多都与刚度有关，但对从乘员舱刚度的优化和车身侧面不同区域刚度的匹配对侧面结构抗撞性能或乘员伤害指标的影响等方面进行的研究较少。本文中将乘员舱侧面被撞区域划分为6个区域，得出各分区刚度的匹配关系和分区刚度与乘员伤害指标的关系。

1 侧面碰撞乘员舱分区刚度的定义

目前，在汽车碰撞安全法规中，不管是强制性的国家法规，还是有着更高要求的NCAP，都只是对作为最终指标的假人伤害指标作了明确规定，而对于车体侧面结构抗撞性并没有提出详细的规定。但车体侵入速度和侵入量与乘员伤害指标有直接的关系，文献[11]中的研究结果表明，肋骨变形量与B柱腰线处的侵入速度可以用线性关系表示，侵入速度每增加1m/s，则肋骨变形量相应增加4.7mm；而侵入量、侵入速度与车身结构不同区域的刚度及其相互之间的匹配直接相关。因此，在进行车体结构抗撞性结构设计时，如果通过不同区域的刚度及其相互之间的匹配关系来评价车体侧面结构抗撞性的改善情况，就显得比较方便。

由于乘员舱各区域在侧面碰撞过程中所起的作用不同，有必要将整车侧面与移动壁障相接触的区域进行分区来研究，如图1所示，将车身侧撞区域划分为6个区域来考虑。

但是，如何评价车体侧面不同区域的刚度及其相互之间的匹配，目前没有相关文献报道。参考文献[12]中的启示，以侧面碰撞过程中乘员舱所承受的侧面压缩力与其压缩变形量的关系曲线(称为刚度曲线)来描述乘员舱分区刚度。图2为分区2的乘员舱刚度曲线，现以它为例对乘员舱分区刚度进行说明。

图2中Fp为乘员舱受到压缩力的最大值；Δp为乘员舱压缩力最大时的变形；F0是为描述乘员舱刚度曲线经过(Fp，Δp)点后的稳定区间所设定的一个值，F0=αFp，α为小于1的比例系数(本文中取α=0.9[10])；Δ0为乘员舱受到的压缩力从Fp降至在曲线最低点之前最后一次到F0时的乘员舱变形；Δp′则为压缩力保持较大值的变形区段，Δp′=Δp-Δ0；Δmax为碰撞过程中乘员舱最大挤压变形；Δend为碰撞结束后乘员舱变形。

2 车身侧围的分区刚度水平

为实现对乘员舱各分区刚度的匹配与优化，有必要先了解乘员舱分区刚度水平和乘员伤害情况。为此建立了包含车身结构、发动机和底盘结构的某自主品牌轿车有限元模型，并按国家相关标准的要求，利用VPG提供的符合ECER95标准的移动变形壁障作为侧面碰撞的撞击车，如图3所示。

2.1 模型验证

按照C-NCAP可变形移动壁障侧面碰撞试验的要求和构建的侧面碰撞有限元模型，提交Ls-dyna计算，并进行分析以验证模型的准确性。图4为轿车撞击侧的试验与仿真对比,计算结果如图5所示。

由图4和图5可知，该车侧撞有限元模型具有较高精度，分析结果可靠，可有效指导侧撞安全设计。

2.2 车身侧围分区刚度水平分析

原车乘员舱分区刚度曲线如图6所示，分区刚度评价参数如表1所示。

FP/NΔp/mmΔp′/mmΔmax/mm分区164962551244626555分区235666610-323016033分区3515817486-175620730分区4204832216954223327分区5122455903-359915869分区6906612952-462421685

由图6和表1可见，对车身侧面刚度贡献大的区域主要为分区4、5和6，而分区1、2和3“相对较弱”，侧面刚度呈现上弱下强的趋势。其中，分区2刚度最弱，容易造成乘员胸部处侵入速度增加。据文献[11]中的换算方法，可得驾驶员的肋骨平均变形量为35.45mm，其C-NCAP评分计算胸部分值为1.31分，说明该轿车侧撞安全性能较差，须进行改进和优化。

3 侧撞分区刚度优化与匹配研究

为达到合理优化分区刚度改善侧面结构抗撞性的目的，采取正交试验法[13-14]对车身的侧面撞击区结构进行优化，并选择车身侧面碰撞主要承载结构，如B柱内外加强板、门槛加强板、前后车门防撞杆、地板横梁及其内部加强板、后地板横梁和车顶横梁等关键构件作为乘员舱分区刚度优化的试验设计对象。

3.1 侧撞安全性能车身评价指标

在正交试验中，须采用试验目标用来衡量试验效果；而在中国新车安全评价程序(C-NCAP)中，假人的胸部评分指标是评价整车侧面结构抗撞性的非常重要的指标。因此本文中以对应假人胸部处的B柱侵入速度和B柱中部侵入量作为正交试验的优化目标，来说明分区刚度的优化对侧面抗撞性的影响。

3.2 设计变量及水平

根据其承受载荷的特点，可将所研究的关键构件分为承受轴向撞击力的构件和承受横向撞击力的构件。其中，受横向撞击力的构件分别为：B柱内外加强板、门槛加强板和前后车门防撞杆。受轴向撞击力构件分别为：地板横梁及内部加强板、后地板横梁和车顶横梁等。考虑到影响侧面碰撞的因素较多，并结合乘员舱构件在碰撞中的受力特点，将主要承受轴向撞击力的车身横梁类构件和主要承受横向撞击力的车身侧围立柱等构件，分组进行优化。这一方面有助于有针对性地研究它们对侧面刚度的贡献，另外也提高正交优化的效率。这些构件分组优化的设计变量如表2所示。

对于每个设计变量取3个水平，其中材料屈服强度的3个水平为152、340和587MPa[15]；构件厚度的3个水平为原板厚和原板厚±0.3mm。根据试验设计变量的数量，分别选择L18(21×37)和L18(37)正交试验安排表。正交试验安排表和试验结果如表3和表4所示。表中v与v′为B柱腰线处侵入速度，i与i′为B柱腰线处侵入量。

表4 受轴向撞击力的构件正交试验表

3.3 试验结果分析

根据表3和表4利用极差分析法来对试验结果数据进行分析和评价，如图7所示。

图7中，yjk为第j(j=a～h或a′～g′)个因素、第k(k=1,2,3)个水平所对应的试验指标和；由yjk的最大值或者最小值可以判断j因素的最优水平，各因素的最优水平组合即最优组合。Rj反映了第j因素水平变动时试验指标的变动幅度。Rj越大，说明该因素对试验指标影响越大，因此也越重要。

表5和表6为受横向撞击力的构件分别选取B柱侵入速度与B柱中部侵入量作为安全性指标得到的正交试验结果。

表5 B柱侵入速度之和正交试验结果 m/s

表6 B柱侵入量之和正交试验结果 mm

由表5可知，在试验范围内的优化方案①为：a2 b3 c3 d3 e3 f3 g1 h2；受横向撞击力的构件对于胸部位置B柱侵入速度影响程度大小排列为：d>b>c>e>f>g>h>a。

由表6可知，在试验范围内的优化方案②为：a2 b3 c3 d3 e3 f3 g3 h2；受横向撞击力的构件影响程度大小排列为：b>d>f>e>a>c>h>g。

表7和表8为受轴向撞击力的构件分别选取B柱侵入速度与B柱中部侵入量作为安全性指标得到的正交试验结果。

表7 B柱侵入速度之和正交试验结果 m/s

表8 B柱侵入量之和正交试验结果 mm

由表7可知，在试验范围内的优化方案③为：a′1 b′3 c′3 d′1 e′2 f′2 g′2;受轴向撞击力构件按影响程度大小排列为：b′>e′>f′>c′>a′>d′>g′。

由表8可知，在试验范围内的优化方案④为：a′3 b′3 c′3 d′3 e′3 f′2 g′3；受轴向撞击力构件按影响程度大小排列为：b′>e′>c′>f′>a′>g′>d′。

优化方案的组合有很多种，综合成本和效果两方面考虑，本文中拟出两种较优且典型的优化方案，其中优化方案1主要关注在低成本的条件下可能的优化效果；优化方案2主要关注得到一个较好的优化效果须付出的成本代价。各方案具体参数如表9所示。

表9 乘员舱优化方案具体参数

3.4 优化结果对比和分区刚度匹配研究

经整车侧面碰撞仿真分析，得到原车和优化方案1、2对应的B柱腰线处侵入速度，B柱上、中、下部位的侵入量如表10所示。

表10 优化前后B柱侵入信息对比

据文献[11]中换算，得到的肋骨评价变形量以及通过C-NCAP评分评估驾驶员的胸部伤害计算方法的分值，如表11所示。

表11 乘员伤害指标换算值

由表10和表11不难看出，通过B柱侵入速度、侵入量和换算后的肋骨变形量对比，经过方案1、2优化后的B柱腰线处侵入速度和B柱侵入量均大幅减少，对应胸部分值均有增加，改善了侧面碰撞中车体的结构抗撞性能，降低了对人体的冲击载荷，并减少了侧面碰撞中假人的损伤。原车和优化方案1、2中侧面结构各分区刚度对比如图8所示。

由图8可以看出，各分区刚度基本满足“增加Fp，减小Δp与Δmax，并兼顾对Δp′的考虑”的改善要求，方案1、2对应的各区刚度均有不同程度的加强，有效提高了车身侧面刚度，尤其侧面最大侵入量Δmax值较原车减幅较大，没有造成乘员舱严重变形。

为便于评价分区刚度相互之间的关系，参考图2，若定义各分区刚度曲线压缩力峰值下的刚度为K分区=Fp/Δp，则图8中各曲线对应的分区刚度如图9所示。

由图9可以得出如下结果。

(1) 各分区刚度明显分为两组，即4区、5区、6区为高刚度水平组；而1区、2区、3区为低刚度水平组。

(2) 对于每一条曲线，它们都呈现中间高、两边低的“山峰”形状；对于高刚度水平组，其“山峰”的高度h1约为120N/mm;对于低刚度水平组，其“山峰”的高度h2约为30N/mm；且两组曲线“峰顶”的刚度值近似存在固定关系，即KAi-KBi≈150N/mm。

(3) 方案1和方案2对侧撞性能的改善体现为各刚度曲线同步上升，表明若要改善车体结构抗撞性以减少乘员损伤，则所采取的结构改进措施应能使刚度曲线同步上升。上升的幅度越高，改善效果越好。

(4) 参考图9再结合表11可进一步推算出“峰顶”刚度K分区2、K分区5与乘员胸部得分的关系，如图10所示。例如，若要使乘员胸部分值达到4分，则相应的分区刚度K分区2、K分区5大小分别约为：89N/mm、240N/mm，对应的整个分区刚度曲线如图11所示。

而要达到这两根曲线的刚度，应加强B柱及加强板、门槛及加强板和地板横梁等构件，并重点加强前车门(车门防撞杆等)对应乘员区域的结构等。再经仿真分析就可知结构加强后各分区刚度是否达到曲线值；若未达到，则继续修改上述构件的厚度或采用高强度钢，直到仿真分析表明达到显示的分区刚度为止。

4 结论

(1) 将乘员舱被撞区域划分为6个分区，采用正交试验方法对乘员舱分区刚度进行优化，得到刚度优化的方案1和方案2。

(2) 整车侧面碰撞区域的刚度明显分为高刚度水平组和低刚度水平组；且各组的刚度曲线均呈“山峰”状，“峰”高分别约为120和30N/mm；两组曲线“峰顶”刚度近似呈150N/mm恒差关系。

(3) 优化方案对侧面结构抗撞性的改善体现为各刚度曲线同步上升，进而演绎出“峰顶”刚度与乘员胸部得分的关系。

(4) 若要改善车体结构抗撞性以减少乘员损伤，则采取的结构改进措施应能使刚度曲线同步上升。上升的幅度越高，改善效果会越好，同时“峰顶”刚度与胸部得分关系曲线可以为相应的结构设计提供指导。

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