微型客车侧碰安全性与B柱厚度影响关系研究*

莫易敏 雷志丹 王 骏 徐 芳 吕俊成

(武汉理工大学机电学院1) 武汉 430070) (上汽通用五菱汽车股份有限公司2) 柳州 545007)

微型客车侧碰安全性与B柱厚度影响关系研究*

莫易敏1)雷志丹1)王 骏1)徐 芳1)吕俊成2)

(武汉理工大学机电学院1)武汉 430070) (上汽通用五菱汽车股份有限公司2)柳州 545007)

以某微型客车为研究对象，综合考虑结构轻量化要求，分析了B柱厚度对汽车侧碰安全性的影响规律.通过对B柱变形理论进行分析，确定B柱厚度为主要研究因素.利用Hypermesh和Ls-dyna建立仿真分析模型，研究了侧碰安全性与B柱厚度之间的影响关系.结果表明，B柱厚度的选取对汽车侧面耐撞性和吸能特性的影响较大，随着B柱厚度的增加，汽车侧面耐撞性能明显提高；当厚度增加到一定程度后，侧面耐撞性能出现下降趋势.综合考虑轻量化要求，提出了B柱厚度优化改进方案.

微型客车；侧面碰撞；吸能特性；B柱厚度；仿真分析

0 引 言

汽车在道路上侧面碰撞事故的发生概率仅次于正面碰撞，且由汽车发生侧碰事故而造成乘员重伤和死亡的概率多达25%.侧碰事故分为车-车碰撞和车-柱碰撞，且乘员伤亡事故中有43%～55%是由车对车碰撞造成的[1].据相关数据显示，在交通事故伤亡人数中，由于侧面碰撞事故造成的伤亡人数比例高达42.4%[2].虽然近年来国内外学者进行了大量的侧面碰撞方面的仿真分析研究，但是主要是针对轿车、大型客车等的研究，对于微型客车侧碰状况的分析研究却不多.微型客车有着和轿车等其他车型不一样的结构和布置特点，因此对微型客车进行侧面碰撞的分析研究具有重要意义[3].

汽车B柱是汽车发生侧面碰撞过程中的关键吸能部件之一，因此研究B柱参数对侧碰事故中乘员的损伤程度有十分重要的意义.B柱厚度是B柱的重要参数之一，合理的B柱厚度的选取有助于改善侧碰过程中B柱的耐撞性和吸能特性.侧碰过程中，承受碰撞的碰撞部位一般是被撞的车门或者立柱，乘员距离车辆侧面的距离较近，不能装置太多的吸能装置，因此，对于车辆来说其理想的侧面碰撞特性是车门和立柱能尽可能的吸收更多的能量，从而保证在侧碰过程中不会发生太大的变形，以减少乘员的损伤[4].车门和立柱的结构多是薄壁结构，如B柱、门槛梁，其变形模式为三点弯曲变形.在考虑汽车B柱对其侧碰性能的影响时，应考虑B柱在碰撞过程中产生的变形模式、变形程度和侵入速度等因素.因此，研究薄壁梁的三点弯曲变形所得到的结论对汽车B柱耐撞性设计具有指导意义[5].

1 B柱变形的简化模式分析

1.1 B柱的结构和性能分析

B柱位于汽车的前门与后门之间，是汽车侧面碰撞过程中的主要承载部件之一，其侵入速度和侵入量直接影响乘员的生存问题.B柱的实物图见图1a)，图1b)是B柱的结构分析图，包括B柱的内板，加强板及外板，同时可以看到B柱加强板的搭接方式.在文中的研究过程中将B柱简化为薄壁梁结构来研究其耐撞性能.由图1可知，B柱的零件在结构上成形深度较大、截面变化比较复杂，同时，B柱在设计过程中不仅要满足碰撞过程中的耐撞性的要求，还需满足轻量化的要求.

图1 B柱的三维模型结构图

1.2 MDB碰撞变形仿真分析

移动变形壁障，又称MDB(mobile deformable barrier)，图2为某微型客车在侧碰过程中随时间变形的时序图，分别表示仿真时间为10，30，55以及90 ms的车体变形.10 ms左右移动壁障与车身发生碰撞，20～55 ms的时间内，车身发生剧烈变形并向内凹陷，55 ms左右变形达到最大值，随后出现回弹现象，车体变形量有些许减小，最后随时间的推移达到稳定状态.由整车变形图可以看出，碰撞过程中侵入的位置主要位于B柱的中部，对应于人体的胸部，所以对B柱中部位置的研究也十分必要.

图2 侧碰仿真时序图

1.3 B柱的变形理论分析

在侧碰发生过程中由于发生的具体情况和车型的不同，B柱的变形模式也不相同.B柱有3种变形模式最为典型，其简化形式见图3.由图3可知，a变形模式是上部和下部的变形小，中部的变形大，而中部在现实情况中大约对应人体胸部的位置；b变形模式是上部和中部的变形很小，下部的变形较大,下部在实际状况中大约对应人体的骨盆的位置；c变形模式是上部和中部的变形很小，下部变形较大，且变形过程将导致车体上部和中部整体向车内发生变形[6].分析这3种变形模式，虽然在侧面碰撞过程中3种不同的模式都会对乘客造成伤害，但是侵入部位的不同会引起乘员不同部位的损伤.在实际情况中，相对于人体的胸部和头部而言，腹部的承受外界损伤的能力较强，因此，在不可避免的情况之下，应尽量将对应于人体头部和胸部所受的伤害变形转移到腹部，胸部所受的伤害变形转移到腹部，提高乘员的生存希望.对比上述3种变形模式，可以得知模式c对乘员的生存是最好的.模式c可以将B柱在侧碰过程中产生的变形转移到B柱的下部，可以有效的避免人体头部和胸部的重伤.

图3 典型的3种变形模式

图4为某公司微型客车在发生侧面碰撞后B柱的变形图，对比图3可知，该微型汽车的B柱受力之后的变形主要集中于中部，属于图3中的模式a.该模式对于乘员的胸部的威胁最大[7]，因此在文中的研究过程中选择B柱的中点处即胸部对应处为下压点进行分析和研究.

图4 B柱变形后的结构示意图

在侧碰过程中，B柱在Y方向的侵入量最大.研究B柱变形模式时，可将其简化为薄壁梁结构进行分析.由材料力学中的梁的弯曲变形公式

(1)

EIZ=yh2/12

(2)

式中：1/ρ为曲率；M为梁的弯矩；EIZ为梁的弯曲刚度.

由式(1)可知，随着梁的弯曲刚度EIZ的增大，梁的弯曲变形减小.由式(2)可知，梁的弯曲刚度EIZ的值的大小随着梁的Y向值y的值的增大而增大，因此，可以通过改变B柱的厚度来分析如何通过厚度来增加B柱的抗变形能力.

2 B柱的厚度优化设计研究

2.1 B柱的简化模型

经过过前面的分析可以得知，该车的仿真模型表明该车的侧面碰撞安全性需要进一步提高.从目前对汽车B柱耐撞研究中可以发现，仿真过程中多采用的是两端固定和两端简支.但是事实证明，采用两端固定的约束方式时轴向力对于B柱模型的影响过大，而采用两端简支的约束方式时不能很好的模拟真实B柱上端被约束的实际情况，这2种约束方式不能很好的模拟真实汽车B柱碰撞过程中的弯曲变形情况.故文中采取的约束方式是一端采用简支梁支撑，一端采用铰支撑.图5为根据分析后选取的约束方式而设计的试验现场.该约束方式可以较好的模拟真实B柱在碰撞过程中的约束和变形情况.其中，冲击锤头速度为1 m/s，下压点为中点，加载距离为180 mm，计算时间为182 ms.

图5 根据设计约束方式设置的试验现场

为了方便仿真分析研究，在不影响结果的前提下将B柱进行简化，图6a)为简化梁的截面尺寸示意图，该示意图为B柱中间位置的截面；图6b)为B柱简化为薄壁梁之后的有限元模型.模型的材料采用冷轧碳素结构钢，表1给出了材料的基本属性.

图6 B柱简化薄壁梁结构模型

文中通过改变B柱加强板的厚度来增加B柱的耐撞性能.B柱中加强板的原始厚度为1.0mm，在原始的数值的基础上依次改变0.1 mm，分别取为0.8,0.9,1.1和1.2 mm 4组数值，分别对其进行仿真和计算分析，除加强板外的其它板的厚度不变.

表1 梯形截面梁材料基本参数

2.2 仿真结果及分析

2.2.1 耐撞性分析

采用Hypermesh进行薄壁梁的三点弯曲试验仿真的前处理，用LS-DYNA作显示求解，Hyperview和Hypergraph进行相关的后处理.整个梁结构采用Shell四节点壳单元进行网格划分.由图6可知，得到不同厚度时的加载力随时间的变化图.在厚度减少时，加载力的值也随之减少；在厚度增加时，加载力的值也随之增加，在厚度增加0.1 mm时和厚度增加0.2 mm时得到的加载力曲线靠的比较近.表2给出了各种不同厚度的加载力的峰值大小.由表2可知，厚度减少时，加载力的峰值大小也随之减小；厚度增加时，加载力的峰值明显增加，在峰值大小上，1.2 mm的峰值最大，1.1 mm的与之相差比较小.分析可得，随着厚度的增加，B柱的承载能力提高，厚度1.1 mm和1.2 mm的承受加载力的能力比较接近.

表2 不同B柱厚度对应的实验结果

在整个仿真实验的过程中B柱所吸收的总能量可由载荷-位移曲线得到

求载荷-位移积分曲线的可以转换为求载荷-时间积分曲线，即能量.利用Hypermesh软件进行仿真，可得加载力曲线和侧撞过程中的吸能曲线，见图7～8.

图7 加载力曲线

图8 侧撞过程中的吸能曲线

由图8可知，厚度为0.8 mm和0.9 mm时吸能曲线基本重合，吸能的大小比1.0 mm的时候小，说明厚度的减小使B柱的吸能变差；厚度增加时，吸能效果明显变好，且厚度为1.1 mm时的吸能效果最好.

通过以上的仿真分析结果可以得出，B柱的耐撞性和厚度有比较大的关系.在厚度减小时，B柱的耐撞性能明显变差；在厚度增加时，B柱的耐撞性能增加，但不是厚度越大其耐撞性能越好.通过对不同厚度时的B柱的承载能力和吸能特性的比较可以看出，厚度为1.1 mm时其耐撞性要优于1.2 mm，耐撞性更好.

2.2.2 轻量化分析

总吸能反应了B柱在碰撞过程中所吸收的总能量的多少，但是还不能从根本上反应一个纵梁碰撞特性的好坏，因为实际生产中要考虑的因素很多，比如，成本、质量、轻量化等.比吸能则可以对比分析不同材料和结构在吸能方面的效率.一般来说，其值越高越好.比吸能的值越大，说明其越满足轻量化的要求.

比吸能(specific energy absorption，SEA)是指结构单位质量下所吸收能量的多少.可以表示为

式中：m为构件的质量.

分别计算5个不同厚度B柱结构的比吸能，其值见表2.由表2可知，在厚度减少时，比吸能明显减小；厚度增加时，比吸能的值增加，但不是厚度越大，比吸能越大.厚度为1.1 mm时的比吸能大于厚度为1.2 mm时的比吸能，说明厚度1.1 mm的更加满足轻量化的要求.

3 结 束 语

经过对某微型客车发生侧面碰撞后变形形式分析后可以得出，B柱的厚度对其耐撞性和吸能特性有较大影响.利用Hypermesh仿真后的结果表明，B柱的厚度减少时，其加载力的峰值、总吸能以及单位质量的吸能都减小，虽然随着厚度的减小其质量减少，更符合轻量化的要求，但其耐撞性变差，这对碰撞是十分不利的；随着厚度增加，加载力的峰值、总吸能以及单位质量的吸能也有所增加，但不是呈单调递增的关系，厚度为1.1 mm的B柱的侧碰安全性优于1.2 mm.同时，由于车辆还需满足轻量化的要求，所以板厚的增加是有限度的.文中的研究工作对微型汽车侧面碰撞安全性的研究有较大的指导意义，在B柱厚度的选取过程中，必须根据具体实际的应用要求，综合考虑B柱的耐撞安全性，选取最合适的B柱厚度结构.

[1]TYLKO S, GERMAN A, DALMOTAS D, et al. Bussieres improving side impact protection: response of ES2-re and WorldSID in a proposed harmonised pole test[J].IRCOBI, Madrid, Spain,2006(1):213-224.

[2]沈明宇.侧面碰撞事故中的乘员伤害分析[J].汽车与安全，2009(7)：61-65.

[3]林智桂,吕俊成,罗覃月,等.面向侧面柱撞的微型客车耐撞性研究[J].中国机械工程，2016(1):129-134.

[4]张芳芳.基于B柱的汽车侧面碰撞特性及乘员保护措施的研究[D].武汉：武汉理工大学,2013.

[5]廖兴涛.基于代理模型的汽车碰撞安全性仿真优化研究[D].长沙：湖南大学,2006.

[6]GUO Q, YANG J, ZHANG B. A study on protecting of the far side occupants based on road traffic accident reconstruction[C].Proceedings of the 2012 Third International Conference on Digital Manufacturing & Automation,IEEE Computer Society,2012(1):140-143.

[7]KALU U, JIAPING W U, SUKBHIR B, et al. Door interior trim safety enhancement strategies for the SID-IIs dummy[J]. Sae Transactions,2005,114:26-33.

Study on the Relationship between the Side Impact Safety of Mini Bus and the Thickness of B Column

MO Yimin1)LEI Zhidan1)WANG Jun1)XU Fang1)LYU Juncheng2)

(WuhanUniversityofTechnology,SchoolofMechanicalandElectricEngineering,Wuhan430070,China)1)(SGMW,Liuzhou545000,China)2)

Taking a mini bus as the research object and considering the requirement of lightweight structure, this paper analyzes the influence rule of the thickness of B column on the side impact safety of automobile. By analyzing the deformation theory of B column, B column thickness is considered as the main research factor. The simulation analysis model is established by Hypermesh and Ls-dyna, and the relationship between the side impact safety and the thickness of B column is studied. Results show that the thickness of B column has a great impact on side impact resistance and energy absorption characteristics of the automobile. With the increase of the thickness of the B column, the automobile side impact performance improves significantly. However, when the thickness increases to a certain degree, the side impact resistance has a trend of declining. Considering the requirement of lightweight, the improvement scheme of B column thickness is put forward.

mini bus; side impact; energy absorption characteristics; B column thickness; simulation analysis

2016-12-15

*校企合作基金项目资助

U463.38

10.3963/j.issn.2095-3844.2017.01.010

莫易敏(1960—)：男，博士，教授,主要研究领域为摩擦学，表面工程，机电一体化