车门护板侧冲击仿真分析与试验验证

操芹 黄洁 占玉霞

摘  要：本文介绍了一种乘用车车门护板侧冲击的试验方法，同时运用有限元分析方法进行模拟仿真分析，通过车门护板腰部侧冲击仿真分析结果与试验数据的对比，证明了车门护板侧冲击仿真分析方法具有较高的仿真精度，能够指导车门护板在汽车侧面碰撞试验中的改进方向;运用车门护板侧冲击仿真分析方法，优化了某车型的车门护板腰部冲击区域的设计，使之满足车门护板的设计要求。

关键词：车门护板;侧冲击;仿真分析;试验验证;优化

中图分类号：U463.83    文献标识码：A    文章编号：1005-2550（2020）05-0043-05

Abstract： This paper introduces a test method for side impact of passenger car door guards. At the same time， the finite element analysis method is used for simulation analysis. By comparing the results of simulation analysis with the test data， it is proved that the simulation analysis method of side impact of the door guard has high simulation accuracy and can guide the improvement of the door guard in side impact test of vehicle. By using the method of the door guard side impact simulation analysis， the design of the impact zone at the waist of the door guard of a vehicle is optimized to meet the design requirements of the door guard.

Key Words： Door Guard; Side Impact; Simulation Analysis; Test Verification; Optimization

1    前言

与汽车正面碰撞相比，汽车侧面吸能构件较少，且乘员与车门内板之间仅有20-30mm的空间，一旦发生侧面撞击，没有较大的缓冲区域，侧面结构大变形，乘员将受到强烈贯入的冲击载荷作用，造成人员伤害。近年来，侧面碰撞已经成为发生频次最高、造成伤害最多的交通事[1]。目前关于提升汽车侧碰安全性能的研究文章很多，大多是基于 GB 20071-2006 进行整车级仿真分析研究，通过前车门结构、内饰造型、安全带和安全气囊等方面来提升整车侧面碰撞安全性能。周政权等[2]人通过 C-NCQP 侧面碰撞试验工况进行仿真分析，通过对前车门防撞杆结构、车门内护板扶手造型和安全带动作策略进行优化，有效解决了该车型侧面碰撞过程中前排假人肋骨受伤的情况，提升了该车型侧面碰撞安全性能;王勇辉等[3]人针对C-NCAP侧碰规范，对缓冲块的材料刚度、形状和大小等因素对假人伤害的影响进行了研究，说明了车门缓冲块对汽车侧面碰撞安全性能具有重要作用。周云等[4]人以某车型在整车侧面碰撞过程中门护板的破裂为例，结合CAE仿真分析，将车门内钣金的变形简化为多个冲击块的位移，以此制定了门护板试验方法并进行了有效的验证。

本文通过大量的试验与经验总结，将GB 20071-2006 性能指标进一步细分到总成级零部件车门内护板上，对车门内护板总成进行单独的侧冲击性能试验，通过冲击后车门内护板所承受的冲击力和吸能情况来反映人体的伤害程度，即在车门内护板零部件设计早期，对其进行侧面碰撞性能的管控，减少后期总成零部件发生大的设计变更概率，可缩短整车开发周期，节约研发成本。

2    车门内护板侧冲击试验方法

车门内护板总成包含上盖总成、上中片总成、下中片、扶手总成、主型板、拉手盒、侧碰块等零部件。车门内护板侧冲击试验方法是用特定冲击头以一定的速度从车内向车外撞击门护板总成，通过吸能与反力的大小来研究车门内护板在汽车侧面碰撞中的性能状况。

车门内护板侧冲击点取点依据如图1所示，假人为EuroSID-1 50%型侧碰撞假人，将通过H点的铅垂线逆时针旋转座椅靠背角的度数，则在该直线上，距离H点距离为a的点即为腰部侧冲击点;距离H点距离为b的点即为腹部侧冲击点;距离H点距离为c的点即为胸部侧冲击点。

车门内护板总成完全紧固（或者用模拟不可变形的车门内板的刚性支架），车门内板和车门内护板之间可能影响试验结果的零件均应装配上去（扬声器、车门加强件等）。冲击块固定在发射器前端，试验前需将冲击块质心调整到侧冲击点位置，根据假人躯干角调整冲击块的角度，同时还需调整发射器推力，使冲击块在接触门护板的初始瞬间获得指定的冲击速度。冲击块上带有位移和力的传感器，可以输出冲击块的位移曲线和反力曲线，通過位移与反力曲线围成的面积，可以计算出在门护板侧冲击试验过程门护板吸收的能量大小。

胸部、腹部冲击块质量为M1，冲击速度V1;腰部冲击块质量为M2，冲击速度V2，如图4所示。胸部、腹部、腰部侧冲击试验对车门内护板的吸能及对应反力的大小均有要求，同时要求试验完成后车门内护板不能产生尖角、飞出物。

3    车门护板侧冲击仿真分析

模型前处理采用HyperMesh软件，求解器采用Radioss计算。塑料件建网格模型时，要根据料厚变化、加强筋的高度及厚度确定合适的单元尺寸，以免漏掉某些小的结构。

将车门护板、车门内板和冲击块几何模型导入HyperMesh中进行有限元模型的建立。车门护板采用薄壳单元划分，平均网格尺寸2mm，料厚变化超过10%的地方需分开设置网格属性，卡扣、螺栓连接的地方用Rbody单元模拟。车门内板和冲击块都采用薄壳单元划分，平均网格尺寸10mm，车门护板与车门内板的连接处采用Rbody单元模拟。车门护板材料类型选用弹塑性材料Law36[5]，输入相应材料的真实应力应变曲线;车门内板用刚体材料Law13模拟，Law13材料类型不可用于有加载的单元;冲击块不可变形，选用弹性材料Law2，同时将冲击块所有节点作为从节点，用自动生成主节点的方法建立一个Rbody单元，即将冲击块也设置成刚体单元，该刚体单元不仅可以约束也可以加载。

将冲击块按要求调整到指定位置及角度，冲击块与车门护板之间建立接触对关系。在BCs Manager中定义边界条件，约束车门内板全部自由度，约束冲击块除冲击方向（Y向）外的所有自由度;给冲击块加载负Y向初速度。在output block中定义接触反力、冲击块位移、速度的输出量，Radioss计算时间取20ms。

图5为某W1车型前左门腹部侧冲击仿真分析模型，图6为该模型吸能与接触反力曲线，从图中可以看出，车门内护板吸收100J能量时接触反力为3.8KN，小于4KN。图7为腹部冲击块接触反力曲线，从图中可知，在1.2ms时，腹部冲击块与车门内护板开始接触，冲击块的初始动能通过接触传递到到车门内护板，接触反力由0开始增加，车门内护板受到挤压，发生变形，同时吸收冲击块的能量，随着冲击块继续往前运动，冲击块与车门内护板的接触面积越来越大，传递的接触反力也越来越大，在18.4ms时接触反力达最大值。图8为冲击块速度曲线，冲击块撞击到车门内护板后，速度不断的降低，冲击块的动能转为为车门内护板的内能;在18.6ms，冲击块瞬时速度降为0，即冲击块撞击到车门内护板后开始往回反弹运动，随着冲击块离车门内护板的距离越来越大，它与车门内护板的接触面积也越来越少，接触力也越来越小。图9为18.6ms时刻对应的车门护板应力云图，最u大应力25 MPa小于材料的抗拉极限，即车门内护板没有发生破裂。

4    仿真分析与试验对标

某W1车型前左门腹部侧冲击试验如图10所示，图11为腹部侧冲击试验后车门内护板的状态，在扶手下侧主型板处有白化，没有出现尖角、飞出物的情况。

图12中上方曲线为车门内护板腹部侧沖击试验中冲击块的位移曲线，另一条为车门内护板腹部侧冲击仿真分析中冲击块的位移曲线，两者位移误差在8%左右;图13为车门内护板吸能与接触反力曲线，车门内护板吸收能量100J，试验测得接触反力为3.5KN时，仿真误差8.6%，满足工程应用需求。从车门内护板腹部侧冲击试验与仿真分析对比中可以看出，车门内护板侧冲击仿真分析方法具有较高的可信度。

5    门护板侧冲击仿真分析优化

某W2车型左后门车门内护板腹部侧冲击仿真分析结果，如图14所示，车门内护板吸能100J时，接触反力为4.2KN，大于目标值4KN，说明在冲击过程中车门内护板的压缩位移过小，车门内护板在腹部区域的设计刚性过大，该反力值超过目标值不多，可以考虑弱化局部结构刚性来增加门护板吸能。如图15所示，车门内护板腹部侧冲击点位于扶手外端区域，扶手结构中没有加强筋，将扶手卡扣连接处开孔弱化处理，如图16所示。

弱化处理优化后重新仿真计算，吸能与接触反力曲线如图17所示，车门护板吸能100J时，接触反力为3.9KN，小于目标值4KN，满足设计要求。

6    总结

本文介绍了一种乘用车车门内护板侧冲击的试验方法，同时运用有限元分析方法进行模拟仿真分析，通过车门内护板腹部侧冲击仿真分析结果与试验数据的对比，证明了车门内护板侧冲击仿真分析方法具有较高的仿真精度;同时，运用车门内护板侧冲击仿真分析方法，优化了某车型的车门内护板腹部冲击区域的设计，使之满足车门内护板的设计要求。

参考文献：

[1]公安部交通管理局，中华人民共和国道路交通事故统计年报.（2001-2007年度）.

[2]周政权，邓永芳，彭宇. 某车型侧面碰撞安全性能优化.大众科技.2019年03期.

[3]王勇辉等. 基于CAE的侧面碰撞车门缓冲块参数设计. 汽车安全技术学术会议-2011.

[4]周云，陶钧，孙涛. 基于多冲击块侵入的门护板侧面碰撞研究.汽车科技.2017年第4期.

[5]HyperWorks Online Help 12.0，Altair Engineering， Inc.