面向侧面柱撞的微型客车耐撞性研究

林智桂　吕俊成　罗覃月　贾丽刚

上汽通用五菱汽车股份有限公司，柳州，545007

面向侧面柱撞的微型客车耐撞性研究

林智桂吕俊成罗覃月贾丽刚

上汽通用五菱汽车股份有限公司，柳州，545007

摘要：基于侧面柱碰撞的理论，对比分析了微型客车与轿车的质心、结构及总布置对能量传递和车体结构耐撞性的影响，指出了微型客车结构的改进方向，并据此进行了微型客车侧面柱碰撞仿真分析和结构优化。研究结果显示，优化后微型客车耐撞性能得到显著提升，证明所提出的微型客车侧面柱撞优化方法是可行的。

关键词：微型客车； 侧面柱碰撞； 仿真分析； 结构优化

0引言

2006年，加拿大交通部对亚太、北美和欧洲地区交通事故数据所作分析显示，在实际汽车交通碰撞事故中，因汽车侧面车身结构没有足够的碰撞缓冲空间而造成的侧碰事故中，乘员重伤及死亡率达到25%，是交通事故中导致乘员重伤及死亡的主要事故形态，侧碰事故中，43%～55%的事故形态为车-车碰撞，12%～16%的事故形态为车体侧面与柱状物的碰撞[1]。我国道路交通事故统计数据显示，在所有侧碰事故导致的乘员死亡案例中，车体侧面与柱状物撞击导致的乘员死亡率达到了38%[2]。国内现行侧碰标准为GB20071-2006 汽车侧面碰撞的乘员保护，其试验要求(进行50km/h可变形移动壁障的侧面碰撞)无法有效考核柱状物体与车体发生撞击过程中的乘员损伤情况。

关于侧面柱碰撞事故形态，国际上现行法规或评价标准有Euro-NCAP、US-NCAP、K-NCAP、A-NCAP等。各标准的主要差异体现在：碰撞的假人及伤害指标﹑碰撞柱的尺寸﹑碰撞速度和角度、碰撞基准点的位置等方面[3-4]，国内侧面柱撞标准目前正在制定过程中。

国内外学者近年来进行了大量的以侧面移动壁障碰撞为主的研究，但这些研究主要集中在轿车，对微型客车的研究甚少。微型客车有着与轿车截然不同的结构和布置特点，因此对其进行侧面柱碰撞研究具有重要意义。

1侧面柱碰撞车体力学分析

1.1车体力学分析

侧面柱碰撞与侧面可变形移动壁障碰撞的主要差异为：侧面柱碰撞中，碰撞瞬间的车体运动由侧向平动和绕柱旋转运动组成。试验车辆碰撞后的旋转运动是由车体重心相对碰撞接触面产生的力矩导致的，该旋转运动包含绕车体重心和绕碰撞界面的旋转。从车辆与碰撞柱接触瞬间开始的整个侧面柱碰撞过程中，轮胎与地面的摩擦所消耗的能量小于车辆初始动能的1%，因此以下的讨论未计入轮胎-地面间摩擦所消耗的能量。故侧面柱碰撞中车体变形吸收的能量不能简单地等效为其初始动能[5]。图1为侧面柱碰撞试验俯视图。

图1　侧柱碰撞试验俯视图

根据牛顿第二定律可得碰撞中车体的受力：

F=mag

(1)

式中，ag为车体质心处的合成加速度。

碰撞瞬间，车体的合成加速度ag为

ag=ap+hα

(2)

式中，ap为车体与碰撞柱接触面处的加速度；h为车体重心与碰撞接触面的力臂；α为碰撞瞬间的角加速度。

将式(2)代入式(1)有

F=m(ap+hα)

(3)

假设碰撞界面的角动量守恒，则有

dL/dt=Fh=Iα=mR(Rα)

(4)

式中，L为角动量；R为旋转半径。

从而可得α=Fh/(mR2)，由式(3)、式(4)得碰撞界面的加速度：

(5)

侧面柱碰撞时，αp的作用方向与重心并不重合，因此需要对质量参数进行修正，式(5)为修正质量参数后αp的表达式，碰撞界面的等效质量为mR2/(R2+h2)，由式(1)、式(5)可得ag=αpR2/(R2+h2)，由此可得

(6)

不考虑碰撞后的反弹速度的情况下，车体吸收的能量为

(7)

式中，Δvp为vp的变化量；I|ω|2/2为车体在z方向上围绕其重心旋转的能量，I=mR2；ω为z方向上的旋转角速度。

在碰撞的结束阶段，碰撞界面的平动速度为零，即Δvp=v0，且碰撞柱为刚体，式(7)可表示为

(8)

从式(8)可以看出，侧面柱碰撞中车体吸收的能量由4个参数决定：碰撞车的质量m、碰撞初速度v0、撞击点的位置R和h。当碰撞中心线通过车辆的重心位置时，h=0，此时旋转能量为零，车辆吸收的能量最大，也对车身结构要求最高。

1.2乘员力学响应分析

整车的侧面柱碰撞试验中，乘员的受力如图2所示。图2中，Fp为刚性柱施加在车门和侧围结构上的撞击力；Fd为车门内饰板与侧碰假人间的相互作用力；Fs为车体结构对车门和侧围侵入的抵抗力，是车体结构给侧围的支撑力。

图2　侧面柱碰撞中乘员的受力分析图

根据牛顿第二定律，碰撞中侧围结构动量变化率等于其上作用力的矢量和：

-d(mcwvcw)/dt=∑F=Fp-Fs-Fd

(9)

Fd=Fp+d(mcwvcw)/dt-Fs

(10)

式中，mcw、vcw分别为车门及侧围质量和侵入速度。

由式(10)可知，假人受到的作用力与Fp、mcwvcw和Fs有关。降低侧围结构(主要是车门及B柱内板)的侵入速度vcw和提高车身支撑结构的反作用力Fs，可有效降低柱碰中的乘员受力并降低伤害。

1.3微型客车侧面柱碰撞特点分析

1.3.1质心位置对碰撞能量的影响分析

通过对比可以发现，乘用车的发动机一般前置，因此整车质心相对靠前；微型客车发动机中置，整车质心相对更靠后。同时，乘用车前排座椅参考点(R点)与前轮心距离较大，一般位于整车质心之后；微型客车前排座椅R点与前轮心距离较小，一般位于整车质心之前。分别选取两款典型的紧凑型乘用车和微型客车，对比整车质心与碰撞刚性柱中心x向距离，如表1所示。

表1　某紧凑型乘用车与某微型客车

由表1可知，乘用车质心在刚性柱前178 mm，微型客车质心在刚性柱后336 mm，即微型客车车体质心与碰撞接触面的距离h更大，由式(8)可知，h越大，其碰撞能量中的旋转能量就越大，通过车体变形来吸收的线性冲击能量就越小。因此，微型客车的质心与刚性柱的相对位置更有利于车体结构的设计。

1.3.2车体结构对侧柱碰撞性能的影响分析

发动机在车辆中布置形式的差异，不但影响到质心在整车中的位置，而且也会导致车身结构上的差异。前置发动机的乘用车一般采用承载式车身结构，其下车体座椅横梁及其他横梁结构被中通道阻断，不利于侧面柱碰撞中将碰撞力快速传递到车身另一侧和抵抗车体变形，如图3所示。侧面柱碰撞的能量分布与侧碰不同，它主要集中在与圆柱直径等宽的狭长区域内；侧碰的撞击范围在整个侧围中下部，它的能量分布均匀有利于向A、C柱扩散并传递到另一侧。

图3　乘用车结构特点

中置发动机的微型客车一般采用半承载式车身结构，具有完整的纵梁及贯通的横梁结构；刚性柱撞击位置具有微型客车特有的前排座椅框结构(中置发动机舱)、发动机及其悬置结构。为了容纳发动机，座椅框一般具有较大的X向和Z向尺寸，其Z向高度可达白车身Z向高度的25%，大大增加了与刚性柱的重叠面积。微型客车的这些特有结构有利于提高侧面柱碰撞中的Fs，能够在碰撞中将碰撞力快速地传递到车身另一侧和抵抗车体变形，从而降低假人上的作用力和伤害。微型客车结构特点如图4所示。

图4　微型客车结构特点

2侧面柱碰撞仿真

2.1柱碰撞仿真模型

侧面柱碰撞模型以经过试验验证的整车侧面碰撞模型为基础，按照欧洲侧面柱碰撞试验Euro NCAP要求(与制定中的国家标准中碰撞模式A的90°角29 km/h刚性柱碰基本相同)，建立侧面柱碰撞FE仿真模型进行研究。

仿真碰撞严格按照欧洲侧面柱碰撞试验法规要求确定仿真碰撞的边界条件，其中，车体侧向碰撞初始速度为29.5 km/h，刚性柱直径为254 mm(其横向垂直面通过驾驶员假人头部重心)，计算时间设为100 ms(超过碰撞中车身最大侵入量时刻)，计算求解器软件为LS-DYNA，网格单元类型为Shell，单元尺寸10 mm，按实车情况赋材料属性，其中车身钣金件材料类型为MAT24。有限元模型如图5所示。

图5　侧面柱碰撞有限元模型

2.2仿真结果

在侧面柱碰撞结构分析中，最重要的是控制B柱和前侧门的侵入量和侵入速度。图6为原设计状态车门内板及B柱侵入速度与时间关系曲线，图7为原设计状态车门内板及B柱侵入位移与时间关系曲线，图8～图10分别为原设计车身变形情况。

(a)第一组位置

(b)第二组位置图6　原设计状态车门内板及B柱侵入速度-时间曲线

(a)第一组位置

(b)第二组位置图7　原设计状态车门内板及B柱侵入位移-时间曲线

图8　原设计整体变形情况

图9　原设计下车体变形情况

图10　原设计座椅框变形情况

2.3问题分析

由以上轿车与微型客车侧面柱碰撞的特点对比分析可知，因为车身结构与质心位置存在差异，虽然原微型客车设计中的车门侵入速度达到8 m/s，最大侵入量达到242 mm，但并不比轿车的耐撞性能差，也更容易实现侧面柱碰撞车体耐撞性能的提升。

因为在原来的车型设计中没有考虑侧面柱碰撞的情况，车身结构对侧围的支撑和传力作用较差，因此在仿真分析中出现了门槛、车门、座椅框变形严重的情况，须进行针对性的优化和改进。

从仿真结果和设计上看，出现以上问题的根本原因是：①座椅框内的加强板材料等级低(牌号为BLD)、结构设计不合理；②缺少设计门槛加强板结构；③碰撞路径上，缺少门槛与大梁之间的支撑结构；④车门防撞杆和侧围上边梁材料等级低。

3改进方案及结果

3.1改进方案

针对原设计的问题，结合微型客车结构特点，充分利用上、中、下三条能量传递路径，如图11所示，提出改进方案如下。

图11　车身能量传递路径

路径1增加门槛加强板，增加门槛内板支撑板、门槛与大梁支撑板，增加大梁内板支撑板。以上新增零件的材料均为590DP，厚度为1.4 mm。

路径2将前门防撞梁材料由B450LA改为B1500HS，将厚度由0.8 mm改为1.6 mm；将座椅框横梁材料由BLD(厚度为1.2 mm)改为590DP(厚度为1.4 mm)，并去掉一个冲压工艺筋条。

路径3上边梁、A柱内板材料ST13改为590DP，厚度0.8 mm改为1.2 mm。

以上更改方案如图12所示，用深色标识的零件为新增或更改的零件。

图12　车身改进方案示意图

3.2改进结果及分析

图13所示为改进方案状态车门内板及B柱侵入速度与时间关系曲线，图14所示为改进方案状态车门内板及B柱侵入位移与时间关系曲线，图15～图17所示为改进后的车身变形情况。

(a)第一组位置

(b)第二组位置图13　改进方案车门内板及B柱侵入速度-时间曲线

3.3结果分析

改进后，车门内板及B柱的最大侵入速度由8 m/s降低到6.9 m/s，降低了14%；最大侵入量由242 mm降低到119 mm，降低了50.8%。改进效果非常明显。

对比仿真结果可知，改进后，门槛的最大截面力由29 kN提高到46 kN，提高了58%，如图18所示；座椅框结构的最大截面力由48 kN提高到83 kN，提高了73%，如图19所示。同时发现，车门防撞梁和侧面上边梁的变形明显减小，但截面力提升不大，这是因为门槛和座椅框结构很好地抵抗了车身侧围变形。

(a)第一组位置

(b)第二组位置图14　改进方案车门内板及B柱侵入位移-时间曲线

图15　改进方案整体变形情况

图16　改进方案下车体变形情况

图17　改进方案座椅框变形情况

(a)改进方案

(b)原设计状态图18　门槛截面力-时间曲线对比

(a)改进方案

(b)原设计状态1.整个座椅框结构截面力测点1　4.后横梁截面力测点12.整个座椅框结构截面力测点2　5.后横梁截面力测点23.整个座椅框结构截面力测点3　6.后横梁截面力测点3图19　座椅框结构截面力-时间曲线对比

4结论

(1)研究表明，侧面柱碰撞中，同等质量的微型客车与轿车相比，微型客车产生的旋转能量更大，而需车体变形来吸收的线性冲击能量更小，车体侵入量和侵入速度更低，在侧面柱碰撞中更有有利于乘员保护。

(2)微型客车因它中置发动机布置形式及特有的座椅框结构，使其在柱碰撞中有利于将碰撞力快速传递到车身另一侧并抵抗车体变形，该结构在侧面柱碰撞中体现出来的优势是传统轿车所不具备的。

(3)优化微型客车能量传递路径是提高侧面柱碰撞性能的重要实现方式。通过优化某车型中间座椅框的传递路径，使得侵入量降低50%，侵入速度降低14%。

参考文献：

[1]Tylko S，German A，Dalmotas D J，et al. Improving Side Impact Protection: Response of the ES-2re and WorldSID in a Proposed Harmonized Pole Test[C]//Proceedings of the International Research Council on the Biomechanics of Injury Conference. Madrid，2006：213-224.

[2]沈宇明. 侧面碰撞事故中的乘员伤害分析[J]. 汽车与安全，2009(7)：61-65.

Shen Yuming,Occupant Injury Analysis of Side Impact Accident[J]. Auto & Safety,2009(7)：61-65.

[3]Euro-NCAP. Pole Side Impact Testing Protocol Version4.2[S]. Brussels，2008：23.

[4]Natonal Highway Traffic Safety Administration (NHTSA). Laboratory Test Procedure for the New Car Assessment Program (NCAP) Side Impact Rigid Pole Test (Rev.09/19/12) [S]. Washington D C： U.S. Department of Transportation，2012：25-45.

[5]朱海涛，孙振东. 侧面柱碰撞的研究[J]. 交通标准化，2006(7)：174-178.

Zhu Haitao，Sun Zhendong. Research on Pole Side Impact[J]. Communications Standardization，2006(7)：174-178.

(编辑张洋)

ResearchonCrashworthinessofMinivansFacedonPoleSideImpact

LinZhiguiLüJunchengLuoQinyueJiaLigang

SAICGMWulingAutomobileCo.,Ltd.，Liuzhou，Guangxi，545007

Abstract:Based on the mechanism of side pole impact, the influences of energy transmission and crashworthiness among minivan and sedan’s center of gravity, structure and packaging was compared and analyzed herein. The improvement direction of minivan structure was put forward by the analyses. The simulation of minivan side pole impact and structural optimization was carried out. The results show that crashworthiness performance of minivan is improved significantly, which proves that the optimization methods of minivan side pole impact are feasible.

Key words:minivan; pole side impact; simulation analysis; structure optimization

收稿日期：2015-03-15

中图分类号：U461.91

DOI：10.3969/j.issn.1004-132X.2016.01.021

作者简介：林智桂，男，1983年生。上汽通用五菱汽车股份有限公司技术中心工程师。主要研究方向为汽车主被动安全性能集成、汽车碰撞安全仿真与试验。发表论文2篇。吕俊成，男，1978年生。上汽通用五菱汽车股份有限公司技术中心高级工程师。罗覃月，女，1984年生。上汽通用五菱汽车股份有限公司技术中心工程师。贾丽刚，男，1982年生。上汽通用五菱汽车股份有限公司技术中心工程师。