基于E-NCAP柱碰撞要求的轿车车身碰撞优化设计

2018-03-02邓华王德山章丽

中国设备工程 2018年2期

邓华，王德山，章丽

（苏州大学机电工程学院，江苏苏州 215000）

目前对侧向柱碰的研究着重集中在车辆对车辆侧向柱碰的分析，车辆对柱状障碍物冲撞的分析较少。侧向柱碰是模仿车辆在失常时横向冲撞在直立硬物上，例如路灯、树木等。这种情形在真实生活中较为多见，对乘客的危害很大。由于树木这类硬物几乎不变形，而车身侧向是车辆构造中最为薄弱的位置。在国外，侧向柱碰是特别被重视的试验项目，2010年E-NCAP规定把侧向柱碰从加分项2分替换为强制项8分。随着安全意识的提高，对车辆安全日益重视，有关侧向柱碰的车辆构造研究也越来越受到重视。因而对柱碰影响较大的组件实行分析很重要。

1 侧向柱碰撞仿真模型

根据E-NCAP侧向柱碰规范要求，实验时把汽车安放置于一辆平板车上，两辆车相对静止不动，主驾驶座位置固定一个EuroSID Ⅱ型假人，用作测试驾驶人位置受损情况，刚性柱半径为127mm，刚性柱顶端到柱碰汽车顶端垂直距离大于95mm，刚性柱底部到汽车门槛底部的垂直距离大于100mm。平板车载着实验汽车以30km/h的速度直接冲击刚性柱，刚性柱轴线与冲撞速度角度构成的平面经过汽车主驾驶座假人头部中间位置，汽车与刚性柱冲撞接触后95ms以内携带实验汽车的平板车不可以与刚性柱以及其他静止障碍物发生冲撞。

本文选用的某车型模型通过了牢靠性和有效性的有限元模型考证。根据E-NCAP规定要求设立刚性柱，并调整汽车的冲撞速度快慢和方位，开始速度运用关键词“INITIAL_VELOCITY”定义，对汽车模型加以Y向负方向8000mm/s的开始速度，定义汽车与刚性柱两者的接触。

2 仿真结果分析

2.1 模型检查

按照能量守恒定律，柱碰总能量在每个能量中间平衡的转化维持不变。经过HyperGraph后分析平台能够得到柱碰仿真过程中的能力转变曲线，如图1所示。曲线图清晰显示各能力曲线平滑，没有发生显著变化，能量转化稳定，总能量不变。柱碰中能量占总能量的比重以及模型质量的提高比如表1所示，各种数据都符合规定，说明了仿真模型的有效性。

图1 汽车侧向柱碰能量曲线

表1 能量信息

2.2 侧向位置变形情况

本实验中主要试验的是汽车碰撞的侧向位置总体损坏状况和门槛梁、B柱、车门、车门防撞杆损坏情况。从实验中能够获得，在汽车侧向碰撞试验中，车辆损坏严重的部位主要分布在刚性柱宽度大小的狭窄区域，整个侧面区域变成“V”型，底板、门槛梁、前排左车门以及车门防撞杆出现了严重侵入扭曲。

2.3 出现侵入量分析

研究分析该汽车侧向碰撞的仿真画面能够得出，车门内板挤压扭曲严重令驾驶人身体的重要部位受到损害，门槛梁位置以及前排底板扭曲令驾驶人骨盆受到损害，因而驾驶人腹部、肋骨、骨盆侵入量作为评估该汽车侧向碰撞性能的主要指标。柱碰中每个测试点的侵入量如表2所示。

表2 车门变形最大侵入量

以门槛上相对的假人r点为核心向上或向下移动210mm作为一系列测试点，每个测试点在部分坐标系下的变形量如表3所示。

表3 门槛测试点Y向最大变形量

3 侧向结构优化

侧向柱碰时车辆侧面构架产生严重变形，与汽车里乘客冲撞致使乘员受伤乃至死亡，车辆在配置保护气囊等安全设施的同时，还必须优化车辆构架的刚度特别是侧面构架的强度。本文着重进行了根据门槛梁组件和车门防撞杆构造强度质量的构造改良与优化设计。

3.1 门槛梁总成优化改良

（1）门槛梁静力学分析。门槛梁弯曲性能不好致使在出现撞击时挤压变形严重，选取门槛梁组件以及侧面局部结构，限制截面区域的全部自由度，开展弯曲性能测试分析，限制模态分析，获得的数据成为下一步拓补改良的参考值。（2）门槛梁总成拓补改良及设计。运用Optistruct组件对门槛梁组件开展拓补改良设计，变量为门槛梁主体与侧面板组成的空间所分离的实体solid模型，目标函数为平均应变量最小，限制为弯曲性能测试下加载点Y向偏移不大于1.2mm，一期模态频率值大于原始模型的1.3倍即112Hz，体积比为0.4。拓补改良效果为，在材质密度较为集中的区域，放置强化板（厚度设置为1.3mm，材质的抗压强度为320MPa），优化了门槛梁组件的截面特性。（3）门槛梁主体改善外形及设计。改善外形重点是对平板构架开展概念设计，找出最优强化筋分布，进而增加构架强度。对门槛梁主体开展改善外形设计，改善变量为门槛梁主体，目标函数为平均应变量最小，限制为弯曲性能测试下加载点的偏移下降18%，一期模态频率值提高18%。改善外形效果为，根据云图和工程经验改良强化筋，深度5mm，角度65°。为了方便门槛梁主体起筋，去除一个门槛梁强化板，另一个强化板缩短。