某款SUV 小重叠偏置碰撞结构耐撞性研究

2020-04-07徐作文贾新建洪求才颜先华

汽车工程学报 2020年1期

徐作文，贾新建，洪求才，颜先华

（众泰汽车工程研究院，杭州 310016）

2017 年末，全国民用汽车保有量24 028 万辆，发生交通事故212 846 起，共造成63 093 人死亡，带来直接经济损失121 000 万元[1]。

相关研究表明，正面碰撞发生频次在交通事故中最高，其中致死率最高的正面碰撞为小重叠偏置碰撞（碰撞时车和障碍物的重叠率不大于30%），约占所有正面碰撞致死事故的25%。

2012 年，美国公路安全保险协会（Insurance Institute for Highway Safety，IIHS）发布正面25%小重叠偏置碰撞评级测试规范。同年，该组织公布了11款车型的测试结果，其中两款车获得“差”评级，仅有两款车获得“好”评级。在评价规程的推动下，近年来国外主机厂和研究机构越来越重视对小重叠偏置碰撞的研发，研究了车身和悬架系统的设计对小重叠偏置碰撞的影响，并多用于实车开发中[2-4]，相关性能表现提升明显。截至2018 年底，有30 款车和27 款车分别获得IIHS 2019 TOP SAFETY PICK+和IIHS TOP SAFETY PICK 评级称号[5]。

国内最近几年对小重叠偏置碰撞的研究逐渐增多，多采用CAE 仿真模型进行研究[6]，在实际车型开发中应用还相对较少[7]。

本文针对某SUV 在试验中获得“较差”评价，通过理论、有限元和试验相结合的方式对该车型进行改进，研究结果用于提升该车型的性能。

1 小重叠偏置碰撞机理

IIHS 研究表明乘员舱结构完整性对整体等级的评价起着决定作用[8]，本文重点探讨结构耐撞性的机理以及研究改进工作。

1.1 理论分析

1.1.1 载荷传递

在小重叠偏置碰撞中，由于车辆与刚性碰撞壁障的重叠量小，碰撞接触位置在机舱纵梁的外侧，碰撞过程中的吸能盒与前纵梁难以产生轴向压溃，不能充分吸收碰撞能量。碰撞的载荷有两条传递路径，如图1 所示：（1）shotgun-A 柱传递路径。（2）前轮胎-A 柱以及前围板-门槛传递路径。

1.1.2 能量传递

碰撞发生后，车辆的前舱、乘员舱以及底盘会发生变形从而吸收能量，同时车辆还会继续运动，能量传递公式为[9]：

式中：E0、v0、m分别为车辆的初始动能、初始速度和质量；E1、E2、E3分别为前舱变形、乘员舱变形和底盘变形所吸收的能量；v1为碰撞后车辆的残余速度。

1.2 实车碰撞情况

1.2.1 变形情况

某款SUV 在做小重叠偏置碰撞试验时，左侧轮胎失效脱落，左前侧变形严重，门框有所变形，整体情况如图2 所示。

图2 车辆整体变形

就局部变形而言，左侧前车门微微拱起，A 柱明显折弯；A 柱上边梁位置出现折弯；A 柱下部和门槛被明显压溃。

图3 车辆局部变形

原理分析：试验过程中，前纵梁基本未参与碰撞变形，左侧前纵梁与前轮罩连接件脱落；左侧shotgun（前轮罩上边梁/前指梁）部位压溃，具体如图4 所示。

图4 主要传力路径变形情况

小重叠偏置碰撞试验中，因为撞击的力度非常大，底盘中的不少部件自身与其它件之间发生连接失效：左侧轮胎发生脱落，轮毂有部分破裂，左侧前轮转向节与悬架安装位置处断裂，如图5a 所示；传动半轴脱落，如图5b 所示；转向横拉杆断裂，如图5c 所示；副车架下摆臂与转向节脱落，如图5d 所示。

图5 底盘主要失效区域

1.2.2 结构评级

根据IIHS 规程，对监测点进行测量，所得结果见表1。

表1 侵入量分析结果 cm

根据表1 绘制侵入量评级图，如图6 所示，乘员舱下部评级结果为一般（M），乘员舱上部评级结果为较差（P），车辆结构评级为较差（P）。

图6 初始试验乘员舱侵入量等级评定

2 有限元模型建立与标定

2.1 建立有限元模型

根据IIHS 规程的碰撞分析工况，建立有限元分析模型。本文采用Hypermesh 软件建立整车碰撞分析模型，如图7 所示。该模型由某SUV 模型、刚性壁障以及刚性地面组成。整车质量为1 542 kg，模型的单元数为2 143 748 个，节点数为2 203 357 个。

通常，在小重叠碰撞过程中，底盘零件在巨大的冲击载荷作用下，会发生大变形和断裂，各零件连接会在冲击力的作用下发生脱落，如图8 所示。中为3 向主应力。

图7 25%小重叠偏置碰撞仿真分析模型

图8 底盘失效形式

整车带动车轮与刚性壁障发生直接碰撞接触，在壁障的正向冲击作用下，轮毂受到向后的撞击力，并与A 柱和门槛梁前端等零件发生碰撞，轮毂受到强大的挤压力而发生剧烈形变。轮胎受到的碰撞力传递到下摆臂上时，下摆臂受到沿车身运动方向相反的碰撞力，在碰撞过程中发生大变形的弯折甚至是断裂。

在小重叠偏置碰撞中，针对底盘和车身结构中的零件断裂和失效，在计算模型中设置材料和连接位置力失效。

材料失效模型采用最大塑性应变失效，单元等效塑性应变失效准则，采用V-M 失效准则，式（2）

当定义平均等效塑性应变达到某临界值时，该单元会因失去承载能力而被破坏，该临界值称为单元失效塑性应变（EPPF），如图9 所示。

图9 主应力方向

在材料模型中设置EPPF 值，在计算中当单元的应变值达到该设置值时，相应的单元被删除，并释放周围相关节点的自由度，以模拟裂纹的扩展从而实现材料的失效。材料模型设置如图10 所示。

图10 材料模型设置

在小重叠偏置碰撞中，针对底盘和车身结构中的零件断裂和失效，在计算模型中设置材料和连接位置的失效，设置失效的点如图11 和表2 所示。

图11 底盘失效位置

表2 底盘失效设置

2.2 模型标定

2.2.1 变形

从仿真和试验结果图片来看，车辆的整体变形比较一致，具体如图12 和图13 所示。

图12 50 ms 整体变形

图13 100 ms 整体变形

仿真与试验中的A 柱、上边梁和前侧门框的碰撞变形位置基本一致，局部变形模式相同，如图14 ～16 所示。

图14 A 柱局部变形

图15 上边梁变形

图16 前侧门框变形

2.2.2 侵入量

碰撞测量点如图17 所示，该车没有驻车制动踏板结构，所以测点未测量。

车体结构测点变形结果见表3，可以看出仿真值与试验结果趋势基本一致。

图17 碰撞测量点

表3 试验和分析侵入量结果 cm

图18为试验和仿真侵入量等级评价，由图可知，仿真与试验值整体变化趋势一致，绝大部分测点值均在同一评价区间中。由于塑料件建模细化程度及材料力学特性原因，上仪表板与左下仪表板差异略大，但在同一评价等级，可以接受。

图18 试验和仿真侵入量等级评价

综上所述，仿真和试验的结果比较吻合，仿真分析模型具备较高的可信度。

3 分析与改进

3.1 数学模型

根据能量守恒定律，碰撞过程中车辆的初始速度转化为汽车前舱、乘员舱以及底盘等通过变形所吸收的能量和车辆的残余动能，式（1）中的头三项可以表达为：

第四项为：

式中：vx，vy分别为碰撞后x与y方向的残余速度；k1、k2和k3分别为车辆前舱、乘员舱以及底盘的纵向等效刚度；ΔS1为前舱吸收部件轴向变形量；ΔS2为乘员舱吸收部件轴向变形量；ΔS3为底盘吸收部件等效轴向变形量。

根据IIHS 的研究表明，乘员舱的侵入较大是造成IIHS 评级较差的主要原因[10]。因此，要最大限度保证乘员舱不变形是设计改进的主要方向。要考虑增大前舱变形量、底盘变形量，载荷尽可能被两者吸收，同时产生侧向位移和侧向加速度。

3.2 原因分析

根据小重叠偏置碰撞的特点和传力路径，将车身结构从前到后分为3 个碰撞区域：碰撞区域1（Zone1），前保险杠区域，从前防撞梁到shotgun前端；碰撞区域2（Zone2），发动机舱区域，从shotgun 前端到前挡板；碰撞区域3（Zone3），乘员舱区域，A 柱之后的区域。具体分布和碰撞变形如图19 所示。

图19 小重叠偏置碰撞区域划分和变形

根据划分的不同碰撞区域，小重叠偏置碰撞过程可以分为以下3 个阶段：

第1 阶段：汽车通过Zone1，前保险杠与刚性壁障接触，刚性壁障几乎没有受到来自整车结构的阻挡，只是接触到保险杠的一小段，所以这个阶段产生的碰撞力也很小，几乎可以忽略不计。

第2 阶段：汽车通过Zone2，刚性壁障受到了来自shotgun、水箱上边梁等零件的阻挡，但是在整车传递路径布置的过程中，shotgun 传力很小；刚性壁障和轮胎接触，轮胎逐渐发生变形、向后移动和偏转，在此过程中又和A 柱下部、门槛等接触，将载荷传递给乘员舱。

第3 阶段：汽车通过Zone1 和Zone2 以后，随着轮胎的变形、偏转甚至脱落，刚性壁障以较大的碰撞速度撞向门槛梁与A 柱，乘员舱受到很大的冲击载荷，因此这段区域的碰撞载荷力很大，造成乘员舱严重变形，汽车在碰撞载荷力作用下，发生很大的侧向旋转。

针对小重叠偏置碰撞的结构策略，需要对Zone1、Zone2 和Zone3 三个碰撞区域综合考虑。考虑到结构的轻量化和经济性，小重叠碰撞的结构改进主要针对前纵梁外侧区域（Zone1 和Zone2），同时兼顾考虑对乘员舱区域（Zone3）进行强化设计或改进，从而达到提升整车小重叠偏置碰撞性能的目的。

3.3 改进策略和方案

总体思路：一是增加导向作用，使车辆在碰撞接触后尽可能弹开shotgun-ring（前轮罩上边梁-环+牛角结构）；二是底盘载荷不要传递至门槛和A 柱，在碰撞过程中轮胎要尽可能脱落；三是保持乘员舱的刚度和强度[11]。

3.3.1 结构设计策略一

构建侧向位移导向结构，尽可能减少侧向残余位移，减少车身与壁障的接触面积，降低车身受到的载荷。具体措施有两点：（1）增加副吸能盒，增加能量吸收，防止内侧变形，增加向外侧的传力通道。（2）增加前防撞梁长度，扩大前防撞的覆盖区域，使碰撞过程中的壁障与前防撞梁直接接触。

基于结构设计策略一，提出改进方案1：新增前纵梁左侧加强盒零件，内部包含1 根拉结圆管件，具体如图20 和表4 所示。

图20 改进方案示意图

表4 具体改进方案

3.3.2 结构设计策略二

尽量避免shotgun 出现悬臂结构，延长shotgun使其成为一条与前纵梁并行的载荷传递路径，把shotgun 和前纵梁构建成一个封闭路径的环状结构。

具体措施：延长shotgun 长度，使其与前纵梁前端搭接，尽量避免出现悬臂结构；提升shotgun的结构强度，对shotgun 和上边梁进行弧形设计，使shotgun 沿车身纵向的起伏较小，碰撞中更易于稳定压溃；副车架的外八字设计能够传递小重叠偏置碰撞中的碰撞力，增加碰撞能量吸收。

改进方案2：去掉原有前大灯横梁外板，新增新前大灯横梁内外板零件，在前轮罩上边梁内外板的前端新增前轮罩上边梁延伸件内外板，如图21所示。

图21 shotgun 改进方案

3.3.3 结构设计策略三

提高门环结构的整体强度，减少乘员舱在碰撞过程中的变形。

改进方案3：将A 柱上加强板，以及A 柱、门槛梁和B 柱零件更改为热成形零件，如图22 所示。

图22 改进零件示意图

4 改进效果评估

4.1 车体变形

上述的结构设计策略一、二、三分别对应方案1 ～3，设计策略二和三的组合方案称为方案4，设计策略一和三的组合方案称为方案5。

在基础车对标模型的基础上，分别针对方案1 ～5 进行仿真计算，计算结果见表5。

表5 改进方案效果对比 cm

根据5 个方案的仿真分析结果可知，方案5 增加纵梁侧向引导结构与乘员舱热成型材料应用组合，车身结构评级乘员舱下部为优秀，乘员舱上部为良好，综合评级达到良好。方案5 评定等级如图23 所示。

5 试验方案验证

综合考虑成本、工艺、结构改进等多种影响因素，并结合各改进方案的改进效果，最终选定改进方案5 作为该车型的改进方案。

图23 改进方案5 评定等级

针对方案5 进行改进方案的试验样车试制，并对试验样车进行试验验证。试验过程中，发动机罩折弯，轮胎基本脱落，轮毂破裂，如图24 所示。

图24 车辆整体变形图

试验后A 柱变形较小，A 柱上边梁无折弯，门槛变形较小，与改进前相比改善非常大，有效提升了乘员保护能力，如图25 所示。

图 25 改进后实车局部变形图

试验后车辆结构侵入量测量点的数值见表6。试验后车辆结构评定等级如图26 所示，由图可知，乘员舱下部和乘员舱上部的评级结果均为良好，试验中未出现搁脚空间压溃导致假人脚部被卡、铰链柱完全撕裂等情况，车辆结构最终评级为良好。

6 结论

在对小重叠偏置碰撞载荷传递的理论分析基础上，采用CAE 和试验相结合的方法对某SUV 进行小重叠偏置碰撞的仿真分析并提出优化方案，车体结构评级由“较差”升至“合格”，通过试验验证了优化方案可以满足设计要求。通过系统研究得出以下结论：（1）纵梁左侧增加侧向引导结构件，有利于车体碰撞时侧向滑动，减少车身受到的载荷。（2）加强并延长shotgun 结构，使shotgun 结构能够提前介入碰撞力的传递，从而有效吸收能量并提供碰撞过程侧向支撑，减少乘员舱的受载冲击。（3）对于A 柱、B 柱、A 柱上边梁和门槛等构成乘员舱框架结构的主要零部件，均采用热成形材料，以保证乘员舱结构的完整性。