基于C-IASI白车身结构正面和侧面碰撞分析与优化

熊辉 方军 胡钊

摘  要：某款已经量产的SUV在前期设计开发过程中，未充分考虑C-IASI规程中车内乘员安全工况，不能满足最新C-IASI工况设计目标。以本款SUV白车身为研究对象，建立有限元模型按C-IASI规程的验证工况进行车内乘员安全的受力分析和试验摸底。依据车身骨架结构的力学特性及分析结果进行骨架结构优化设计，最终经过有限元分析及实车验证达到设计目标；通过有限元分析方法和方案优化，可以在数据设计阶段有效改善车身安全性，大大缩短车身开发周期和成本。

关键词：SUV；C-IASI；车身骨架优化设计；车内乘员安全

中图分类号：U467.1      文献标识码：A      文章编号：1005-2550（2023）04-0008-05

The BIW Structure Analysis and Optimization Based on C-IASI Frontal and Side Impact

XIONG Hui， FANG Jun， HU Zhao

（Chery Automobile Co.， Ltd， Wuhu 241000， China）

Abstract： In the early design and development process of a mass-produced SUV， the safety conditions of the members in the C-IASI regulations were not fully considered， which could not meet the latest C-IASI design goals. Taking the white body of this SUV as the research object， a finite element model was established to conduct force analysis and experimental investigation on the safety of members inside the vehicle according to the validation conditions of C-IASI regulations. Based on the mechanical characteristics and analysis results of the body skeleton structure， the optimization design of the skeleton structure is carried out， and the design goal is ultimately achieved through finite element analysis and actual vehicle verification; Through finite element analysis methods and scheme optimization， the safety of the vehicle body can be effectively improved during the data design phase， greatly shortening the development cycle and cost of the vehicle body.

Key Words： SUV; C-IASI; Optimization Design of Vehicle Body Framework; Safety of Members Inside the Vehicle

1    前言

據中国汽车工业协会发布的信息，自2009年来中国的汽车市场越来越大，其中汽车产量和销量已经持续7年稳居世界第一，中国市场的汽车保有量达到了1.72亿辆。汽车的设计、制造与开发、使用及相关保险服务都与国民的财产、人身安全、生活幸福及社会稳定息息相关。

由于汽车的速度越来越高，汽车事故造成的人员伤亡和财产损失也越来越大。目前主要的汽车市场国家都非常重视，国家标准及第三方机构对汽车碰撞安全性提出了各自的要求。世界各国安全机构都是以汽车碰撞试验作为汽车安全的考评指标。

C-IASI是中国汽车工程研究院和中保研汽车技术研究院在中国保险行业协会指导下协同制定的中国保险汽车安全指数，其主要为消费者购车养车提供参考、为保险公司承担理赔提供技术支撑、为整个企业优化产品设计提供输入、为政府部分监督管理提供信息[1]。C-IASI经过两年多的积极努力，围绕人车交互的立体交通环境中车损、人伤等相关的各种因素，在对世界上主要汽车工业国家消费市场及汽车设计技术发展历程的研讨基础上，经过大量的分析和理论调研及摸底试验，成立了中国保险汽车安全指数体系。该体系包含：耐撞性与维修经济性指数、车内乘员安全指数、车外行人安全指数和车辆辅助安全指数四个维度。这四个指数从汽车购买环节、使用产生的财产风险、使用产生的安全伤亡风险等以指数为表达形式，将汽车产品使用风险数字化和清晰化，从购买拥有到保险的各种维度客观评价车辆的使用安全特征、经济特性。

2    C-IASI试验工况

C-IASI分别从车辆耐撞性、维修经济性指数、车内乘员安全指数、车外行人安全指数、车辆辅助安全指数等四个方面对车辆进行测试评价。

其中车内乘员安全指数和白车身的结构设计开发息息相关。车内乘员安全指数整体评价涵盖驾驶员侧正面25%偏置碰撞、侧面碰撞、车顶强度和座椅/头枕四个工况，评价结果分为优秀、良好、一般和较差四个评级。评价等级依次用 G、 A、 M、 P 表示如表1所示：

2.1   正面25%偏置碰撞试验

汽车驾驶员侧的正面25%偏置碰撞试验在车辆以64.4km/h±1km/h的速度，车辆和壁障以25%±1%的重叠率车辆正面撞击固定刚性壁障。试验前在试验车辆驾驶员位置上放置一个Hybrid III 50%假人，第二排撞击侧放置一个Hybrid III 5%女性假人。试验假人用于测量碰撞过程中驾驶员、第二排乘员的损伤情况，同时采用高速摄像设备观察假人的运动轨迹及和车辆的碰撞情况。驾驶员侧正面 25%偏置碰撞的评价分为约束系统和假人运动、假人伤害、车辆结构三个方面[2]。本次主要研究的对象为车身结构的耐撞性，重点分析和解决车身结构在碰撞中的问题及解决方案，试验如图1所示。

2.2   侧面碰撞

侧面碰撞试验相对简单，碰撞使用移动变形壁障（MDB）来撞击车辆的驾驶员侧，如图2所示。在移动变形壁障的前端安装IIHS碰撞块。MDB移动和撞击方向与试验车辆的Y轴平行，与纵向中心平面垂直。具体MDB碰撞速度为50km/h± 1km/h，纵向中心线对准试验车辆碰撞标识线。提前在试验车辆的驾驶员位置、第二排左侧座椅位置上分别放置一个SID-IIs型（D 版）假人，试验中采用高速摄像设备观察假人碰撞过程中头部、身体的运动，并且通过假人的身体传感器来测量和判断驾驶员、第二排左侧乘员的损伤情。侧面碰撞的评价主要为假人伤害值、假人的碰撞运动姿态、车辆结构的变形情况三个方面[3]。

3    某款SUV白车身车内乘员安全指数评价

某款白车身由于设计开发较早，时间早于C- IASI发布的最早规程2017版。因此在设计开发中未全面考虑正面25%偏置碰撞及侧面碰撞工况下车身的结构设计。面向新的市场需求及新的安全目标，本项目建立C-IASI-2022版3G1A的正向提升目标，白车身评价指标驾駛员侧正面25% 偏置碰撞、侧面碰撞按照2G进行设计优化和开发。

首先针对该款SUV白车身进行有限元建模，按照C-IASI试验工况进行有限元分析和实车碰撞试验摸底。其中关联白车身的相关内容整体评价结果如下表2所示：

3.1   正面25%偏置碰撞有限元分析

其中正面25%偏置碰撞的角度特殊，碰撞的传递路径避开了车辆的防撞钢梁和前纵梁，碰撞力直接接触到轮胎然后传递到白车身A柱，A柱发生较大变形和焊点开裂，整个白车身的传力结构会造成失去稳定性最终导致乘员舱的生存空间受到挤压。碰撞有限元仿真分析结果如图3所示：

从分析模型上提取的前舱各零件的侵入量绘制如上图4所示的图形，可以清晰的显示哪些区域侵入量过大。本SUV车型主要在A柱下铰链、左侧搁脚板、左侧足板、A柱上铰链区域变形量较大，在后期的优化中先优化传递路径，然后针对薄弱环节再进行结构加强。

3.2   侧面碰撞有限元分析

侧面碰撞有限元分析后，通过变形后的车身评估检查车身的侧面框架保护免受MDB侵入乘员舱的程度，同时也会测量驾驶员、后排座椅中的假人传感器收集的伤害程度。本次CAE模拟验证B柱整体姿态稳定，和B柱、门槛的防撞结构起到相应的作用，其中B柱中间区域变形后生存空间96.4mm，此处需要继续改善B柱及车门防撞横梁的结构设计强度，如图5和图6所示：

4    某SUV白车身结构优化

针对25%偏置碰撞如上问题点，整体改善思路为防撞横梁Y向宽度增加和延伸[4]、轮罩上加强梁加长延伸至前纵梁连接、A柱上边梁增加加强板、门槛增加加强板、A柱竖板进行结构加强、A柱竖板增加支撑板、前纵梁和中纵梁进行加强连接。针对本SUV分析结果共提出6组改善方案，详细见图7所示，方案的详细信息见表3所示。

如上方案改善后的偏置碰进行了有限元的分析，A柱下铰链、左侧搁脚板、左侧足板、A柱上铰链区域都得到了较大的改善，详细如图8所示：

针对侧面碰撞的主要改善措施是增加侧碰区域B柱强度改善耐撞性，针对B柱加强板上下分区设计，上段加强下段进行弱化，B柱加强板增加补丁板加强，详细方案如图9所示[5]。

以上方案改善之后进行了有限元分析，分析结果如图10所示，B柱侵入量减少了42mm，侧围上、下支撑稳定，整个碰撞过程有效稳住了整个B柱传力路径及姿态，防撞结构起到了很好的防护作用。

如上结构优化后侧面碰撞车身结构变形后满足假人生存空间要求，G的目标要求≥137mm，车身具备G的条件。

如上方案全部体现后，开展了C-IASI实车方案试验验证，实施上述8个改善建议后， 重新进行25%偏置碰撞碰撞试验及侧碰试验。新的碰撞结果得到G的评价如表4所示，试验结果与仿真预测的结果几乎完全一致，如图11和图12所示：

5    结论

C-IASI越来越受到国内的重视，25%小偏置碰撞和侧碰是C-IASI的重要组成部分，尤其是先于C-IASI规程前开发的车型改善起来更为困难[6]。本论文通过对某SUV进行小偏置碰撞、侧面碰撞的仿真分析， 采用优化碰撞路径的策略，通过加强原有车身骨架结构实现C-IASI评分由原来的P和M改善为G等级。通过本次研究和实践得到以下结论：（1）小偏置碰撞过程增加新的shotgun路径，在碰撞过程中先吸能后稳定传导碰撞力非常关键，A柱和门槛及地板下部接头地方需要适当加强，改善A柱的抵抗碰撞的能力；（2）对于乘员的生存空间挑战比较大的侧面碰撞B柱的软硬分区设计是关键，采用不同料厚和强度的钢板实现B柱强度分区，碰撞中均匀减少车身侧面的侵入量，保证驾驶舱的完整性。

参考文献：

[1]C-IASI介绍[EB/OL]. http：//www.ciasi.org.cn/about.

[2]车内乘员安全指数-驾驶员侧正面25%偏置碰撞试验规程（2020 版 2022 年修订）[EB/OL] . http：//www.ciasi.org.cn/ .

[3]车内乘员安全指数-侧面碰撞试验规程（2020 版）[EB/OL] . http：//www.ciasi.org.cn/.

[4]尹云镭. 基于交通事故的车辆25%小偏置碰撞优化研究[D] .重庆大学硕士论文，2022-03-16.

[5]杨浪，戴尹安，唐灿，等.面向 C-IASI开发的汽车侧面碰撞优化设计[J]. 汽车实用技术. 2021，46（59-65）.

[6]凡沙沙，黎谦等. 25%小偏置碰撞策略仿真及优化设计[J]. 汽车零部件. 2021，09（9-14）.