一种车型的贯通式圆管侧围结构

钟镓泞，杨标麟，贾丽刚

一种车型的贯通式圆管侧围结构

钟镓泞1，杨标麟2，贾丽刚2

（1.湖南湖大艾盛汽车技术开发有限公司柳州分公司，广西 柳州 545000；2.上汽通用五菱汽车股份有限公司，广西 柳州 545007）

汽车在正面碰撞仿真分析过程中存在门框变形量较大的风险，该风险易导致假人损伤不满足正面碰撞法规要求。对此进行结构优化，在侧围内部增加贯通式圆管结构，该方案成本较低且有效降低门框变形量与假人损伤值；最后将优化方案进行实车验证，试验结果与仿真分析结果一致，满足正面碰撞国标要求；同时为该车型的正面碰撞开发积累了有效经验，降低了汽车设计与制造成本。

正面碰撞；贯通式圆管；结构优化

汽车正面碰撞过程中，可通过优化前纵梁吸能结构[1]或增加shotgun、副车架等传力路径对车身结构进行优化。本文针对某款正在开发的乘用车正面碰撞工况，使用有限元仿真分析方法，参照《汽车正面碰撞的乘员保护》（GB11551—2014）的试验要求[2]搭建有限元模型进行仿真分析，对分析结果进行优化，并按优化方案造车进行实车验证。

1 搭建有限元仿真模型

在有限元计算中，搭建科学合理的模型是仿真计算成功的关键。针对不同的求解类型，有限元模型建立的侧重点也略有不同[3]。在保证模型计算精度的前提下，为了提高工作效率，需尽可能缩短建模时间和求解计算的时间。参考国标正碰法规搭建有限元仿真模型：

1）在HyperMesh软件中导入车身区域提供的STP格式模型，按照建摸规范对白车身、车门、动力总成、前后悬、仪表板骨架、转向系统、制动系统和座椅等进行网格划分，基准尺寸为8 mm，确保模型网格正交性良好，无网格交叉和渗透[4]，车身变形较大区域如吸能盒、防撞梁、大梁及封板采用5 mm网格。

2）根据车身钣金的厚度及材料属性信息对整车模型进行定义，为保证模型的计算精度及计算效率，大部分部件采用2#积分定义，变形较大区域则采用16#积分并用沙漏控制变形，材料曲线为真实应力应变曲线。

3）整车模型中，焊点和粘胶均采用六面体实体单元模拟，其中焊点材料为MATL100材料[5]；粘胶材料为MATL1材料，车身螺栓及二保焊采用rigidbody模拟。

4）正面壁障为刚性墙壁障，类型RWPlanar，位置布置在某乘用车最前端。

5）根据整车和壁障之间的实际接触情况，在仿真分析里定义相应的接触类型：其中包括整车内部的自接触、壁障与车身的面面接触、焊点或粘胶与钣金的点面接触以及玻璃与粘胶的点面接触等。

2 载荷边界条件

根据法规要求，刚性墙壁障固定于水平地面上，乘用车以(50±2) km/h的速度撞击壁障，输出控制卡片，包含计算时间、应力应变等参数便于后续结果查看[6]。调整好的有限元计算模型如图1所示。

图1 整车正碰模型

3 计算结果分析

模型计算完成后，需对计算结果进行检查以确保计算的准确性，其中包括：钣金件是否飞出、模型连接是否正确、模型五大能量曲线是否平稳，整车总能量应基本保持不变[7]。同时，为了提高仿真精度和稳定性，模型质量增加要小于5%。根据上述原则，得到光滑平稳的能量曲线，模型质量增加为3.15%，小于5%。说明仿真模型精度及准确性可行，可进行结果查看以及方案优化。

根据国标正碰评价标准（该标准是企业长期经验积累形成，不适用于其他车型，仅供参考）查看车身加速度、回弹时刻、侵入量等如表1所示。

表1 正碰侵入量及侵入速度

测量位置度量目标值仿真结果 车身最大加速度L<45 g42.3 R<45 g45 回弹时刻L>60 ms52.9 R>60 ms52 整车动态压溃量侵入量>500 mm440.3 前围板侵入量侵入量<200 mm199.5 前围脚踏板安装点侵入量侵入量<100 mm95 搁脚板侵入量侵入量<50 mm45 管柱跳动量X<72 mm88.2 Z<60 mm5.8 门框变形量L<25 mm49.7 R<25 mm50.5

查看统计结果可知，该车型管柱向跳动量以及门框变形量超出目标值，如图2、图3所示，需进行优化。

图2 车门外板变形图

图3 管柱X向跳动量图

4 结构优化及实车验证

根据仿真结果对车身进行优化，优化改进方向是通过在侧围增加贯通式圆管，提高侧围结构强度，进而减小门框变形量以及管柱向跳动量，仿真方案如图4所示。

图4 贯通式圆管

表2 优化方案描述

增加部件材料厚度/mm重量/kg 贯通式圆管H340LAD1.52.0

根据表2所示方案，重新建立仿真模型进行计算，仿真优化结果如图5、图6所示。优化方案门框变形量以及管柱跳动量改善明显，满足国标要求。因此，按照优化方案进行造车试验验证。

图5 车门外板变形图

图6 管柱X向跳动量图

最终试验结果假人损伤如表3所示，假人损伤满足要求，综合结果满足法规要求，试验变形图如图7所示。

表3 假人损伤及其法规要求

部位测量项法规乘员伤害指标试验结果 驾驶员侧乘员侧 头部HIC36≤1 000635275 3 ms合成加速度/g≤8060.6144.21 颈部剪切力Fx/kN3.1@0 ms0.543@0 ms0.537@0 ms 1.5@25-35 ms 1.1@45 ms 张力Fz/kN3.3@0 ms2.078@0 ms0.942@0 ms 2.9@35 ms 1.1@60 ms 弯矩My/N.m≤5735.8234.23 胸部压缩变形量/mm≤7531.529.6 VC/(m/s)≤1.00.190.1 大腿压力/kN9.07@0 ms1.7250.988 7.58@10 ms3.6580.819 其它所有车门保持锁止状态，右侧门均能正常打开 约束系统完好，松脱力<60 N 综述满足法规要求

图7 试验变形图

5 结论

本文通过在侧围内增加贯通式圆管梁解决了某车型在开发过程中出现的门框变形量较大、管柱跳动量过大等问题，避免了试验失败又重新造车验证的繁琐流程，并得出以下结论：

1）此贯通式圆管结构烧焊在侧围钣金空腔内，不影响原基准车型车身结构；

2）此结构提升侧围的强度，更有利于碰撞过程中对车身、车门以及乘员安全的保护；

3）此结构可相应降低A柱、B柱、门槛加强板的料厚，有利于轻量化设计；

4）本文的建模方法和优化思路可应用于同系列车型研究开发当中，以提高研发利用率。

[1] 刘博,高云凯,左文杰.车身结构件轴向压溃性能的截面优化[J].汽车技术,2018(5):56-60.

[2] 全国汽车标准化技术委员会.汽车正面碰撞的乘员保护:GB 11551—2014[S].北京:中国标准出版社,2015.

[3] 梁卓,吴磊.客车侧翻仿真全程计算方法的研究[J].广西科技大学学报,2017(2):74-78.

[4] 农天武,黄惠星,吴磊,等.基于某新能源车后排安全带固定点强度的车身局部结构优化[J].广西科技大学学报,2020,31(4):112-117.

[5] 陈军,成艾国,陈涛,等.Beam与Solid两种点焊模拟方法对比研究[J].中国机械工程,2012(19):2388-2392.

[6] 刘晶,解维杰,彭丹,等.基于碰撞安全的复合材料尾门设计[J].汽车零部件,2021(3):6-11.

[7] 黄虎,刘新田,张佳俊.MPV汽车正面碰撞有限元分析[J].拖拉机与农用运输车,2009,36(2):51-52.

A Kind of Through Tube Side Wall Structure for Vehicle Type

ZHONG Jianing1, YANG Biaolin2, JIA Ligang2

( 1.Liuzhou Branch of Hunan Huda Aisheng Automobile Technology Development Company Limited,Liuzhou, 545000, China; 2.SAIC GM Wuling Automobile Company Limited, Liuzhou 545007, China )

There is a risk of large deformation of door frame in the simulation analysis of frontal collision, which can easily lead to dummy damage not meeting the requirements of frontal collision regulations.The structural optimization is carry out by adding a through tube structure inside the side enclosure. The cost of the scheme is low and the deformation of the door frame and the dummy damage value are effectively reduced.Finally, the optimization scheme is verified in real vehicle, and the test results are consistent with the simulation analysis results, which meet the national standard of frontal impact.At the same time, it has accumulated effective experience in frontal collision development and reduced the cost of vehicle design and manufacturing.

Frontal collision; Through type round pipe; Structural optimization

U462.3

A

1671-7988(2023)11-82-04

钟镓泞（1995－），女，工程师，研究方向为汽车碰撞安全仿真与试验，E-mail:390841282@qq.com。

柳州市科技计划项目资助（2021AAA0103）。

10.16638/j.cnki.1671-7988.2023.011.014