某A级车基于2018CNCAP侧面碰撞性能改进

刘盼+夏汤忠+谢佑清+李径亮+陈道林

摘 要：根据2018CNCAP草案及2012CNCAP，进行某A级车侧面碰撞性能的对比分析，通过侧面结构的侵入量、侵入速度的对比分析，明确该车型2018CNCAP侧碰性能水平。并结合CAE分析及试验结果，进行相关性分析，在相关性良好的整车模型基础上，开展基于侧面结构及材料的优化设计，确保乘员生存空间及乘员舱侵入速度满足项目要求。

关键词：2018CNCAP；AEMDB；侧面碰撞； 对标； 结构改进

中图分类号：U467.1+4 文献标识码：A 文章编号：1005-2550（2017）01-0065-05

The Performance Improvement of Sidecrash of one A Class

Based on 2018 CNCAP

LIU Pan， XIA Tang-zhong， XIE You-qing， LI Jing-liang，CHEN Dao-lin

（Dongfeng Peugeot Citroen Automobile Company LTD， Wuhan430056， China ）

Abstract： The side crash performance of the A class car is comparatively analyzed according to the 2018CNCAP draft and 2012CNCAP. The status of the side crash performance under 2018 CNCAP is gotten by comparing the intrusion deformation and velocity. Also correlation is done combined CAE and test results. The model with good correlation is set as the base， the structure and the material of the side parts are optimized， in order to ensure the living space and the intrusion velocity required by the project.

Key Words： 2018CNCAP； AEMDB； Side Crash； Correlation； Structure Improvement

刘 盼

毕业于同济大学，硕士研究生学历，现任神龙汽车有限公司工程师，主要研究方向为车身结构与碰撞安全性。

1 引言

汽车侧面碰撞发生在车体中强度薄弱的部位，碰撞发生时缓冲区域小，没有足够的变形空间来吸收碰撞能量[1-3]，乘员舱过大的侵入是造成乘员伤害的主要原因，所以抗侧面碰撞设计必须以减小乘员舱侵入、维持乘员生存空间为重点。同时车门与乘员接触时的动量越大，在撞击乘员过程中其动量的变化率越大，因此对乘员胸部和骨盆的撞击力也越大。此时，乘员的侧向加速度也会越大，这又会加重对乘员胸部、头部和颈部的伤害。因此，为了减轻侧碰过程中假人的伤害，应当减小侧面结构对乘员舱的侵入速度。

据天津汽研中心的统计数据，中国采用MDB进行车辆侧面碰撞性能考核，CNCAP侧面碰撞的平均得分率97.1%，平均得分17.5分。在这种情况下，中国政府希望提高整车侧面碰撞性能，在中国2018 CNCAP拟引入AEMDB大壁障进行侧面碰撞试验。相比2012 MDB，可变形壁障空间尺寸、蜂窝铝材料刚度、壁障重量、壁障距地面线高度均进行了调整。

本文基于一款A级短轴距、低地板车型开展2012CNCAP和2018CNCAP侧碰性能的对比分析，以侧面结构的侵入量及侵入速度为研究重點。根据对比分析结果，明确原型车在新的CNCAP规则下的性能水平，并根据整车及各总成的变形模式、侵入速度、力流传递分布，在项目边界及QCDP限制条件下进行原型车结构及材料优化， 在B柱等关键区域引入高强度钢的应用，如采用B柱热成型加强板等措施，来提升车身结构侧碰性能。

2 2018CNCAP对侧面碰撞性能影响

2.1 2018CNCAP侧面试验边界变化

2018CNCAP拟引入基于ENCAP的可变形壁障AEMDB。壁障的重量、尺寸、离地高度、相对车身的碰撞中心点相对2012CNCAP均发生较大变化。表1对比分析关键参数的变化情况：

2.2 研究车型壁障空间位置对比

从图1、图2不同侧碰壁障空间位置的对比可以看出：2018 AEMDB的碰撞中心后移，使车身B柱承担了更多的冲击载荷和能量，同时也使C柱区域车身结构抗侧撞性能的要求提高。

壁障撞击点的位置提高，使得壁障与门槛梁重叠率变小，而且开发车型为车身姿态较低的三厢轿车，所以门槛不直接承受AE-MDB移动壁障的冲击。门槛主要承受来自中立柱的力和弯矩，为了达成车体目标，需要控制门槛的折弯量与翻转角度。

2.3 对车身结构性能的影响

1） 对中立柱、车门侵入速度对假人伤害的影响：

中立柱在对应假人胸部位置的侵入速度是影响肋骨变形量和背板力的一个重要指标，中立柱的侵入速度等于车体的平移速度加上中立柱自身的相对侵入速度。侧面碰撞过程中，移动壁障与碰撞车发生动量交换，最终在某个时点以相同速度移动，该过程近似于满足动量守恒定理。设m为移动壁障质量，M 为试验车质量，V0 为移动壁障初始速度，V1 为壁障与试验车的共同速度，按M=1330kg，根据动量守恒定理，移动变形壁障质量的增加，导致碰撞后台车与试验车辆的共同速度也会增加，从下表可以看出V1 增加22%。

mv0=（M+m）V1 （1）

其中：

m -- 移动壁障质量；

M --试验车质量；

v0 --试验初速度；

V1--试验车与壁障的共同速度

表2 由动量定理计算整车平移速度

变形的车体通过内饰与约束系统（车门饰板、侧气囊和气帘等）推动假人，使假人与内饰与约束系统之间产生力的传递和动量交换而使假人伤害值相对2012增加。

2） 车体侵入量对假人生存空间的影响：

AE-MDB相比CNCAP 2012版壁障，因壁障增重导致初始动能增大，同时壁障刚度提升，在车体强度等同的情况下，AE-MDB引起的车体侵入变形量会更大，假人的生存空间更小，而使假人的伤害指标更加严重

3 2012MDB与2018AEMDB碰撞仿真分析结果对比

3.1 侧碰变形模式对比

对两种壁障下的碰撞变形模式进行对比分析，可以看到2018 CNCAP下车身B柱侵入量增加明显，B柱根部与门槛反转严重，C柱区域的变形增量明显，顶盖中横梁变形增加。B柱侵入量平均增加27%，C柱区域根部对应假人臀部区域变形增加200%。

从车门变形对比图可以看出，采用2018大壁障进行侧碰计算分析，车门侵入量较2012增量较大。B柱、车门侵入量的增加会导致假人胸部、腹部的伤害增加，假人得分降低。

3.2 碰撞侵入速度对比

对B柱、前车门、后车门相对假人胸部、腹部、臀部的关键点的侵入速度进行对比分析，2018 CNCAP侧碰侵入速度显著提高，前排假人胸部及腹部入侵速度平均提高近30%，后排假人臀部的入侵速度增加27%。根据行业对侵入速度的要求，目前2018 规程下的入侵速度无法满足项目对侧碰性能要求。从乘员保护角度，减小B柱、车门侵入速度是该款车型亟待解决的问题。

4 2018 AEMDB 计算分析与试验相关性分析

4.1 变形模式

对侧面碰撞后的整车的整体变形模式进行仿真与试验的对比分析，对侧面关键区域包括门槛、车门、C柱及顶盖变形位置及变形模式进行对照，见图7，整体变形模式相关性良好。

试验过后，对试验车进行逐步拆解来检查车体主要部分结构的变形模式，通过与有限元对标模型计算仿真结果的变形模式比较，可以更加清晰的体现出有限元对标模型仿真分析计算所得出的车体结构变形模式与试验是否保持一致。从图8车身B柱变形模式有限元仿真与试验的比较，可以看出B柱上及B根部的变形模式二者具有良好的一致性

4.3 碰撞侧B柱速度、加速度相关性

在试验及仿真分析中，通常在车身B柱根部及假人关键部位对应区域设置加速度计，其中B柱根部的加速度近同于整个车体的加速度，常作为衡量整车特性的一个重要指标。B柱中部的加速度计对应假人腹部或胸部的位置，常作为衡量在侧碰中对假人伤害的指标。本文针对B柱根部加速度及B柱中部速度进行相关性分析。从曲线整体趋势及峰值看，试验与仿真有良好的相关性。

5 结构优化建议及方案

5.1 结构优化建议

由于车身侧面碰撞时允许的变形空间小，因此，车身侧面结构的碰撞安全性设计原则是：提高侧面结构的抗撞击强度，减小碰撞凹陷变形，保证座舱的完整性及生存空间[4-5]。针对大壁障下的侧面性能的改进，可以从碰撞载荷力流传递的角度进行优化分析：

1） 合理设计座舱的梁框架结构，将侧向撞击力有效地转移到车身结构上具有承载能力的梁、柱、门槛、地板、车顶及其他构件上

2） 加强车门强度，如设置车门横向防撞加强梁，通过优化防撞梁的位置确保碰撞载荷有效地传递到铰链柱及C柱；同时要优化车门铰链及门锁设计，使车门抗撞梁与车身结合为一体。

3） 因大壁障的抬高，壁障撞击点提高导致侧碰中门槛失稳变形。针对该问题首先解决门槛翻转问题，通过优化B柱下接头的设计，将碰撞载荷有效地传递到门槛梁，为达到项目对侧面性能的要求，必须推进B柱热成型材料的应用，推进高强度钢板在车身的应用；

4） 加强地板中部的地板通道，提高车身抗弯强度；

5） 加强顶盖中横梁及顶盖弧形梁的抗弯强度，确保碰撞载荷在Y向的有效传递，

6） 提高C柱区域抗弯截面。

5.2 结构优化迭代

根据侧面碰撞理论、载荷路径及该车的项目边界，通过多次优化迭代对比分析，分别从下面几个方面进行改进：

1） B柱结构的加强

B柱作为主要的抗侧碰结构，提高其抗弯矩强度主要靠提高各截面惯性矩和相关材料的强度来达成。如何优化截面特性需要根据中立柱变形模式（折弯点在高度方向上的位置、各关键区域的侵入量和侵入速度）来展开优化设计。从有利改善伤害值的角度看，中立柱在下端折弯为佳，如果在上、中部，会严重影响假人头、胸部关键区域的伤害值得分。

因此本优化方案在断面大小已经固定的边界条件下，更改了原B柱加强板材料以及结构尺寸和形状，在大幅提升各截面惯性矩的同时，将结构强度性能进行了大幅提升。

2） 优化车门防撞杆的结构、材料及安装点高度

车门防撞杆在侧碰过程中主要限制车门的侵入量和侵入速度。一般要布置在移动壁障突出的塊所接触的区域，要有足够的弯矩和强度来抵抗侵入变形。

因此本优化方案结合B柱加强方案，对原车型车门防撞杆结构、材料及安装点高度进行了优化，提升了车门区域的侵入量和侵入速度碰撞性能。

3） 加强座椅横梁

地板座椅横梁，在侧碰变形过程中给门槛梁提供侧向的支撑，同时抑制门槛结构的翻转。

因此本优化方案结合B柱加强方案，对原车型座椅横梁结构、材料及安装点位置进行了优化，提升B柱、车门区域的侵入量和侵入速度碰撞性能。

4） 顶盖中横梁

顶盖中横梁不直接承受移动壁障冲击，主要承受中立柱传递的力和弯矩，并给中立柱上端有效的支撑并将力传递到非碰撞侧的车身结构。

为了获得良好的B柱变形形态，本优化本优化方案结合B柱加强方案，对原顶盖中横梁采用高强钢并增加料厚的简单方式进行结构性能优化来控制B柱上端的变形。

通过以上各优化改进设计，使车身B柱变形模式相对合理， B柱根部翻转问题得到解决，车门及B柱侵入量大幅减小，侵入速度满足项目要求的目标。

6 总结

1） 本文通过对2012CNCAP与2018 CNCAP的计算、实验对比分析，获得了在2018 CNCAP的规则下，某A级车的侧面碰撞性能水平及风险点。

2） 通过对相同边界条件下的整车侧碰CAE及试验结果进行相关性分析，来提高仿真分析模型的可信度，为优化改进方案的确认提供可靠的保障。

3） 根据侧面碰撞理论、载荷路径及该车的项目边界，通过多次优化迭代对比分析，给出可行的改进方案，并取得较好效果。

4） 已经开展的分析工作是在不考虑约束系统的前提下，对车体开展优化改进。下一步需要开展带约束系统的整车碰撞性能分析工作。

参考文献：

[1]黄世霖， 张金换， 王晓东等. 汽车碰撞与安全[M]. 北京：清华大学出版社， 2000，68-70.

[2]王大志， 汤晓东， 李碧浩等.基于C-NCAP的轿车侧面碰撞仿真及安全性能改进方案， 2008 中国汽车安全技术年会， 2008， 210-214.

[3]肖杰， 雷雨成， 朱西产等， 汽车侧面安全性的优化设计，设计﹒计算﹒研究， 2007第12期.

[4] 王玉国， 潘红， 沈海东， CNCAP侧面碰撞性能改进策略研究， 重型汽车， 2008.5.

[5] 邵秀辉， 朱西产， 马志雄， 车身结构耐撞性的概念设计仿真方法研究， 轻型汽车技术， 2009（9）.