车门侧面碰撞过程中车门与B柱变形的一致性分析

吴石 赵洪伟

摘 要：为了准确研究碰撞过程中车门和B柱的之间的一致性，更好的分析汽车侧面碰撞过程中前后门的变形对B柱形变形的影响，首先根据整车侧面碰撞模型信息，采用LS-DYNA对有限元模型进行求解;然后选取车身侧围结构中B 柱上对应假人不同位置点、以及左前门、左后门的位置点，对B柱、前后门侵入量和侵入速度进行动态分析;最后，分析了车门变形与B柱变形过程中的能量变化情况。仿真结果表明，在侧面碰撞过程中，侵入速度以及侵入量的变化趋势相同，侵入速度随时间变化曲线呈现余弦型变化，侵入量随时间变化曲线呈现γ型，同时，在整车侧面过程中，前后门侵入量侵入速度越大，对B柱影响越大，这为优化门结构和提高门的装配质量提供了基础。

关键词：侧面碰撞;侵入量;侵入速度;能量变化;一致性

DOI：10.15938/j.jhust.2020.05.015

中图分类号： TH164;TG501

文献标志码： A

文章编号： 1007-2683（2020）05-0106-07

Abstract：In order to accurately study the consistency between the door and the B-pillar during the collision process and better analyze the influence of the deformation of the front and rear doors on the B column deformation during the side collision of the door. Firstly， based on the vehicle side collision model information， the finite element model is solved by LS-DYNA. Then the position of the corresponding position of the dummy on the B-pillar in the body side structure and the position of the left front door and the left rear door are selected to dynamically analyze the intrusion and intrusion speed of the B-pillar and front and rear doors. Finally， the energy changes during the deformation of the door and the deformation of the B-pillar are analyzed. The simulation results show that in the process of side collision， the change trend of intrusion speed and intrusion amount of the door and the B-pillar is the same， the intrusion velocity shows a cosine-type change with time， and the intrusion amount shows a γ-type change with time. In the side process of the vehicle， the greater intrusion speed of the front and rear door intrusion ， the greater influence on the B-pillar， which provides a basis for the optimization of the door structure and the improvement of the assembly quality of the door.

Keywords：side collision; intrusion volume; intrusion velocity; energy change; consistency

0 引 言

隨着汽车保有量的增加，人们越来越重视出行的交通安全，降低道路交通安全事故中的伤亡率，有关碰撞分析一直是研究的热点问题。在充分研究并借鉴其他国家 NCAP发展经验的基础上，结合我国汽车标准、技术和经济发展水平，中国汽车技术研究中心正式制定了C-NCAP（中国新车评价规程）。由于汽车侧面碰撞发生率仅次于汽车正面碰撞的发生率，国内各大汽车企业、研究院以及高校陆续展开对车身侧面碰撞的相关试验研究。

2004年国内奇瑞轿车进行了侧面碰撞试验，为我国历史上的第一次侧面碰撞试验[1];成艾国、周利辉建立了整车侧面碰撞的有限元模型并进行了试验验证，在此基础上建立了很多参数化模型，然后将试验设计技术[2]、BP神经网络[3]和多目标遗传算法[4]相结合来对车身侧围关键部件常用的高强度钢板材料和板料厚度进行优化设计，使得两者达到合理的配置[5];朱敏， 姬琳等从侧面碰撞时 B 柱部件的侵入形态、侵入量及侵入速度[6]这三个安全性指标入手，使用LS-DYNA求解优化B柱结构改善抗撞性[7]，为提高汽车侧面碰撞安全性能提供了一定参考[8]。

国外Lesari D等通过研究侧碰中乘员的损伤情况，发现侧面碰撞中侧围的侵入量很大程度上决定乘员损伤的严重程度[9];Chin-Hsu Lin对厢式货车有限元模型的安全气囊展开时间与实车试验时的展开时间进行对比，发现可以通过提高有限元模型的精度来提高仿真结果的可靠性[10];Sinha， Kaushik研究了汽车受到可移动变形壁障车[11]侧面撞击时碰撞侧前后车门的撞击力分布情况，并在此基础上分析了车身的抗撞性能[12];Pratap Daphal等探讨改进侧面碰撞试验与CAE的结构性相关性[13]。

侧面碰撞过程中车门和B柱是主要受力部件，侵入速度和侵入量综合影响着侧面碰撞时的安全状况，而当前考虑车门以及B柱的侵入速度和侵入量关系的研究较少。本文的研究内容是借助相关有限元分析结果，对侧面碰撞过程中车门与B柱变化的趋势进行分析。根据侧面结构变形情况，分析各零部件的吸能情况。对后处理结果进行分析，选取车身侧围结构中B柱上对应假人不同位置点的侵入量、侵入速度和变形模式等指标来评价整车结构的抗撞性能;在受撞侧左前门、左后门分别取16个、15个测点，对前后门侵入量和侵入速度进行分析对比。

1 车门及B柱模型的建立及参数设置

本文中所使用的研究对象是某新型轿车，本文研究的部分为汽车前后门及B柱，车门及B柱的结构数字模型如图1所示。

1.1 几何清理简化及网格划分

汽车车身主要从刚度和惯性两个方面影响车身的抗撞性[13]，因此对相关钣金结构进行必要的简化处理，使有限元模型要能够反映出实际的结构特性[14]。在网格划分方面，本次模型采用10mm*10mm的基准尺寸划分，主要使用四边形单元，较少的使用三角形单元，以避免汽车碰撞过程有限元仿真出现的沙漏现象[15]。沙漏的出现表明单元发生了变形，但是单元的应力和应变没有发生变化，这种变形只能在理论上产生。控制沙漏能可以采用全积分单元、细化网格、改变加载等方式。

1.2 施加接触及控制参数设置

在整车碰撞分析中的对于移动变形壁障车与整车之间的接触及轮胎与地面间的接触，均采用自动面面接触，使用关键字* AUTOMATIC_SURFACE TO SURFACE *进行设置;对于整车自身接触和MDB自身接触均采用自动单面接触，使用关键字*AUTOMATIC_SINGLE_SURFACE*进行设置;对于焊点的接触，使用关键字*TIED_SHELL_EDGE_TO_SURFACE*（固连接触）进行设置。面面接触时需要确定主从面，原则是凸面、细网格、刚度大、面积大等特征的做主面，与之接触的做从面[16];另外，定义的边界条件包括MDB 的初始速度及全局的重力加速度，得到整车侧面碰撞模型如图2所示，具体整车侧面碰撞信息如表1所示。

在汽车碰撞进行模拟时，由于涉及单元的单点积分、时间积分的中心差分法、时间步长控制等一些基本方程，因此采用显式非线性有限元方法，并且在单元计算中采用单点高斯积分，可以极大地节省数据存储量和运算次数，同时采用*HOURGLASSCONTROL*进行设置总体附加刚度和粘性阻尼来控制沙漏能。单元内任意点的坐标用节点坐标插值表示为：

式中：φj为参数坐标（ξ，η，ζ）表示的形函数;m为该单元的节点数;xji为节点j的i（i=1，2，3）方向坐标。

2 B柱及车门的碰撞分析

2.1 B柱侵入量和侵入速度

B柱作為汽车侧围结构中的重要承力部件，由于其各截面形状复杂，在各截面处抵抗弯曲的能力是不同的，若分布不合理，在撞击中会产生受弯失稳[17]。因此，通常选取车身侧围结构中 B 柱上对应假人不同位置点的侵入量、侵入速度和变形模式[18]等指标来评价整车结构的抗撞性能。本文选用 B柱内板对应假人头部（Head）、肩部（Beltline）、胸部（Rib）、H 点、门槛位置的最大侵入量、侵入速度作为安全性评价指标[19]。

在车身数模中，将左右B柱外板加强板单独显示，B 柱外板加强板从上到下依次对应假人头部、肩部、胸部、H 点、门槛梁位置，并在相应位置设置刚度很小的拉压弹簧（10-10N/mm），可以准确表达左右侧B 柱内板间距离的变化[20]，如图3所示，以此来对应假人头部、肩部、胸部、H 点、门槛梁位置处的最大侵入量。

根据B柱变形量随侵入时间的相对变化曲线如图4所示，以向外为正方向，在侧碰过程中，B柱在Y方向的侵入量最大。从图4中可知，所测各点的变化趋势大致相同，在碰撞发生后，测点的侵入量快速增加，随着结构件产生变形以及能量的传递，在55 ms前后侵入量达到最高，之后随着部件塑性变形的回弹，侵入量有所减小，最后趋于稳定。

B柱在对应假人胸部位置的侵入速度是影响肋骨变形量和背板力的一个重要指标，GB20071-2006 中要求计算胸部的粘性指标 VC（Viscous Criterion），其含义是假人胸部肋骨形变速度与其形变量的相乘数值。粘性指标的公式如下：

肋骨的形变量与 B 柱的侵入量成正比，而肋骨的形变速度与 B 柱的侵入速度呈正相关。所以，除考虑 B 柱Y方向的侵入量外，B柱内板侵入速度也是侧碰中重要的输出参数，避免由于侵入速度太大对车内人员的人身安全构成威胁。本次仿真结果B柱侵入速度如图5所示。

从图5可以看出，在碰撞发生后侵入速度快速上升，随着结构件产生变形以及能量的传递，在15ms前后，侵入速度达到峰值，随后逐渐减小。其中门柱上部点曲线出现负位移和负速度值，原因是门柱上部和车顶横梁的连接过于脆弱，导致猛烈的撞击使得门柱上端发生翘曲，而不是内凹，所以就出现相反方向的位移和速度。

各参考点的侵入量和侵入速度与目标设定的B柱最大侵入量、侵入速度对比如表2所示。结果显示不是所有考察点都满足要求，其中B柱中段最大侵入量为306.3mm，最大侵入速度为9.5m/s，远远超过设定的限值。侵入量在55ms达到最大值，侵入速度，在15ms前后，侵入速度达到峰值，随后逐渐减小。

2.2 前后门侵入量和侵入速度

该部分主要针对侧围中前后门侵入量以及侵入速度进行分析，与B柱类似，在受撞侧左前门、左后门分别取16个、15个测点，如图6所示。

本次设定左前后车门最大侵入量目标值均为150mm、最大侵入速度均为7.5m/s，具体侵入量图、侵入速度图如图7至图10所示。可知，部分测点不满足要求，其中最大侵入量出现在左后门测点1，值为303.7mm（目标值150mm）;最大侵入速度也为此处，值为10.1m/s（目标值7.5m/s）。侵入量在55ms达到最大值，趋势与B柱相同均呈γ型变化，侵入速度，在20ms前后，侵入速度达到峰值，随后逐渐减小，趋势与B柱相同，均呈余弦函数变化。

3 车门变形与B柱变形能量分析

通过侵入速度以及侵入量的分析，在撞击力一定的基础上，车门的侵入量越大，会导致B柱的变形也越大。在侧面碰撞过程中，B柱的变形程度与成员的损伤有着直接的关系，由采样点可以看出，B柱内部的加强部分刚度越高，侵入速度越慢，变形较小，但能量吸收效率会越低。为了更加直观的分析B柱和车门的变形，基于形态位移云图对碰撞过程中B柱和车门的变形进行了分析。

可变形的移动壁障（MDB，mobile deformable bar-rier），撞击车辆时主要与 B柱、前后车门和门槛梁等车身部件发生直接接触，一般截取0ms、20ms、40ms、60ms、80ms、100ms这六个时刻的整车变形时序图，如图11所示。由仿真时序图可知，侧面碰撞的变形区域集中出现在碰撞侧的前后车门、碰撞侧的门槛梁、碰撞侧的车顶侧边梁、地板以及碰撞侧的 A柱、B柱、C 柱等区域，而汽车前部发动机舱、后部行李箱、非碰撞侧侧围以及车顶盖等部位发生的变形则相对较小，并且在碰撞的过程中，发生变形的车身各板件会发生不同程度的回弹现象。

由于碰撞中汽车是通过结构吸能来缓冲撞击的，所以了解碰撞中结构内能的变化情况是非常重要的，特别是单个部件内能的变化情况和各零件吸能多少的比较。在侧面碰撞受力情况下，车身的B柱区域、车门结构在碰撞力的传递和吸收碰撞能量方面起着十分关键的作用。侧围主要吸能结构的吸能情况如图12所示。

由图12可看出，在撞击开始后，汽车侧围包括车门、B柱等都发生变形，首先在B柱4点位置产生屈曲，对未产生屈曲部分影响为零，MDB模型碰撞过程中，当40ms时车门相关吸能部件以及B柱加强板等吸能部件吸能達到峰值。车门变形影响B柱的变形量，至100ms时变形量过大，如图11（d）所示，会导致乘员舱空间严重减小。当车辆发生侧面正接触碰撞时，车门的侵入速度、侵入量越大，对B柱影响越大，造成的受损变形越大。

4 结 论

通过对侧面碰撞的模型分别选取B柱（12个点）和车门（受撞侧左前门、左后门分别取16个、15个测点）进行了侵入量和能量分析，得到如下结论：

1）B柱的侵入速度及车门侵入速度变化曲线呈现余弦型变化，B柱的侵入量及车门侵入量变化曲线呈现γ型变化，碰撞过程中B柱与车门侵入量及侵入速度变化具有一致性;

2）侧围的碰撞仿真结果表明，当车辆发生侧面正接触碰撞时，车门变形影响B柱的变形量，车门的侵入速度、侵入量越大，对B柱影响越大;

3）当最大侵入速度为7.5m/s时，碰撞发生后100ms时变形量过大，车内成员空间被明显压缩，说明该车型侧围强度以及刚度不足，对抗侵入能力较差。

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（编辑：王 萍）