車門側(cè)面碰撞過程中車門與B柱變形的一致性分析

吳石 趙洪偉

摘 要：為了準(zhǔn)確研究碰撞過程中車門和B柱的之間的一致性，更好的分析汽車側(cè)面碰撞過程中前后門的變形對B柱形變形的影響，首先根據(jù)整車側(cè)面碰撞模型信息，采用LS-DYNA對有限元模型進行求解;然后選取車身側(cè)圍結(jié)構(gòu)中B 柱上對應(yīng)假人不同位置點、以及左前門、左后門的位置點，對B柱、前后門侵入量和侵入速度進行動態(tài)分析;最后，分析了車門變形與B柱變形過程中的能量變化情況。仿真結(jié)果表明，在側(cè)面碰撞過程中，侵入速度以及侵入量的變化趨勢相同，侵入速度隨時間變化曲線呈現(xiàn)余弦型變化，侵入量隨時間變化曲線呈現(xiàn)γ型，同時，在整車側(cè)面過程中，前后門侵入量侵入速度越大，對B柱影響越大，這為優(yōu)化門結(jié)構(gòu)和提高門的裝配質(zhì)量提供了基礎(chǔ)。

關(guān)鍵詞：側(cè)面碰撞;侵入量;侵入速度;能量變化;一致性

DOI：10.15938/j.jhust.2020.05.015

中圖分類號： TH164;TG501

文獻標(biāo)志碼： A

文章編號： 1007-2683（2020）05-0106-07

Abstract：In order to accurately study the consistency between the door and the B-pillar during the collision process and better analyze the influence of the deformation of the front and rear doors on the B column deformation during the side collision of the door. Firstly， based on the vehicle side collision model information， the finite element model is solved by LS-DYNA. Then the position of the corresponding position of the dummy on the B-pillar in the body side structure and the position of the left front door and the left rear door are selected to dynamically analyze the intrusion and intrusion speed of the B-pillar and front and rear doors. Finally， the energy changes during the deformation of the door and the deformation of the B-pillar are analyzed. The simulation results show that in the process of side collision， the change trend of intrusion speed and intrusion amount of the door and the B-pillar is the same， the intrusion velocity shows a cosine-type change with time， and the intrusion amount shows a γ-type change with time. In the side process of the vehicle， the greater intrusion speed of the front and rear door intrusion ， the greater influence on the B-pillar， which provides a basis for the optimization of the door structure and the improvement of the assembly quality of the door.

Keywords：side collision; intrusion volume; intrusion velocity; energy change; consistency

0 引 言

隨著汽車保有量的增加，人們越來越重視出行的交通安全，降低道路交通安全事故中的傷亡率，有關(guān)碰撞分析一直是研究的熱點問題。在充分研究并借鑒其他國家 NCAP發(fā)展經(jīng)驗的基礎(chǔ)上，結(jié)合我國汽車標(biāo)準(zhǔn)、技術(shù)和經(jīng)濟發(fā)展水平，中國汽車技術(shù)研究中心正式制定了C-NCAP（中國新車評價規(guī)程）。由于汽車側(cè)面碰撞發(fā)生率僅次于汽車正面碰撞的發(fā)生率，國內(nèi)各大汽車企業(yè)、研究院以及高校陸續(xù)展開對車身側(cè)面碰撞的相關(guān)試驗研究。

2004年國內(nèi)奇瑞轎車進行了側(cè)面碰撞試驗，為我國歷史上的第一次側(cè)面碰撞試驗[1];成艾國、周利輝建立了整車側(cè)面碰撞的有限元模型并進行了試驗驗證，在此基礎(chǔ)上建立了很多參數(shù)化模型，然后將試驗設(shè)計技術(shù)[2]、BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)[3]和多目標(biāo)遺傳算法[4]相結(jié)合來對車身側(cè)圍關(guān)鍵部件常用的高強度鋼板材料和板料厚度進行優(yōu)化設(shè)計，使得兩者達到合理的配置[5];朱敏， 姬琳等從側(cè)面碰撞時 B 柱部件的侵入形態(tài)、侵入量及侵入速度[6]這三個安全性指標(biāo)入手，使用LS-DYNA求解優(yōu)化B柱結(jié)構(gòu)改善抗撞性[7]，為提高汽車側(cè)面碰撞安全性能提供了一定參考[8]。

國外Lesari D等通過研究側(cè)碰中乘員的損傷情況，發(fā)現(xiàn)側(cè)面碰撞中側(cè)圍的侵入量很大程度上決定乘員損傷的嚴(yán)重程度[9];Chin-Hsu Lin對廂式貨車有限元模型的安全氣囊展開時間與實車試驗時的展開時間進行對比，發(fā)現(xiàn)可以通過提高有限元模型的精度來提高仿真結(jié)果的可靠性[10];Sinha， Kaushik研究了汽車受到可移動變形壁障車[11]側(cè)面撞擊時碰撞側(cè)前后車門的撞擊力分布情況，并在此基礎(chǔ)上分析了車身的抗撞性能[12];Pratap Daphal等探討改進側(cè)面碰撞試驗與CAE的結(jié)構(gòu)性相關(guān)性[13]。

側(cè)面碰撞過程中車門和B柱是主要受力部件，侵入速度和侵入量綜合影響著側(cè)面碰撞時的安全狀況，而當(dāng)前考慮車門以及B柱的侵入速度和侵入量關(guān)系的研究較少。本文的研究內(nèi)容是借助相關(guān)有限元分析結(jié)果，對側(cè)面碰撞過程中車門與B柱變化的趨勢進行分析。根據(jù)側(cè)面結(jié)構(gòu)變形情況，分析各零部件的吸能情況。對后處理結(jié)果進行分析，選取車身側(cè)圍結(jié)構(gòu)中B柱上對應(yīng)假人不同位置點的侵入量、侵入速度和變形模式等指標(biāo)來評價整車結(jié)構(gòu)的抗撞性能;在受撞側(cè)左前門、左后門分別取16個、15個測點，對前后門侵入量和侵入速度進行分析對比。

1 車門及B柱模型的建立及參數(shù)設(shè)置

本文中所使用的研究對象是某新型轎車，本文研究的部分為汽車前后門及B柱，車門及B柱的結(jié)構(gòu)數(shù)字模型如圖1所示。

1.1 幾何清理簡化及網(wǎng)格劃分

汽車車身主要從剛度和慣性兩個方面影響車身的抗撞性[13]，因此對相關(guān)鈑金結(jié)構(gòu)進行必要的簡化處理，使有限元模型要能夠反映出實際的結(jié)構(gòu)特性[14]。在網(wǎng)格劃分方面，本次模型采用10mm*10mm的基準(zhǔn)尺寸劃分，主要使用四邊形單元，較少的使用三角形單元，以避免汽車碰撞過程有限元仿真出現(xiàn)的沙漏現(xiàn)象[15]。沙漏的出現(xiàn)表明單元發(fā)生了變形，但是單元的應(yīng)力和應(yīng)變沒有發(fā)生變化，這種變形只能在理論上產(chǎn)生?？刂粕陈┠芸梢圆捎萌e分單元、細化網(wǎng)格、改變加載等方式。

1.2 施加接觸及控制參數(shù)設(shè)置

在整車碰撞分析中的對于移動變形壁障車與整車之間的接觸及輪胎與地面間的接觸，均采用自動面面接觸，使用關(guān)鍵字* AUTOMATIC_SURFACE TO SURFACE *進行設(shè)置;對于整車自身接觸和MDB自身接觸均采用自動單面接觸，使用關(guān)鍵字*AUTOMATIC_SINGLE_SURFACE*進行設(shè)置;對于焊點的接觸，使用關(guān)鍵字*TIED_SHELL_EDGE_TO_SURFACE*（固連接觸）進行設(shè)置。面面接觸時需要確定主從面，原則是凸面、細網(wǎng)格、剛度大、面積大等特征的做主面，與之接觸的做從面[16];另外，定義的邊界條件包括MDB 的初始速度及全局的重力加速度，得到整車側(cè)面碰撞模型如圖2所示，具體整車側(cè)面碰撞信息如表1所示。

在汽車碰撞進行模擬時，由于涉及單元的單點積分、時間積分的中心差分法、時間步長控制等一些基本方程，因此采用顯式非線性有限元方法，并且在單元計算中采用單點高斯積分，可以極大地節(jié)省數(shù)據(jù)存儲量和運算次數(shù)，同時采用*HOURGLASSCONTROL*進行設(shè)置總體附加剛度和粘性阻尼來控制沙漏能。單元內(nèi)任意點的坐標(biāo)用節(jié)點坐標(biāo)插值表示為：

式中：φj為參數(shù)坐標(biāo)（ξ，η，ζ）表示的形函數(shù);m為該單元的節(jié)點數(shù);xji為節(jié)點j的i（i=1，2，3）方向坐標(biāo)。

2 B柱及車門的碰撞分析

2.1 B柱侵入量和侵入速度

B柱作為汽車側(cè)圍結(jié)構(gòu)中的重要承力部件，由于其各截面形狀復(fù)雜，在各截面處抵抗彎曲的能力是不同的，若分布不合理，在撞擊中會產(chǎn)生受彎失穩(wěn)[17]。因此，通常選取車身側(cè)圍結(jié)構(gòu)中 B 柱上對應(yīng)假人不同位置點的侵入量、侵入速度和變形模式[18]等指標(biāo)來評價整車結(jié)構(gòu)的抗撞性能。本文選用 B柱內(nèi)板對應(yīng)假人頭部（Head）、肩部（Beltline）、胸部（Rib）、H 點、門檻位置的最大侵入量、侵入速度作為安全性評價指標(biāo)[19]。

在車身數(shù)模中，將左右B柱外板加強板單獨顯示，B 柱外板加強板從上到下依次對應(yīng)假人頭部、肩部、胸部、H 點、門檻梁位置，并在相應(yīng)位置設(shè)置剛度很小的拉壓彈簧（10-10N/mm），可以準(zhǔn)確表達左右側(cè)B 柱內(nèi)板間距離的變化[20]，如圖3所示，以此來對應(yīng)假人頭部、肩部、胸部、H 點、門檻梁位置處的最大侵入量。

根據(jù)B柱變形量隨侵入時間的相對變化曲線如圖4所示，以向外為正方向，在側(cè)碰過程中，B柱在Y方向的侵入量最大。從圖4中可知，所測各點的變化趨勢大致相同，在碰撞發(fā)生后，測點的侵入量快速增加，隨著結(jié)構(gòu)件產(chǎn)生變形以及能量的傳遞，在55 ms前后侵入量達到最高，之后隨著部件塑性變形的回彈，侵入量有所減小，最后趨于穩(wěn)定。

B柱在對應(yīng)假人胸部位置的侵入速度是影響肋骨變形量和背板力的一個重要指標(biāo)，GB20071-2006 中要求計算胸部的粘性指標(biāo) VC（Viscous Criterion），其含義是假人胸部肋骨形變速度與其形變量的相乘數(shù)值。粘性指標(biāo)的公式如下：

肋骨的形變量與 B 柱的侵入量成正比，而肋骨的形變速度與 B 柱的侵入速度呈正相關(guān)。所以，除考慮 B 柱Y方向的侵入量外，B柱內(nèi)板侵入速度也是側(cè)碰中重要的輸出參數(shù)，避免由于侵入速度太大對車內(nèi)人員的人身安全構(gòu)成威脅。本次仿真結(jié)果B柱侵入速度如圖5所示。

從圖5可以看出，在碰撞發(fā)生后侵入速度快速上升，隨著結(jié)構(gòu)件產(chǎn)生變形以及能量的傳遞，在15ms前后，侵入速度達到峰值，隨后逐漸減小。其中門柱上部點曲線出現(xiàn)負位移和負速度值，原因是門柱上部和車頂橫梁的連接過于脆弱，導(dǎo)致猛烈的撞擊使得門柱上端發(fā)生翹曲，而不是內(nèi)凹，所以就出現(xiàn)相反方向的位移和速度。

各參考點的侵入量和侵入速度與目標(biāo)設(shè)定的B柱最大侵入量、侵入速度對比如表2所示。結(jié)果顯示不是所有考察點都滿足要求，其中B柱中段最大侵入量為306.3mm，最大侵入速度為9.5m/s，遠遠超過設(shè)定的限值。侵入量在55ms達到最大值，侵入速度，在15ms前后，侵入速度達到峰值，隨后逐漸減小。

2.2 前后門侵入量和侵入速度

該部分主要針對側(cè)圍中前后門侵入量以及侵入速度進行分析，與B柱類似，在受撞側(cè)左前門、左后門分別取16個、15個測點，如圖6所示。

本次設(shè)定左前后車門最大侵入量目標(biāo)值均為150mm、最大侵入速度均為7.5m/s，具體侵入量圖、侵入速度圖如圖7至圖10所示?？芍?，部分測點不滿足要求，其中最大侵入量出現(xiàn)在左后門測點1，值為303.7mm（目標(biāo)值150mm）;最大侵入速度也為此處，值為10.1m/s（目標(biāo)值7.5m/s）。侵入量在55ms達到最大值，趨勢與B柱相同均呈γ型變化，侵入速度，在20ms前后，侵入速度達到峰值，隨后逐漸減小，趨勢與B柱相同，均呈余弦函數(shù)變化。

3 車門變形與B柱變形能量分析

通過侵入速度以及侵入量的分析，在撞擊力一定的基礎(chǔ)上，車門的侵入量越大，會導(dǎo)致B柱的變形也越大。在側(cè)面碰撞過程中，B柱的變形程度與成員的損傷有著直接的關(guān)系，由采樣點可以看出，B柱內(nèi)部的加強部分剛度越高，侵入速度越慢，變形較小，但能量吸收效率會越低。為了更加直觀的分析B柱和車門的變形，基于形態(tài)位移云圖對碰撞過程中B柱和車門的變形進行了分析。

可變形的移動壁障（MDB，mobile deformable bar-rier），撞擊車輛時主要與 B柱、前后車門和門檻梁等車身部件發(fā)生直接接觸，一般截取0ms、20ms、40ms、60ms、80ms、100ms這六個時刻的整車變形時序圖，如圖11所示。由仿真時序圖可知，側(cè)面碰撞的變形區(qū)域集中出現(xiàn)在碰撞側(cè)的前后車門、碰撞側(cè)的門檻梁、碰撞側(cè)的車頂側(cè)邊梁、地板以及碰撞側(cè)的 A柱、B柱、C 柱等區(qū)域，而汽車前部發(fā)動機艙、后部行李箱、非碰撞側(cè)側(cè)圍以及車頂蓋等部位發(fā)生的變形則相對較小，并且在碰撞的過程中，發(fā)生變形的車身各板件會發(fā)生不同程度的回彈現(xiàn)象。

由于碰撞中汽車是通過結(jié)構(gòu)吸能來緩沖撞擊的，所以了解碰撞中結(jié)構(gòu)內(nèi)能的變化情況是非常重要的，特別是單個部件內(nèi)能的變化情況和各零件吸能多少的比較。在側(cè)面碰撞受力情況下，車身的B柱區(qū)域、車門結(jié)構(gòu)在碰撞力的傳遞和吸收碰撞能量方面起著十分關(guān)鍵的作用。側(cè)圍主要吸能結(jié)構(gòu)的吸能情況如圖12所示。

由圖12可看出，在撞擊開始后，汽車側(cè)圍包括車門、B柱等都發(fā)生變形，首先在B柱4點位置產(chǎn)生屈曲，對未產(chǎn)生屈曲部分影響為零，MDB模型碰撞過程中，當(dāng)40ms時車門相關(guān)吸能部件以及B柱加強板等吸能部件吸能達到峰值。車門變形影響B(tài)柱的變形量，至100ms時變形量過大，如圖11（d）所示，會導(dǎo)致乘員艙空間嚴(yán)重減小。當(dāng)車輛發(fā)生側(cè)面正接觸碰撞時，車門的侵入速度、侵入量越大，對B柱影響越大，造成的受損變形越大。

4 結(jié) 論

通過對側(cè)面碰撞的模型分別選取B柱（12個點）和車門（受撞側(cè)左前門、左后門分別取16個、15個測點）進行了侵入量和能量分析，得到如下結(jié)論：

1）B柱的侵入速度及車門侵入速度變化曲線呈現(xiàn)余弦型變化，B柱的侵入量及車門侵入量變化曲線呈現(xiàn)γ型變化，碰撞過程中B柱與車門侵入量及侵入速度變化具有一致性;

2）側(cè)圍的碰撞仿真結(jié)果表明，當(dāng)車輛發(fā)生側(cè)面正接觸碰撞時，車門變形影響B(tài)柱的變形量，車門的侵入速度、侵入量越大，對B柱影響越大;

3）當(dāng)最大侵入速度為7.5m/s時，碰撞發(fā)生后100ms時變形量過大，車內(nèi)成員空間被明顯壓縮，說明該車型側(cè)圍強度以及剛度不足，對抗侵入能力較差。

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（編輯：王 萍）