某轿车侧碰性能的有限元分析与试验研究

李洪力，赵官，韩阳，王璐璐，姬园

（海马轿车有限公司，郑州 450016）

某轿车侧碰性能的有限元分析与试验研究

李洪力，赵官，韩阳，王璐璐，姬园

（海马轿车有限公司，郑州 450016）

本文以某纯电动轿车为研究对象，对其进行有限元分析，并利用整车碰撞试验对有限元模型进行验证。进一步，利用有限元应力云图的分布特征，对整车结构进行优化。有限元分析结果表明：在侧碰过程中，车体变形模式基本合理；电池箱顶部靠近中央通道与座椅横梁搭接以及电池箱靠近B柱底部处发生挤压变形，等效塑性应变值最大为0.024，未对电池造成较大威胁；在B柱中部区域绝对侵入速度为6.8m/s，最大相对侵入量为98.5mm，满足设计相关指标要求。通过有限元分析和试验两种方法对比发现，碰撞后的有限元模型和试验车具有相似的变形模式。从而验证了仿真分析的准确性。如果想进一步提高整车的侧碰性能，可以结合应力云图，对车身结构继续优化。

碰撞；有限元；侵入量；应力云图

李洪力

毕业于太原理工大学材料科学与工程学院，硕士学位，现任海马轿车有限公司电动汽车事业部车身研发工程师，主要研究方向新能源汽车车身及开闭件设计，已发表论文《限制模压变形法对6061铝合金组织和性能的影响》等6篇。

随着汽车工业的发展，人们对汽车碰撞安全性的要求越来越高。汽车碰撞安全性，尤其是碰撞的安全性是作为汽车安全性能的一个重要方面，受到人们的高度重视。汽车碰撞性能的提高，有助于降低安全事故造成的经济损失，使乘客和驾驶员的生命安全得到保障。城市道路交叉路口，混合交通现象严重，造成汽车侧面碰撞的事故发生率最高。从2000 年中华人民共和国道路交通事故统计资料显示：正面碰撞事故12.852 万次，占交通事故的20.83%，侧面碰撞事故21.2292万次，占34.41%，超过了正面碰撞13.58%［1］。侧面碰撞是我国发生频次较高的交通事故。由此可见，提高汽车侧面碰撞性能，具有重大意义。

本人利用某纯电动轿车建立有限元模型，进行有限元分析，得到侧碰仿真能量曲线、车身侧面结构的应力云图、电池箱的应力云图及B柱各测点侵入量及侵入速度图。并利用实车侧碰试验进行了验证。利用有限元分析和试验两种方法验证车身的安全性能，对车身结构耐撞性的设计具有重要意义。如果需要进一步提高整车的侧碰性能，可以结合有限元分析，对整车进行优化［2］。

1　试验方法

1.1整车有限元模型的建立

本文以某纯电动轿车为研究对象，建立有限元模型，并对整车的侧碰性能进行有限元分析。在有限元模型中，需要考虑到纯电动轿车的特殊性，即侧碰使用的整车为安装电池箱后的整车。整车有限元的信息如下表1所示：

表1　整车信息表

从侧围材料示意图1可以看出，此车型纵梁、门槛梁、B柱及其加强板等结构件采用高强钢B410LA及B280VK，良好的材料性能保证了车身的强度。从电池箱框架材料示意图2可以看出，电池箱框架采用高强钢HC340/590DP，保证了电池箱的强度。最终建立的有限元碰撞模型如图3所示：

1.2碰撞试验方法

实车侧撞试验依据GB 20071-2006用牵引装置将移动壁障加速至50Km/h±1Km/h进行碰撞车身左侧，车辆驾驶员位置放置ES-Ⅱ假人。试验主要通过传感器检测假人的伤害值，要求试验过程中车门不得开启，前门的锁止系统不得发生锁止，试验后不使用工具，能打开足够数量的门，同时将假人从约束系统解脱，并完好地取出假人［3］。碰撞前的试验车如下图4所示：

2　整车碰撞有限元分析

2.1仿真能量曲线

总体能量响应曲线是评估车身碰撞性能的指标，如图5所示，碰撞前后总能量为9.26e7，基本维持恒定，沙漏能和滑移界面能很小，最大值也不超过总能量的5%。

由此说明，有限元分析的过程中，网格的建立、模型的匹配及各种求解的设置都是合理的，所建立的有限元模型是可靠和有效的。从图中还可以看出，各能量曲线过渡平滑，趋势正常，满足分析要求。模型的动能和内能构成合理，呈现出“此消彼长”的趋势，说明从能量转换角度来说，模型的总能量基本不变，在碰撞的过程的，模型的内容在增加、动能在减小，碰撞的过程是动能转化成内能的过程［4-5］。

2.2车身侧面结构变形图

从碰撞后的有限元模型图6及侧围应力云图7可以看出，整体变形模式达到预期要求，车体侧面结构变形合理；B柱和门槛梁变形合理，未发生明显弯折变形。由于前后门、B柱、门槛及地板横梁是承受侧碰的主体，整体结构及材料匹配相对合理，传力路径对侧碰壁障冲击力的分解到位［6］。B柱、门槛变形合理，地板横梁组成的框架没有发生明显变形，有效的保护驾驶员舱内空间。

2.3电池箱变形图

从对电动汽车来说，电池的安全是汽车安全的一个重要方面。电动汽车的特点要求我们在侧碰的时候，要事先考虑侧碰对电池箱的影响。为了保证了电池箱的强度，电池箱框架采用高强钢HC340/590DP。从电池箱应力云图8可以看出，侧面碰撞中，电池箱顶部靠近中央通道与座椅横梁搭接以及电池箱靠近B柱底部处发生挤压变形，等效塑性应变最大为0.024，碰撞过程未对电池造成较大威胁。

2.4B柱各输出点侵入速度

B柱的强度决定B柱的变形模式，从而造成碰撞时B柱各部位的侵入量和侵入速度不同。对于整车来说，汽车发生侧面碰撞时乘员的损伤程度受到B柱变形的影响。B 柱过硬或过软都会对乘员产生不利的影响。因为B 柱过硬，能量不能通过车身和变形移动壁来很好地吸收，能量迅速转移到乘员身上，对乘员造成伤害； 相反，B 柱过软，碰撞时B 柱变形过大，对车内乘员造成更大的伤害。所以合理的侵入量和侵入速度能有效的保护乘员，从而有效改善侧面碰撞性能。

选取B柱7个典型点研究B柱各区域侵入量和侵入速度的变化规律，如典型点的侵入速度图9及典型点的侵入量图10所示，测量点1为B柱上测点；测量点2为B柱中上测点；3、4为B柱中测点；5、6为B柱中下测点；7为B柱下测点。从图中所示：在测量点1（B柱上测点）侵入速度为6.9，侵入量为32.5mm，受到侧围上横梁的约束，侵入量较小。在测量点4（B柱中测点）侵入速度为6.8，侵入量为98.5mm，离约束点较远，B柱变形严重，侵入量较大。在测量点7（B柱下测点）侵入速度为6.2，侵入量为34.2mm，受到侧围下横梁的约束，侵入量较小。总的来说，B柱各输出点侵入量最大值均小于100mm，侵入速度均小于7.5m/s，满足国家标准；测量点4区域为侵入量最大的区域，从点4的位移图像可以看出，在（0-0.065）s内，随着碰撞的进行，侵入量增大，并达到最大值98.5mm，在（0.065-0.12）s是后碰撞阶段，由于车身结构的回弹，侵入量减小，并在76.3mm的时候达到稳定。说明本车型具有合理的侵入量和侵入速度。

表2　典型点的侵入速度和侵入量

3　有限元与试验结果对比

从碰撞后有限元分析的模型（图5）及碰撞后的实车（图11）所示，可以看出，有限元分析和试验的结构都呈现出前后门变形，车体侧面结构变形合理；B柱和门槛梁变形合理，未发生明显弯折变形等相似的特征，说明有限元方法和试验方法的具有较好的一致性。因此，可以基于此有限元模型进行相关的仿真及优化。

4　利用位移云图能优化车身结构

从试验结果来看，该车满足国家关于侧碰的相关要求，为了进一步提高侧碰能力，可以进一步对部分区域进行优化。从车身侧面结构变形图看出，碰撞后侧围与前围搭接处、B柱下部、侧围与后轮罩外板搭接处及门槛梁处应力较大，可以对此处进行优化设计，从电池箱变形图可以看出，电池箱靠近B柱底部处发生挤压变形，等效塑性应变最大为0.024，可以对此处进行优化设计［7］。

5　结论

（1）碰撞前后总能量为9.26e7，基本维持恒定，沙漏能和滑移界面能很小，最大值也不超过总能量的5%，说明，有限元分析的过程中，网格的建立、模型的匹配及各种求解的设置都是合理的，所建立的有限元模型是可靠和有效的。

（2）对选取B柱相关典型点进行分析，中下部相对应假人骨盘区域为侵入量最大的区域，最大侵入量为98.5mm。从位移-时间图像可以看出在（0-0.065）s内，随着碰撞的进行，侵入量增大，并达到最大值98.5mm，在（0.065-0.12）s是后碰撞阶段，由于车身结构的回弹，侵入量减小，并在76.3mm的时候达到稳定。说明本车型具有合理的侵入量和侵入速度。

（3）侧面碰撞中，电池箱顶部靠近中央通道与座椅横梁侧面碰撞中，电池箱顶部靠近中央通道与座椅横梁搭接以及电池箱近B柱底部处发生挤压变形，等效塑性应变最大为0.024，碰撞过程未对电池箱造成较大威胁。

（4）有限元分析碰撞后模型和试验碰撞后的样车可以看出，有限元分析和试验的结构都呈现出前后门变形，车体侧面结构变形合理；B柱和门槛梁变形合理，未发生明显弯折变形等相似的特征，说明有限元方法和试验方法的具有较好的一致性，可以基于此模型进行相关的结构优化。

［1］中华人民共和国道路交通事故统计资料汇编（2000）.北京： 公安部交通管理局，2000.

［2］苏成谦.吕振华.张群.Su Chengqian.Lü Zhenhua.Zhang Qun 轿车车身结构侧向耐撞性的有限元分析［J］--汽车工程2007，29（11）.

［3］邹俊.桂良进.范子杰.Zou Jun.Gui Liangjin.Fan Zijie燃料电池城市客车侧面碰撞有限元分析［J］--汽车技术2009（4）.

［4］K. Watanabe， M. Tachhibana. Vehicle side structure concept using ultra high strength steel and rollforming technology［J］. SAE Paper，2006（ 1 ） ： 1403.

［5］Tylko1 S， Germanl A， Dalmotas D， et al. Improving side impact rotection：Response of the ES - 2RE and worldsid in a proposed harmonized pole test［ C］. IRCOBI conference paper. Madrid， 2006. 213 - 224 .

［6］吴毅.朱平.张宇.SUV车侧面碰撞安全性仿真研究［J］-机械制造 2006（07）.

［7］LIN C H . Modeling and simulat ion of van f or side impact sensingtests ［ C ］/ /T he 20th Internat ional Technical Conf erence on the Enhanced Saf et y of Vehicles Proceedings. Lyon， France： 2007： 8-21.

专家推荐

陈涛：

文章对电动汽车侧面碰撞安全性进行了分析，结果显示该车满足碰撞法规要求。文章采用的分析方法正确，评价合理。

Modal Finite-element Analysis and Testing of a Certain Body-in-White

LI Hong-li， ZHAO Guan， HAN Yang ， WANG Lu-lu， Ji Yuan
（Haima Automobile Group Co.，Ltd， Zhengzhou 450016， China）

The electric vehicles was investigated.Finite element analysis was used get the model of collision and tested by experimentation.Furthermore，Using stress map optimize the structure of vehicle.The finite element analysis results show：the deformation is reasonable in the collision process.The battery box near the central channel and seat beam were squeezed and the maximum equivalent plastic strain is 0.024.This plastic strain was not a significant threat to the battery box.The maximal speed of invasion of B column is 6.8m/s and the inbreak quantity is 98.5mm which is the maximum value of the B column. The result ofcollision characteristics between the finite element analysis and experimental findings were similar.The result of the experiment proves the correctness of the established model.Stress map can further improve the vehicle side collision performance and Optimize the structure of vehicle.

Collision； The finite element analysis； The inbreak quantity； Stress map

U467.13

A

1005-2550（2015）04-0025-05

10.3969/j.issn.1005-2550.2015.04.006

2015-03-20