车辆正面碰撞中乘员舱结构耐撞性研究

刘翔　刘俊杰　罗方赞

摘 要：从安全角度考虑乘员舱是乘客的生命舱。利用HperWorks软件建立乘员舱正面碰撞仿真模型，依据乘员舱内部三维空间压缩量、左侧门框变形量、B柱加速度三个指标，分析乘员舱在正面碰撞中的耐撞性能。结果表明：在正面碰撞中，乘员舱在X轴方向、Y轴方向、Z轴方向最大压缩量分别是233.66mm、49.67mm和222.61mm，三维空间压缩量在允许范围内，但在X轴、Y轴方向仍有优化空间。从左侧门框变形量、B柱加速度变化曲线分析，乘员舱的耐撞性能也符合C-NCAP的要求。关键词：乘员舱;仿真模型;正面碰撞;耐撞性能中图分类号：U467  文献标识码：A  文章编号：1671-7988（2020）08-166-04

Abstract： From a safety point of view， the passenger cabin is the passenger's life cabin. The frontal collision simulation model of the passenger cabin was established by using the HyperWorks software， and the crash worthiness of the passenger cabin during a frontal collision was analyzed based on the three-dimensional compression in the passenger cabin， deformation of left door frame， and the acceleration of the B-pillar. The results show that： in frontal collision， the maximum compression of the passenger compartment in the X-axis direction， Y-axis direction， and Z-axis direction is 233.66mm， 49.67mm， and 222.61mm， respectively. The three-dimensional space compression is within the allowable range， but in the X axis and the Y-axis direction， there is still room for optimization. From the analysis of the deformation of left door frame and the acceleration curve of the B-pillar， the crashworthiness of the passenger cabin also meets the requirements of C-NCAP.Keywords： Passenger cabin; Simulation model; Frontal collision; crashworthinessCLC NO.： U467  Document Code： A  Article ID： 1671-7988（2020）08-166-04

引言

汽車安全一直是车辆研究领域不可忽略的重要组成部分。车辆的耐撞性能作为被动安全的重要指标，其研究价值不言而喻。传统的实车碰撞试验在耐撞性前期研究中，由于成本高、重复性差、破坏性强等缺点，现已被计算机仿真碰撞试验所取代。实车碰撞更多地被用作后期的验证试验。

乘员舱作为汽车结构中的重要一环，空间上它容纳着乘客，因此对乘员舱耐撞性的研究是必要的。通过HyperWorks建立汽车正面100%碰撞仿真试验，并单独对碰撞中乘员舱的耐撞性能进行研究。仿真试验的初始速度参照NCAP的标准设定为56km/h。依据车辆坐标系在乘员舱X、Y、Z轴三个方向分别选取两对点，根据测量点在仿真碰撞中位移曲线的变化来反映乘员舱的压缩量。通过左侧门框变形量分析乘员舱A柱、B柱以及C柱的破坏情况。对B柱下端加速度曲线的分析，来研究碰撞中前排乘员身体伤害程度。

1 乘员舱耐撞性仿真分析

1.1 乘员舱三维空间压缩量分析

为研究乘员舱在正面碰撞中的压缩量，依据车辆坐标系在X、Y、Z轴上各选取两对点，一个作为测量点，一个作为参考点。通过测量点在碰撞中位移变化曲线来分析乘员舱的三维空间压缩量，评估乘员舱的变形是否会影响乘员的生存空间。选点位置示意图如下图1所示，乘员舱选点信息见表1。

测量点C1、C3在X轴上相对参考点C2、C4的位移变化曲线用来反应乘员舱在X轴上的压缩量，位移变化曲线如图2所示。可以看出C1相对C2的最大移动距离约为233.66mm，最终移动距离138.15mm。C3相对C4的最大移动距离为220.91mm，小于第一组数据，最终的移动距离约为141.58mm。由上述数据可以得出：乘员舱在正面碰撞中在X轴方向上的最大压缩量不超234mm，这个数值低于乘员身体距离乘员舱的距离，因此乘员舱纵向侵入量对乘客直接造成身体伤害的可能性较低。此外乘员舱的最终压缩量小于139mm，这个数值对于碰撞事故后的车身修复也是有利的。

在正面碰撞中，乘员舱结构受纵向冲击力的作用会发生压缩产生一定的横向变形。横向变形量超出安全范围会导致车门在碰撞中不正常开启或者碰撞后无法正常打开，致使乘客在碰撞中受到伤害或者影响碰撞后乘客的自救。从图3中两组曲线可以看出乘员舱的横向变形即有向内部的压缩也有向外的扩张。从C5测量点的位移变化曲线看，在50ms时刻乘员舱向外变形量最大，约为3mm，到60ms时刻向里压缩变形最大，最大变形量13.22mm，变形率0.81%，最终变形量也小于5mm。从C7位移变化曲线分析，在70ms时刻乘员舱向外最大变形量约为13mm，到95ms时刻乘员舱向内部压缩变形达到峰值，最大值17mm，最终变形量约为2mm。对比两组数据可以看出，乘员舱在Y轴的横向变形，最大值低于18mm，最终值也没超出5mm，结合以往实践经验，乘员舱在碰撞中的横向变形可能会触及到乘员身体的侧面，造成一定的侵害，因此在横向最大变形量上仍然需要进一步的优化。但最终变形量较小，符合预期要求，也利于车门的正常打开以及后期的车身修复。

乘员舱在正面碰撞中的竖向变形会威胁到乘员头部上方的安全空间，因此乘员舱的顶部结构要满足一定的强度。从C9位移变化曲线分析，在碰撞中乘员舱在Z轴方向是向上扩展的，最大变形量222.61mm，变形率19.17%，而最终变形量是203.35mm。可见前排乘员头部上方的生存空间是不受影响的。从C11位移变化曲线来看，乘员舱在Z轴方向上空间是压缩变小的，最大变形量51.98mm，最终变形量7.78mm。因此后排乘客头部上方的生存空间受到较小危害，但符合安全要求，而且最终变形量很小，利于结构修理。

1.2 左侧门框变形量分析

左侧门框贴近驾驶员位置，能很好地反映乘员舱A柱、B柱以及C柱的变形量。根据C-NCAP正面碰撞规则，要求门框变形不能导致车门在碰撞中不正常开启，碰撞结束后能正常打开。通过在A柱、B柱以及C柱上各选两对测量点与参考点来研究它们的变形量。选点示意图如图5所示，选点信息参数见表2。

从图6可以看出，在前20ms内由于汽车前部吸收汽车碰撞中的动能并转化为内能，位于A柱上下门框铰链的D1、D3 测量点在X轴方向几乎没有发生位移变化，此后受碰撞冲击力的作用发生变形，在70ms时刻变形量最大，分别为8.31mm和4.13mm，此后由于左前门框的弹性恢复变形量逐渐降低，最为变形量定格在5.81mm和3.06mm。分析数据可知A柱的结构强度较高，碰撞中的变形量较小，有效的保障了乘员舱的结构完整性，同时较小的变形也确保碰撞中驾驶员一侧车门不会发生意外开启，碰撞结束后车门可以正常打开，为驾驶员的自救提供条件。

左后门框的变形关系到后排乘客的安全。由于B柱、C柱因尺寸较大导致整体结构强度不如A柱，在结合B柱处于门框中间位置容易变形的特点，所以在图7中位于B柱上下铰链处的D5、D7测量点变形较早，在10ms时刻就发生位移变化，上铰链D5测量点在70ms时刻达到峰值，峰值是17.11mm，最终的变形量是10.08mm。下铰链D7测量点在55ms时刻变形量达到峰值，峰值是20.42mm，最终的变形量是10.43mm。通过上述数据的分析可以看出：左后门框的变形量要略大于前侧门框，但总体变形量仍符合NCAP的要求，下铰链处距离汽车底盘结构较近，因此变形量比上铰链要大一些。长远考虑为了应对更高的安全要求可以对B柱和C柱的结构强化处理，耐撞性上更突出强度要求减少吸能的处理。让汽车前部结构承担更多的吸能任务，保障后排乘员舱的完整性。

1.3 B柱加速度分析

B柱加速度能够很好反映碰撞中驾驶员身体承受的冲击能量，而且还能反映车身结构在碰撞中的应力响应，因此是研究乘员舱耐撞性的一项重要指标。在仿真碰撞试验中B柱加速度测量点选在其下端与门槛梁的结合部，如图8所示，原因有两点;一是此处结构刚度大，碰撞中变形小;二是此处距离驾驶员近，检测出的加速度数值更贴合驾驶员实际承受的加速度。

B柱加速度变化曲線如图9所示。在10ms至35ms阶段，汽车与刚性墙发生碰撞导致保险杠与前横梁被圧溃变形，并吸收冲击能量，B柱加速度曲线迅速上升，在35ms时刻加速度曲线第一次出现峰值，该时刻前纵梁前端被圧溃，动力总成等结构触墙，导致加速度急剧升高，左侧最大加速度约为56.07g，右侧最大加速度约为45.78g，两侧B柱最大加速度瞬间对乘客身体造成的冲击较大，但持续时间极短不到3ms，之后迅速下降到40g以下，符合NCAP最大加速度持续时间小于3ms的要求。在35ms至53ms阶段内，B柱加速度由峰值迅速降到低谷，然后又迅速反弹出现第二次峰值，此阶段动力总成等结构触及前围板，前纵梁后段受力变形，二次峰值小于第一次。在53ms以后，加速度缓慢下降，此阶段对乘客构不成伤害。

通过分析B柱加速度曲线的变化过程，可以看出在降低最大加速度上仍然有优化空间，可以提高汽车前部结构的吸能性，乘员舱底盘结构强度可以适当提高。

2 结论

通过对乘员舱三维空间压缩量、左侧门框变形量以及B柱加速度的分析。在X、Y轴方向上，乘员舱的压缩量可以进一步的优化，提高乘员舱在这方面的结构强度，降低变形量。左后门框结构的变形量只能满足目前NCAP的要求，将来可以进一步优化。B柱加速度曲线符合碰撞情况，但在降低最大加速度方面后续可以再次改善。总体来看，此次乘员舱耐撞性仿真分析达到目的，但部分结果需要进一步研究。

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