不同C-NCAP版本側(cè)面碰撞車輛結(jié)構(gòu)響應(yīng)特性

侯延軍 楊帥 李根

（中國汽車技術(shù)研究中心）

汽車側(cè)面碰撞事故約占事故總數(shù)的30%，僅次于正面碰撞，而在造成死亡和重傷的事故中，側(cè)碰事故約占35%。汽車側(cè)面是整車中相對薄弱的部位[1]。側(cè)面碰撞的安全性研究主要包括結(jié)構(gòu)安全性和乘員安全性研究。其中結(jié)構(gòu)安全性是乘員保護(hù)的基礎(chǔ)，可提供給乘員足夠的生存空間，是汽車安全設(shè)計中首要關(guān)注的項目[2]?，F(xiàn)階段，很多國內(nèi)科研機(jī)構(gòu)和高校均對側(cè)面碰撞工況的車身結(jié)構(gòu)耐撞性及乘員保護(hù)性做了不同程度的研究開發(fā)，取得了顯著的改善成果[3-4]。但是，以上分析及研究工作是基于現(xiàn)有的側(cè)面碰撞工況，如歐標(biāo)的AE-MDB、國內(nèi)的MDB[5]及側(cè)面柱狀壁障等展開的。由于2018版C-NCAP[6]側(cè)碰工況對壁障及假人均進(jìn)行了調(diào)整，對新型側(cè)碰壁障及碰撞假人的研究工作尚無機(jī)構(gòu)開展。基于現(xiàn)狀，文章針對2個版本側(cè)碰工況的車身結(jié)構(gòu)響應(yīng)進(jìn)行了研究，確定了針對2018版C-NCAP的車身側(cè)面結(jié)構(gòu)開發(fā)方法。

1 不同版本C-NCAP側(cè)碰工況解析

在2015版C-NCAP和2018版C-NCAP標(biāo)準(zhǔn)中，側(cè)面可移動壁障碰撞工況的設(shè)定，如圖1所示。

圖1 可移動壁障側(cè)碰工況對比

為了便于描述，將2015版C-NCAP側(cè)碰工況簡稱為 MDB，2018版 C-NCAP側(cè)碰工況簡稱為 NMDB。NMDB壁障碰撞位置與MDB壁障差異較大，其初始碰撞能量較MDB提升了47.4%。2種壁障和某車按試驗方式定位后，壁障與車型的位置關(guān)系，如圖2所示。

圖2 不同壁障與某車型位置關(guān)系示意圖

由圖2可以看出，MDB壁障和車身接觸區(qū)域主要包括前門、B柱、后門及門檻，而NMDB采用大壁障進(jìn)行測試，其和車身接觸區(qū)域已延伸至C柱下部區(qū)域。此外，由于NMDB的離地高度較MDB高50 mm，使得NMDB壁障同門檻搭接的區(qū)域大大減小。

2 車身結(jié)構(gòu)對不同版本C-NCAP側(cè)碰響應(yīng)的一般規(guī)律

為研究車身結(jié)構(gòu)在不同側(cè)碰工況中的響應(yīng)，采用了具有市場代表性的A級轎車和緊湊型SUV車型，分別建立了MDB與NMDB的可移動壁障側(cè)碰模型。圖3示出側(cè)碰試驗中B柱測量位置示意圖。2種車型在MDB和NMDB工況下的B柱侵入曲線對比，如圖4所示。

圖3 側(cè)碰試驗中B柱測量位置示意圖

圖4 2種車型B柱侵入結(jié)果曲線對比

由圖4可以看出：對于SUV車型，采用NMDB壁障較采用MDB壁障的車型，B柱由中間向兩端侵入的幅度有不同程度的增加，增幅最大達(dá)到38%，出現(xiàn)在B柱中下位置處；對于轎車來說，采用NMDB壁障較MDB壁障的B柱上部侵入量增加不多，但在中部及中下位置侵入量大幅增加，增幅達(dá)34%。對于NMDB壁障碰撞，2款車型的B柱呈梯形侵入分布。

2款車型在MDB和NMDB工況碰撞后前后車門內(nèi)板的變形對比，如圖5所示。

圖5 2款車型在不同側(cè)碰模式下車門內(nèi)板變形對比

從圖5可以看出：MDB碰撞工況下，SUV車型和A級轎車側(cè)圍結(jié)構(gòu)變形均較小，車門防撞梁凸痕明顯；NMDB碰撞工況下，車門及門檻變形更為嚴(yán)重，車門防撞梁嚴(yán)重內(nèi)凹，后門至后輪胎區(qū)域也發(fā)生嚴(yán)重潰縮變形，后車門的嚴(yán)重變形將大大降低車身對后排乘員的保護(hù)性。

對于同種碰撞工況，SUV車型較轎車車型的側(cè)碰結(jié)構(gòu)耐撞性要強(qiáng)。SUV車型離地間隙高于轎車車型，其在MDB和NMDB工況中，門檻和壁障接觸區(qū)域較轎車車型要大一些，這是SUV車型在側(cè)碰工況能保持較好側(cè)碰耐撞性的原因之一。

由以上分析可知，在2種側(cè)碰工況中，不同類型車身結(jié)構(gòu)的響應(yīng)是不同的，所以在汽車結(jié)構(gòu)設(shè)計中，應(yīng)根據(jù)不同車型的碰撞響應(yīng)特征，針對不同的碰撞工況，分別對不同位置或部件進(jìn)行設(shè)計與優(yōu)化。

3 車身側(cè)碰關(guān)鍵結(jié)構(gòu)的確定及其對不同側(cè)碰工況的影響

為保證不同側(cè)面壁障碰撞下車身結(jié)構(gòu)的耐撞性，并提高側(cè)碰車身結(jié)構(gòu)安全性設(shè)計的效率，有必要對側(cè)面車身結(jié)構(gòu)關(guān)鍵變形區(qū)域及關(guān)鍵件進(jìn)行確認(rèn)。對某SUV和A級轎車車型MDB和NMDB碰撞的CAE結(jié)果進(jìn)行分析，統(tǒng)計車身變形區(qū)域主要包括：A柱、B柱、C柱、門檻、側(cè)面上邊梁、座椅橫梁、前后地板、頂棚橫梁及前后車門等。車身側(cè)面結(jié)構(gòu)受力分為2種模式，如圖6所示：一種是抗折彎變形，包括A柱、B柱、C柱、車門防撞梁、門檻及頂棚縱梁；另一種是抗Y向潰縮變形，包括前后地板、座椅橫梁及頂棚橫梁。此外，由于門檻和碰撞壁障為非完全重疊接觸，所以其還將承受彎扭變形（側(cè)向翻轉(zhuǎn)）。

圖6 車身側(cè)面主要變形及承力結(jié)構(gòu)示意圖

側(cè)碰工況中為保障駕駛員及后排假人的生存空間，需要控制側(cè)面結(jié)構(gòu)的侵入量。MDB結(jié)構(gòu)開發(fā)中，一般重點關(guān)注的是B柱及前后車門的侵入量。NMDB工況可以參考MDB工況對關(guān)注的指標(biāo)進(jìn)行定性分析。此外，NMDB工況采用大壁障及壁障碰撞位置靠近后排假人，需額外關(guān)注C柱結(jié)構(gòu)的變形及侵入量。

3.1 B柱強(qiáng)度對側(cè)面碰撞結(jié)構(gòu)性能的影響

為比較2種工況下B柱強(qiáng)度對車身側(cè)面結(jié)構(gòu)侵入量的影響，在保證車頂橫梁不發(fā)生較明顯彎折的前提下，分別采用了2種不同強(qiáng)度的B柱進(jìn)行計算，其中II號B柱強(qiáng)度要強(qiáng)于I號B柱。2種車型不同強(qiáng)度B柱的侵入量對比，如圖7所示。

圖7 2種車型不同強(qiáng)度B柱的侵入結(jié)果對比

由圖7可見：對于A級轎車而言，2種碰撞工況中，加強(qiáng)B柱對其中上段侵入量有明顯改善，MDB工況的B柱加強(qiáng)后，其侵入量降為原來的74.7%，NMDB工況的B柱加強(qiáng)后，其侵入量降為原來的79.4%；對于SUV車型而言，B柱的加強(qiáng)對B柱整體侵入量均有明顯改善，MDB工況B柱侵入量降為原來的82%，NMDB工況B柱侵入量降為原來的64%。

圖8示出側(cè)碰試驗中汽車頂棚測量位置示意圖。B柱加強(qiáng)前后，頂棚縱梁侵入結(jié)果，如圖9所示。從圖9可以看出：對于某款A(yù)級轎車，B柱加強(qiáng)后，2個工況頂棚縱梁Y向侵入均有不同程度的降低；但對于某SUV車型而言，B柱強(qiáng)度增加，頂棚縱梁Y向侵入量增大，在B柱正上方位置增幅最大，達(dá)到100%。在SUV車型側(cè)面碰撞安全結(jié)構(gòu)設(shè)計中，需要考慮B柱強(qiáng)度對頂棚的影響，以保證側(cè)氣簾正常展開，完成其對車內(nèi)乘員的保護(hù)。

圖8 側(cè)碰試驗中汽車頂棚測量位置示意圖

圖9 不同B柱強(qiáng)度下頂棚縱梁侵入結(jié)果對比

3.2 座椅安裝橫梁強(qiáng)度對側(cè)面碰撞結(jié)構(gòu)性能的影響

為研究汽車座椅安裝橫梁強(qiáng)度對側(cè)面結(jié)構(gòu)的影響，分別采用了2種不同強(qiáng)度的座椅安裝橫梁進(jìn)行計算，設(shè)置座椅前后橫梁的強(qiáng)度相當(dāng)。其中I號座椅安裝橫梁強(qiáng)度要強(qiáng)于II號座椅安裝橫梁強(qiáng)度。經(jīng)CAE分析的B柱侵入量對比，如圖10所示。從圖10可以看出：在NMDB和MDB工況下，座椅安裝橫梁對2款車型的B柱侵入量均有較大的影響，尤其影響B(tài)柱中部至下部區(qū)域的Y向侵入；同種碰撞工況下，轎車的座椅橫梁對B柱侵入控制的貢獻(xiàn)要高于SUV車型。

圖10 不同座椅安裝橫梁強(qiáng)度下的B柱侵入結(jié)果對比

調(diào)整座椅安裝橫梁強(qiáng)度前后，頂棚縱梁侵入結(jié)果，如圖11所示。從圖11可以看出：對于某A級轎車車型，2種碰撞工況下，降低座椅安裝橫梁強(qiáng)度，可以適當(dāng)降低頂棚橫梁的Y向侵入量；對于SUV車型，2種碰撞工況下，由于座椅安裝橫梁強(qiáng)度降低，導(dǎo)致頂棚縱梁Y向侵入量大幅增加，增至原來的200%。

圖11 不同座椅安裝橫梁強(qiáng)度下頂棚縱梁侵入結(jié)果對比

3.3 車門防撞梁對側(cè)面結(jié)構(gòu)性能的影響

為研究車門防撞梁強(qiáng)度對車門侵入量的影響，分別采用了2種不同強(qiáng)度的車門防撞梁進(jìn)行計算，設(shè)置前后門防撞梁強(qiáng)度相當(dāng)。其中Ⅰ號防撞梁強(qiáng)度要強(qiáng)于Ⅱ號防撞梁強(qiáng)度。圖12示出側(cè)碰試驗中車門測量位置示意圖。車門防撞梁加強(qiáng)前后，車門內(nèi)板侵入量對比，如圖13所示。

圖12 側(cè)碰試驗中車門測量位置示意圖

圖13 不同車門防撞梁強(qiáng)度下車門內(nèi)板侵入結(jié)果對比

從圖13可以看出：對于A級轎車而言，2種碰撞工況下，車門防撞梁能夠很有效地控制車門內(nèi)板的Y向侵入，車門防撞梁加強(qiáng)后，在2點測量位置前門內(nèi)板侵入量降至原來的88%，后門防撞梁對后門侵入的控制貢獻(xiàn)較小；對于SUV車型而言，前門防撞梁強(qiáng)度增加后，內(nèi)板侵入量降低至原來的85%，NMDB工況下后門防撞梁對控制后門內(nèi)板侵入貢獻(xiàn)要強(qiáng)于MDB工況。

3.4 門檻強(qiáng)度對側(cè)面結(jié)構(gòu)性能的影響

為研究門檻強(qiáng)度對側(cè)面結(jié)構(gòu)的影響，分別采用了2種不同強(qiáng)度的門檻進(jìn)行計算分析。其中I號門檻強(qiáng)度要高于II號門檻強(qiáng)度。經(jīng)CAE分析的B柱侵入量對比，如圖14所示。從圖14可以看出：對于A級轎車車型，門檻強(qiáng)度對B柱侵入影響較為敏感，在測量點5位置MDB和NMDB工況下，門檻強(qiáng)度增強(qiáng)后，B柱侵入量分別降低至原來的58%和40%；對于SUV車型，門檻強(qiáng)度對B柱侵入影響更為敏感，在測量點5位置MDB和NMDB工況下，門檻強(qiáng)度增強(qiáng)后，B柱侵入量分別降低至原來的40%和43%。

圖14 不同門檻強(qiáng)度下B柱侵入結(jié)果對比

門檻加強(qiáng)前后，車門內(nèi)板侵入量對比，如圖15所示。2種碰撞工況下，門檻梁能夠很有效地控制車門內(nèi)板的Y向侵入。從圖15可以看出：對于A級轎車而言，門檻梁加強(qiáng)后，MDB和NMDB工況下在測量位置3處侵入量分別降至原來的71%和75%，后門位置3處侵入量分別降至原來的86%和87%；對于SUV車型而言，門檻梁加強(qiáng)后，MDB和NMDB工況下在測量位置3處侵入量分別降至原來的54%和71%，后門位置3處侵入量分別降至原來的74%和86%。從圖15還可以看出，MDB工況下的門檻對車門侵入的貢獻(xiàn)要優(yōu)于NMDB工況。

圖15 不同門檻梁強(qiáng)度下車門內(nèi)板侵入結(jié)果對比

圖16示出側(cè)碰試驗中門檻測量位置示意圖。門檻梁加強(qiáng)前后，門檻本體侵入量對比，如圖17所示。從圖17可以看出：對于MDB工況，2款車型的門檻強(qiáng)度對門檻本體Y向侵入影響較大；對于NMDB工況，A級轎車門檻強(qiáng)度增強(qiáng)可有效降低門檻本體Y向侵入量，而SUV車型門檻侵入變化不大。

圖16 側(cè)碰試驗中門檻測量位置示意圖

圖17 不同門檻梁強(qiáng)度下門檻侵入結(jié)果對比

3.5 C柱及后地板強(qiáng)度對側(cè)面結(jié)構(gòu)性能的影響

為研究C柱及后地板區(qū)域強(qiáng)度對側(cè)面結(jié)構(gòu)的影響，分別采用了2種不同強(qiáng)度的C柱及后地板進(jìn)行計算分析。其中I號C柱強(qiáng)度要高于II號C柱強(qiáng)度。經(jīng)CAE分析的B柱侵入量對比，如圖18所示。從圖18可以看出：對于A級轎車車型，在MDB工況下，C柱及地板強(qiáng)度對B柱中部至下部區(qū)域侵入影響較大，NMDB工況由于壁障撞擊到了后輪區(qū)域，因此C柱強(qiáng)度降低對B柱侵入并無太大影響；對于SUV車型，在MDB及NMDB工況的C柱強(qiáng)度均對B柱侵入有較大影響，C柱加強(qiáng)后B柱下部侵入變化最大，分別達(dá)到75%和64%。

圖18 不同C柱及后地板強(qiáng)度下B柱侵入結(jié)果對比

C柱及后地板加強(qiáng)前后，門檻侵入量對比，如圖19所示。從圖19可以看出：2種碰撞工況下，2種車型的C柱及后地板強(qiáng)度對門檻侵入的影響較大，尤其影響門檻后段的Y向侵入；由于C柱及后地板的支撐不足導(dǎo)致門檻后段的侵入量增加，將影響到后排假人的生存空間，不利于對后排乘員的保護(hù)，NMDB工況下SUV車型更為明顯。

圖19 不同C柱及后地板強(qiáng)度下門檻侵入結(jié)果對比

4 結(jié)論

通過對MDB和NMDB工況的比較及2種工況下不同類型車身結(jié)構(gòu)響應(yīng)的分析可知：

1）NMDB碰撞工況對車身結(jié)構(gòu)耐撞性的要求要明顯高于MDB工況，同款車型NMDB碰撞側(cè)面結(jié)構(gòu)變形明顯差于MDB工況。

2）基于NMDB碰撞工況的結(jié)構(gòu)耐撞性開發(fā)同MDB工況結(jié)構(gòu)耐撞性開發(fā)既有一致性特點也有不同之處。2種工況下相同側(cè)面關(guān)鍵結(jié)構(gòu)件包括B柱、門檻、座椅安裝橫梁及車門防撞梁。NMDB工況下C柱及后地板強(qiáng)度對后排假人空間侵入影響更為敏感。

3）NMDB工況下，門檻強(qiáng)度對SUV車型結(jié)構(gòu)變形影響較A級轎車更為敏感，B柱強(qiáng)度對A級轎車結(jié)構(gòu)變形影響高于SUV車型。

4）2種碰撞工況下，車門防撞梁強(qiáng)度提升可有效降低車門內(nèi)板的侵入。在NMDB工況下，車門防撞梁降低車門內(nèi)板侵入的效果更為明顯。