基于2018版CNCAP的风窗横梁结构设计

陈枫 游洁 褚安华

摘 要：随着2018版CNCAP的施行，汽车行人保护安全性能愈发重要。基于行人头部保护试验规程，以短前悬纯电动车开发为例，详细介绍了风窗横梁从概念阶段、详细设计到分析验证的全过程，为行保及风窗横梁设计提供参考。

关键词：安全;行人头部保护;风窗横梁;结构设计

中图分类号：U462.1  文献标识码：A  文章编号：1671-7988（2020）20-29-03

Abstract： With the implementation of CNCAP 2018， the safety performance of pedestrian protection becomes more and more important. Based on the test rules of pedestrian head protection， taking the development of short front suspension pure electric vehicle as an example， this paper introduces the whole process of windshield beam from concept stage， detailed design to analysis and verification in detail， and provides reference for the following traffic protection and windshield beam design.

Keywords： Safety; Pedestrian head protection; Windshield beam; Structural design

CLC NO.： U462.1  Document Code： A  Article ID： 1671-7988（2020）20-29-03

1 前言

随着汽车保有量的不断增加，行人交通事故越来越多，而行人头部损伤在该类交通事故中占有重大的比重。基于此， 2018版CNCAP明确规定，将行人保护作为汽车安全性的重要考察项，并强调五星车型必须行人保护得分率高于60%。

风窗横梁作为机舱总成的重要组成部分，功能上需要满足风挡玻璃及内饰仪表板的安装要求。性能上影响着整个车身的弯扭刚度。由于有部分的行人保护试验点位于横梁区域，因此，风窗横梁也是行人保护得分高低的重要因素。

本文所述车型A为面向于年轻时尚人群的纯电动SUV，造型上具有短前悬，低重心的特点。表1为各车型轴距及前悬尺寸对比，从表中可知，车型A在所有车型中前悬尺寸最短，同时轴距较长，因此该车型机舱布置更加紧凑，发罩区域行人头部保护得分将较竞品车型低，若要满足CNCAP五星碰撞的要求，风窗横梁区域的得分需求将更高，提高了风窗横梁设计的难度。

2 风窗横梁结构设计

随着国内汽车工业的迅速发展，整车开发流程技术已由过去的逆向开发转变为性能与结构并重的正向开发。车身作为整车中的重要组成部分，其开发流程同样由产品规划阶段、概念设计阶段、详细设计阶段、设计验证阶段、生产准备阶段组成。

本文将从断面设计、材料选择、结构设计、CAE仿真优化及试验验证五个方面详细介绍风窗横梁的结构设计过程。

2.1 断面设计

如图1所示为机舱中的布置断面图，从图中可知，该车型前悬短，相较一般的SUV车型，行人撞击发罩后院风挡玻璃的概率大大增加。并且在风挡玻璃附件，周边零件包括流水槽盖板，风窗横梁，雨刮等。布置十分紧凑，当发生行人交通事故时，头部撞击工况十分恶劣。

因此，对风窗横梁进行优化设计，合理的传递与扩散头部碰撞过程中的力与能量，无论对于提高行人安全性还是满足所开发车型的五星碰撞要求的目标，都是十分重要的。基于此，在概念设计阶段，提出两种风窗横梁总成的设计断面。

比较图中两个截面，方案一腔体面积与方案二腔体面积基本相当，满足车身的弯扭刚度及侧碰性能。截面上翻边都是由玻璃面偏移得到。（其中玻璃厚度4.56mm，玻璃与风窗横梁制件的涂胶间隙预留5mm）。其中第一个台阶面为仪表安装平面，第二个台阶面避让空调风道。

方案一中，当头部撞击到横梁翻边时，风窗上横梁向后折弯，当折弯到一定角度，台阶面与后立面形成锐角拐角，不利于风窗上横梁与风窗下横梁的变形，影响了进一步的能量吸收，進而导致撞击反作用力增大，不利于行人头部伤害值的降低。

方案二中，增大风窗横梁下部腔体，取消上部腔体，将风窗下横梁上端设计成“C”字型悬臂结构，当头部撞击到横梁翻边时，横梁下端有足够的空间变形，从而有利于行人头部伤害。

因此，综合考虑，选择方案二中的结构进行进一步的设计。

2.2 材料选择及分件

本文所述开发车型基于全新钢铝混合车身平台开发，其中下车体使用铝合金（冲压铝板、挤压铝型材、铸造铝）设计，上车体使用钢制车身。使用铝合金材料有利于提高车辆的轻量化水平。

行人发生头部碰撞的伤害值：

2.3 结构设计

风窗横梁结构设计基于前述的断面定义，同时结合周边的布置输入及匹配关系进行三维详细设计。

周边布置包括雨刮，雨刮电机，流水槽、仪表、空调等，风窗横梁总成需要与各零件满足相应的间隙要求。即与静态件之间大于10mm，与运动件之间大于25mm。横梁结构设计如图6所示。横梁各零件大面根据断面各边扫略确定，局部增加筋条使得结构的刚度模态进一步提高。

2.4 CAE分析及优化

CAE仿真技术作为汽车设计中的重要手段，大大地提高了工程开发的效率。通过行人保护的实验标准，分别获得所开发车型的轮廓线及网格点如图7所示，从图中可知，相较于一般车型吗，该车发罩上测试点较少，风挡区域测试点较多，同时，风窗横梁区域主要为第8排与第9排的试验点。

将整车模型进行行人保护碰撞分析，分别对每个网格点按照CNCAP的实验规则进行碰撞分析及结果后处理，得到整个区域的伤害云图如图8所示。头部总得分6.71分，不满足五星最低得分要求。

针对碰撞结果对结构进行优化，将焊接边进行弱化，除了保证焊点处的空间外，在焊点的交错位置将切边弱化，减小局部的搭接厚度，从而达到较小头部伤害的效果。

更换雨刮安装方式，将安装点从风窗下横梁移动至机舱横梁，减小风窗下横梁处的强度，提高碰撞得分率。

针对优化的数据，进行分析及试验验证，得到行人头部保护的得分为6.75分，满足五星碰撞目标要求。

3 总结

本文针对短前悬车身行人头部保护得分困难的问题，基于产品开发的整个流程，从断面设计、材料选择、结构设计，设计验证各个阶段详细阐述了风窗横梁的设计过程，使得所设计的产品满足了2018版CNCAP的要求，另一方面由于坚持正向开发，节省了成本与周期。

参考文献

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