汽车偏置碰撞中前防撞梁结构优化

孙会伟 张向超 刘志法 辛勇 杨哲

（海马汽车有限公司）

目前，国外汽车正面碰撞试验法规中对正面碰撞的评价方法分为全宽碰撞试验和40%偏置碰撞试验2种[1]。根据事故车辆不同碰撞重叠率的乘员伤亡分布情况可知，重叠率为30%～40%的事故中乘员严重受伤率最高，而40%偏置碰撞试验能够较精确地模拟该重叠率的交通事故[2]。因此进行汽车40%偏置碰撞安全性的相关研究，对提高整车的碰撞安全性有重要的意义。40%偏置碰撞研究的重点是汽车车身结构刚度的设计是否能有效实现纵向阶梯变化，减少驾驶室的变形量。汽车前机舱结构的整体刚度匹配对偏置碰撞影响较完全正碰更为显著，而且单纯加大板厚或者增加加强板会导致汽车质量的大量增加[3]。文章通过有限元方法对2种不同防撞梁结构进行对比，分析2种防撞梁的吸能变形模式以及分析吸能盒的应变大小，从而可以进一步优化防撞梁的耐撞和吸能性能，提高吸能盒撞击力的均匀性，最终确定防撞梁的结构形式。

1 碰撞性结构分析

1.1 吸能理论

整车与可变形壁障接触时，车身前部缓冲吸能区发生挤压变形吸能，并通过前纵梁和轮罩加强件等部件向后传递，在车体A柱和乘员舱底部纵梁等部件处发生吸能变形。碰撞能量按各部分吸能区域进行划分[4-5]，可表示为：

式中：E0——初始动能，J；

E1，E2，E3——可变形壁障、前部结构及乘员舱的变形能，J；

m——汽车质量，kg；

v0——初始速度，m/s；

Δxi（i=1，2，3）——可变形壁障挤压变形、前部吸能结构平均挤压变形、乘员舱平均挤压变形，m；

Ki（i=1，2，3）——可变形壁障、前部吸能结构及乘员舱的等效纵向刚度，N/m。

文章主要通过优化前防撞梁的结构，改进前防撞梁的吸能变形模式，改善前围板侵入量，从而保证乘员有足够的生存空间。

1.2 碰撞性结构分析

通过碰撞性结构分析，结合该款车的结构特点，40%偏置碰撞性设计应包含一个刚度较大的乘员舱和设计合理的许可变形区域。汽车前部耐撞结构和前纵梁结构设计示意图，如图1所示。当发生偏置碰撞时，通过刚度较大的乘员舱设计，确保乘员舱的完整性；通过许可变形区的压缩变形吸收能量，并产生平缓的碰撞加速度；通过许可变形区内主要承载结构的变形控制，来控制汽车的整体变形[6]。

图1 汽车40%偏置碰撞耐撞性结构设计示意图

2 偏置碰撞有限元模型的建立

2.1 有限元模型信息

偏置碰撞仿真有限元模型前处理在HyperMesh中完成，利用LS_DYNA进行碰撞仿真求解。40%偏置碰撞有限元模型，如图2所示。

图2 汽车40%偏置碰撞有限元模型图

2.2 偏置碰撞边界条件设置

按照Euro-NCAP的试验要求，壁障距离地面高度为200 mm，偏置碰撞试验车碰撞速度为64 km/h，可变形壁障与汽车重叠率为40%，碰撞计算时间为150 ms，试验车与可变形壁障保持一直线，可变形壁障右侧表面偏移汽车中心线约10%的汽车宽度，如图3所示。

图3 汽车40%偏置碰撞中汽车与壁障位置关系图

3 偏置碰撞仿真结果分析

3.1 2种防撞梁结构对比

优化前结构为防撞梁本体与吸能盒之间是CO2焊接，优化后状态为防撞梁本体与吸能盒之间增加一个吸能盒前挡板，防撞梁本体与吸能盒前挡板采用螺栓连接，吸能盒前挡板与吸能盒之间采用CO2焊接。防撞梁优化前后结构对比，如图4所示。

图4 汽车偏置碰撞防撞梁优化前后结构对比

3.2 偏置碰撞右侧吸能盒整体应变结果对比

偏置碰撞右侧吸能盒应变结果对比，如图5所示。从图5可以看出，优化前状态的右侧吸能盒存在应变大于20%（零件撕裂极限点）的区域，存在较大的撕裂风险，而优化后状态的右侧吸能盒的应变只有10%，风险较小。

图5 汽车偏置碰撞右侧吸能盒优化前后整体应变模型图

3.3 优化前防撞梁40%偏置碰撞吸能盒变形结果

优化前防撞梁40%偏置碰撞吸能盒变形结果，如图6所示。从图6可以看出，左侧吸能盒变形严重，焊缝周围应变较大，有失效风险；右侧吸能盒变形较小，但焊缝周围应变普遍大于20%，且主要受力为剪切力，整体失效风险较大。

图6 汽车偏置碰撞防撞梁吸能盒优化前变形模型图

3.4 优化后防撞梁偏置碰撞吸能盒及前挡板变形结果

优化后防撞梁40%偏置碰撞吸能盒变形结果，如图7所示。从图7可以看出，左侧吸能盒变形严重，但焊缝处受剪切力很小，失效风险不大；右侧吸能盒变形较小，焊缝处有少量单元应变大于20%，但整体失效风险不大。

图7 汽车偏置碰撞防撞梁吸能盒优化后变形模型图

优化后防撞梁40%偏置碰撞吸能盒前挡板变形结果，如图8所示。从图8可以看出，左隔板螺栓孔周围应变小于20%，无失效风险；右隔板螺栓孔周围应变小于20%，无失效风险。

图8 汽车偏置碰撞防撞梁吸能盒前挡板优化后应变模型图

3.5 偏置碰撞车体加速度和前围板侵入量结果对比

优化前后左侧B柱加速度时间响应曲线，如图9所示。

图9 汽车偏置碰撞防撞梁左侧B柱加速度时间响应曲线

从图9可以看出，防撞梁优化前状态的B柱左侧加速度峰值大幅增加，时间点靠后，同时前围板整体侵入量也增加到160.1 mm，超过了目标值，对乘员保护极为不利。

3.6 仿真分析结果对比

1）吸能盒和吸能盒前挡板的应变对比情况为：防撞梁优化前状态存在应变大于20%的区域，存在较大的撕裂风险，而优化后状态的应变只有10%，风险较小；

2）车体加速度和前围板侵入量对比结果为：防撞梁优化前状态的B柱左侧加速度峰值大幅增加，且时间点靠后，同时前围板整体侵入量也增加到160.1 mm，超过了目标值，对乘员保护极为不利；

3）前防撞梁和左侧吸能盒压溃变形稳定性分析：防撞梁本体与吸能盒之间采用螺栓连接的方式，在防撞梁折弯变形过程中会使防撞梁和吸能盒间有一定程度的缓冲过程，将明显降低对吸能盒或安装板的拉力和剪切力，所以优化后的吸能盒传力更为均匀、可靠，溃缩变形充分，对前纵梁的溃缩和折弯变形有利；

4）优化后防撞梁结构的各项指标优于优化前，所以在车身开发过程中应考虑采用新状态防撞梁结构。

4 结论

前防撞梁是保证汽车碰撞安全性的关键零部件，当前防撞梁强度不足或吸能变形不合理时，会影响整车的碰撞性能，且不利于后期约束系统的匹配。通过40%偏置碰撞安全仿真分析，对防撞梁进行结构优化设计，防撞梁本体与吸能盒之间增加隔板后的结构会使吸能盒的应变不超过20%，大大减少了在偏置碰撞过程中出现零件撕裂的风险；且新结构能够使乘员舱侵入量得到明显改善，这样可以为车内乘员提供一个更加安全舒适的环境，在一定程度上提高了该款车在偏置碰撞过程中的安全性能。

文章建立的整车有限元仿真模型未包含假人模型，未对人体伤害值进行比较分析，后续可以开展这方面的相关分析，同时新结构会加大零部件的采购成本，这也是在后续防撞梁开发过程中需要考虑的因素之一。