乘用车顶部抗压仿真分析及结构优化*

曾庆超，张迁梓，吴 磊

（柳州铁道职业技术学院，广西 柳州 545616）

0 前言

高速行驶中的汽车如果突然急打转向很容易出现车辆翻滚的交通事故，这种情况下，如果车辆没有足够强的顶部结构，就很有可能出现车顶坍塌现象从而危及乘员生命安全。为此原国家质量监督检验检疫总局和国家标准化管理委员会联合发布了国家强制性标准GB 26134—2010《乘用车顶部抗压强度》，该标准对汽车顶部的结构强度进行了明确的规定：当按照标准的试验要求对车顶施加向下载荷时，加载装置下表面的移动量不应超过127 mm，同时载荷的大小要达到整车整备质量的1.5 倍，但不超过22 240 N。目前该标准的要求相对于其他国家或者行业标准更低，例如，美国等发达国家将该项顶部抗压能力提升到了整车质量的3倍，国内的C-IASI中对于车顶强度采用分级评价的方式，顶部抗压能力小于整车质量的2.5 倍，将评价为“较差”，只有达到4 倍才能获得优秀[1]。据悉，国内的强制性标准也在计划将顶部抗压能力提升至整备质量的3 倍。所以从长远市场出发，现有车型在设计中应该按照顶部抗压能力达到整车质量的3倍要求进行开发。

根据乘用车的车身结构特点B 柱承担了顶部抗压试验中的大部分载荷，但是由于布置和造型等因素的影响，乘用车B 柱一般设计成上小下大的拱形结构，如图1 所示；该结构在顶部下压载荷作用下，很容易出现B 柱上部折弯的情况，从而导致车身顶部抗压能力下降。经检索国内目前关于提高顶部抗压能力的研究不多，尤其是在提倡轻量化车身的大环境下，如何在不显著增加车身重量且满足工艺要求的前提下有效地提高车身顶部抗压性能，是困扰很多汽车工程师的难题。

图1 某车型B柱外形轮廓

1 搭建有限元模型

1.1 试验要求

根据标准GB 26134—2010《乘用车顶部抗压强度》的试验规定[2]：车辆刚性的固定在刚性地面上，关闭所有车窗，关闭并锁死所有车门，按照如图2 所示的定位加载装置，使其纵轴前倾角为水平面向下5°（侧视），并且纵轴平行于穿过车辆纵向中心线的垂直面，横向外倾角为水平面向下25°（正视）。加载装置下表面的纵向中心线穿过与车顶的接触点或者接触区域的中心，加载装置下表面的前缘中点在车顶外表面最前点，再向前254 mm的横向垂直平面不超过10 mm的范围内。

图2 试验装置定位

1.2 搭建有限元模型

根据上述试验要求搭建有限元仿真计算模型[3-8]：为了提高计算效率，取消底盘、座椅、动力总成以及轮胎等非参与承载的部件，仅保留白车身与四门两盖结构。加载装置采用一个1 829 mm*762 mm 的刚性板进行模拟并按照试验要求进行摆放。在车身门槛梁位置进行刚性约束，具体有限元模型如图3所示。

图3 车身顶部强度分析有限元模型

2 结果分析

提取刚性加载板加载过程的最大接触力并按照式（1）计算车身顶部承载系数对其车身顶部强度进行评价，本研究设定的车身顶部承载系数目标值大于3。

其中：ε 为车身顶部承载系数；F为刚性加载板最大接触力，N；m为整车整备质量，kg；g为重力加速度，m/s2。

对基础状态下的计算结果进行分析得出刚性压板的最大接触力为43 300 N，而该车型设计整备质量为1 592 kg，因此车身顶部承载系数为2.77，未能达到设计目标值，进一步分析其变形模式，发现在B 柱上部安全带固定点位置出现明显的折弯变形，如图4所示，导致车身顶部承载能力降低。

图4 基础状态B 柱变形模式

3 结构优化

如图5 所示，针对B 柱上部结构存在刚度不足的问题综合考虑B 柱结构特点、安装布置、工艺要求等因素，提出了两个优化方案[9-10]：

图5 B柱结构优化方案

1）将高调器加强板的焊接边延伸至B 柱内、外板焊接边处，同时将其料厚由1.0 mm提升至1.2 mm；

2）在高调器下部增加一个“几”字形加强板，该加强板材料为590DP，料厚1.2 mm，该加强板跟随B柱内板焊接与B 柱加强板保留5 mm 的间隙以避免车辆行驶过程结构碰撞产生异响。当车身顶部受载使B柱内板变形到一定之后，“几”字板与B 柱加强板发生接触传力，从而能够将载荷由结构相对薄弱的B 柱内板扩散至结构更强的B 柱加强板；避免由于B 柱内板强度不足导致该区域出现重大的折弯变形。

4 方案验证

将上述优化方案带入计算模型进行方案验证，得出刚性压板的最大接触力为47 100 N，进而求出车身顶部承载系数为3.02，满足设计要求，基础状态与优化方案的接触力-位移曲线对比，如图6 所示。

图6 优化前后接触力-位移曲线对比

5 结论

本文根据标准GB 26134—2010《乘用车顶部抗压强度》的试验要求，搭建了有限元仿真模型进行顶部抗压强度计算，根据基础状态结果所反映的B 柱安全带固定点区域刚度不足的问题进行结构优化，鉴于B 柱在该工况下受弯矩影响的特点[11-14]，设计了一个“几”字形结构，该结构能够有效地将局部载荷进行扩散，从而避免了B 柱因局部变形导致整体结构刚度不足的现象。优化结果表明，该方案在不显著增加结构重量的前提下提高了车身顶部承载系数，使其满足设计要求。