某车型正面碰撞性能提升

钮嘉颖 黄颖 郭刚 丁玲 陈文

摘 要：本文针对某车型偏置碰中主驾小腿生存空间不足的问题，对前围侵入量的3个关键影响因素进行优化，提出了提高机舱的吸能能力，提高前围的抗变形能力和乘员舱强度的优化思路，通过对B柱加速度曲线、前围侵入量、门框压缩量3个指标进行评估，得出了最佳的优化方案。同时针对乘客安全气囊保护效果较差的问题，对其支撑性、保护范围以及与乘客接触时刻进行优化，搭配减小安全带限力值，来改善乘客胸部压缩量。通过仿真和实车验证，优化效果显著，为后续项目的整车正面碰撞性能提升提供了一种有效的优化思路。

关键词：正面耐撞性；胸部压缩量；约束系统优化

中图分类号：U467.1+4 文献标识码：A 文章编号：1005-2550（2019）01-0082-09

Abstract： In this paper， for the problem of insufficient drivers tibia living space of the 64ODB in a certain type of vehicle， the three key influencing factors of the front walls intrusion are optimized， and the optimization of the energy absorption capacity of the cabin， the anti-deformation ability and passenger compartment strength is improved. The optimization effect is evaluated by the three indexes of the acceleration curve of the B-pillar， the intrusion of the front wall and the compression of the door frame， and the best optimization scheme is obtained. At the same time， in order to solve the problem of poor passenger airbag protection， the support， protection range and contact time with passengers are optimized， and the seat belt limit force value is reduced to improve the chest compression of the passenger. Through simulation and crash test verification， the optimization effect is remarkable， which provides an effective optimization idea for the improvement of the frontal collision performance of the whole project.

Key Words： frontal crashworthiness； chest compression； restraint system optimization

1 前言

某车型开发中，为达成C-NCAP四星碰撞目标，制定正碰前排假人得分目标15.1，偏置碰前排假人目标14.2。仿真优化阶段发现，正碰和偏置碰得分均无法达成既定目标，具体分析得分率，发现正碰和偏置碰中，乘客侧胸部得分偏低，偏置碰中主驾侧小腿得分偏低，导致整车得分偏低。

因为乘客胸部压缩量主要受到车身加速度和约束系统保护效果的影响，正碰和偏置碰中車身加速度均小于40g，满足性能目标。而通过仿真动画发现，如图1乘客胸部与仪表之间几乎没有气囊进行缓冲，约束系统对胸部的保护效果较差，是导致乘客胸部得分偏低的主要原因，需要优化约束系统性能参数。

同时主驾小腿力主要受到其生存空间的影响，而偏置碰中前围关键点侵入量较大，如图2最大达到226mm>190mm，不满足性能目标，致使小腿处没有足够的生存空间，是导致主驾小腿得分偏低的主要原因，需要优化车身耐撞性。

2 车身耐撞性优化

2.1 优化方案

影响前围侵入量的主要因素有前围的吸能大小、前围的抗变形能力以及周边支撑的强度[1]。所以，在碰撞能量一定的前提下，为了减小前围侵入量，主要从以下3个方面进行改善：1.提高机舱的吸能能力，2.提高前围的抗变形能力，3.提高乘员舱强度。

根据力传递路径，提出优化机舱吸能能力的方案如下：①增加吸能盒、前纵梁截面尺寸，②前托架前部增加吸能结构，③提高吸能盒、前纵梁材料强度，增加shotgun外板料厚。同时④通过优化前纵梁根部与前围搭接处传力结构，和前围加强板增加过渡特征，提高前围抵抗变形能力[2]，⑤通过A柱加强板采用热成型，提高乘员舱强度，具体方案如下：

2.2 正面偏置碰优化结果对比

为了更好地评估优化效果，针对2.1中提出的3个优化方案，进行40%正面偏置碰撞仿真，使用B柱加速度曲线、前围侵入量、门框压缩量[3]3个指标评估，在保证优化前围侵入量的前提下，尽量优化加速度波形和门框压缩量，具体仿真结果如下图3-图14：

2.3 优化方案选择

根据2.2所述仿真结果可知：

1.与原状态相比，优化方案的左、右侧加速度波形和趋势一致，峰值基本相当；

2.与原状态相比，优化方案的前围侵入变形一致，侵入量均不同程度地减小，特别是方案3，优化效果良好；

3. 与原状态相比，优化方案的门框变形趋势一致，压缩量均不同程度地减小，特别是方案3，优化效果良好。

综上，优化方案1、2略优于原状态，优化方案3改善效果较为明显，前围侵入量、门框压缩量减小约25%～30%，优化效果良好，建议选择优化方案3。

2.4 正面100%刚性碰撞性能验证

针对优化方案3，验证100%刚性正碰的性能，使用B柱加速度曲线、前围侵入量、门框压缩量3个指标评估，具体仿真结果如下图15-22：

在100%刚性正碰中，优化方案3的前围侵入量更小，加速度峰值和门框变形量与原状态相当，综合来说对100%刚性正碰性能略有优化。

3 约束系统优化

乘客胸部主要受到安全带和乘客安全气囊的共同作用，但是受到仪表板型面影响，气囊布置角度较为水平，囊袋展开形态不佳，保护范围不足，仅保护乘客的头颈部，乘客胸部与仪表之间几乎没有囊袋缓冲，则需要使用限力值较大的安全带，以保证乘客不会前移太多而失去生存空间撞击仪表板等环境件，从而导致乘客胸部压缩量较大[4]。所以，需要优化乘客安全气囊对胸部的保护效果，并且减小安全带限力值，以优化乘客胸部压缩量。

良好的气囊保护效果是指气囊在合适的时刻展开与乘客接触，保护范围覆盖乘客头颈胸，同时囊袋具有合适的软硬度和支撑性，保证既能缓冲乘客的前冲使其不会击穿气囊撞上仪表，同时也不会给乘客很大的作用力导致较大的胸部压缩量。

通过分析得出，影响乘客安全气囊保护效果的参数如图23所示，发生器压力曲线影响囊袋内压，排气孔大小、数量以及囊袋材料特性影响泄气速率，3个参数共同影响气囊的支撑性和软硬度；囊袋体积影响展开大小，袋型、有无拉带影响展开形态，3个参数共同影响气囊的保护范围，囊袋折叠方式影响充满时刻，与发生器点火时刻共同影响气囊与乘客的接触时刻。

为了优化气囊保护效果，必须优化3大影响因素，根据经验各选取其中1个常用优化参数来实现，最终确定优化排气孔直径、调整袋型和点火时刻[5]。综上，形成优化矩阵如下。

如表6和如图24-27所示，通过对乘客安全气囊排气孔直径、袋型以及点火时刻的改善，优化后气囊对乘员胸部起到了良好的支撑和缓冲效果。同时减小安全带限力值后，乘客胸部压缩量显著降低，其中方案2的效果最好。

4 仿真结果

采用3.3中选定的约束系统优化方案，搭载2.3中选定的整车优化方案，进行带约束系统的整车碰撞仿真，结果如下：

从仿真结果中可以看出，该车型的正面碰撞性能得到了有效的提升，优化后胸部压缩量明显减小，正碰压缩量由29.9mm减至24.5mm，偏置碰压缩量由30.7mm减至23.1mm，偏置碰小腿压缩力也明显减小，由4.02KN减至2.4KN，均已接近高性能限值。

5 实车验证

将已进行仿真验证的方案，搭载进行实车碰撞试验，图34-39为乘客胸部压缩量和主驾小腿力的响应曲线与实车试验曲线对比；针对C-NCAP 的评分规则，伤害指标的对比结果见表7，分值目标的达成情况见表8。

从图34-39，表7和表8中可以得出，试验曲线与仿真曲线的趋势基本一致，实车试验中假人伤害值的峰值出现时刻与仿真计算结果大致相同，而且伤害指标的误差均在10%以内，试验验证了仿真模型的有效性，以及所得结论的正确性。

从表8中可以看出，通过胸部和腿部的优化，伤害指标显著下降，正碰和偏置碰的得分均超过目标，整车碰撞性能得到了有效的提升。

6 总结

某车型正面碰撞仿真中，正碰和偏置碰得分均不满足目标，正碰和偏置碰中，乘客假人胸部得分较低，偏置碰中主驾假人小腿得分较低，需要优化。同时经过分析发现，乘客侧约束系统保护效果较差以及偏置碰前围侵入量较大，是导致失分的主要原因。

前围的吸能大小、前围的抗变形能力以及周边支撑的强度是影响前围侵入量的主要因素，通过纵梁截面加大、增加前托架吸能结构、纵梁材料增强、前围加强、A柱加强板热成型等措施[6]，有效提高車体的正面耐撞性能：在偏置碰仿真中，前围侵入量、门框压缩量减小约25%～30%，加速度峰值基本不变，在正碰仿真中，前围侵入量略有优化，加速度峰值和门框变形量基本不变。

乘客胸部主要受到安全带和乘客安全气囊的共同作用，乘客安全气囊保护效果受到其支撑性、保护范围以及与乘客接触时刻的影响，同时发生器压力、排气孔大小、气袋材料、体积、袋型、折叠方式、拉带及点火时刻等是优化保护效果的常用参数，本文选择对乘客安全气囊袋型、排气孔直径以及点火时刻进行改善，优化后的气囊对乘客胸部起到了良好的支撑和缓冲，搭配减小安全带限力值，显著提升了约束系统对胸部的保护性能。

最后通过仿真计算可知，该车型的正面碰撞性能得到了有效的提升，优化后胸部压缩量明显减小，正碰压缩量由29.9mm减至24.5mm，偏置碰压缩量由30.7mm减至23.1mm，偏置碰小腿压缩力也明显减小，由4.02KN减至2.4KN，均已接近高性能限值。同时通过实车碰撞结果验证了仿真模型的有效性及结论的正确性：通过胸部和腿部的优化，伤害指标显著下降，正碰和偏置碰的得分均超过目标，整车正面碰撞性能有效提升。

参考文献：

[1]马铁柱.某车正面碰撞车身安全性能研究[D].吉林大学，2012.

[2]钱国强，管立君，林高泽，等.某车型正面碰撞车身结构安全性能优化[C]// 2010中国汽车工程学会年会论文集.2010.

[3]王庆才，李华香，史建鹏.乘用车正面碰撞性能优化仿真研究[J].汽车科技，2011（3）：24-26.

[4]王恒，王星磊，黄颖，等.某车型正面碰撞胸部性能提升及DAB支撑性影响因素研究[J]. 汽车科技， 2017（1）：79-83.

[5]贾艳丽.某车正面碰撞乘员侧约束系统仿真及优化[D].辽宁工业大学，2014.

[6]隋军，赵天丽，宋叶红，等.某车型正面碰撞车身结构优化[J].汽车工程师，2013（3）：31-3.