基于C-IASI白車身結(jié)構(gòu)正面和側(cè)面碰撞分析與優(yōu)化

熊輝 方軍 胡釗

摘 ?要：某款已經(jīng)量產(chǎn)的SUV在前期設(shè)計開發(fā)過程中，未充分考慮C-IASI規(guī)程中車內(nèi)乘員安全工況，不能滿足最新C-IASI工況設(shè)計目標(biāo)。以本款SUV白車身為研究對象，建立有限元模型按C-IASI規(guī)程的驗(yàn)證工況進(jìn)行車內(nèi)乘員安全的受力分析和試驗(yàn)摸底。依據(jù)車身骨架結(jié)構(gòu)的力學(xué)特性及分析結(jié)果進(jìn)行骨架結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計，最終經(jīng)過有限元分析及實(shí)車驗(yàn)證達(dá)到設(shè)計目標(biāo)；通過有限元分析方法和方案優(yōu)化，可以在數(shù)據(jù)設(shè)計階段有效改善車身安全性，大大縮短車身開發(fā)周期和成本。

關(guān)鍵詞：SUV；C-IASI；車身骨架優(yōu)化設(shè)計；車內(nèi)乘員安全

中圖分類號：U467.1 ? ? ?文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A ? ? ?文章編號：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(jù)中國汽車工業(yè)協(xié)會發(fā)布的信息，自2009年來中國的汽車市場越來越大，其中汽車產(chǎn)量和銷量已經(jīng)持續(xù)7年穩(wěn)居世界第一，中國市場的汽車保有量達(dá)到了1.72億輛。汽車的設(shè)計、制造與開發(fā)、使用及相關(guān)保險服務(wù)都與國民的財產(chǎn)、人身安全、生活幸福及社會穩(wěn)定息息相關(guān)。

由于汽車的速度越來越高，汽車事故造成的人員傷亡和財產(chǎn)損失也越來越大。目前主要的汽車市場國家都非常重視，國家標(biāo)準(zhǔn)及第三方機(jī)構(gòu)對汽車碰撞安全性提出了各自的要求。世界各國安全機(jī)構(gòu)都是以汽車碰撞試驗(yàn)作為汽車安全的考評指標(biāo)。

C-IASI是中國汽車工程研究院和中保研汽車技術(shù)研究院在中國保險行業(yè)協(xié)會指導(dǎo)下協(xié)同制定的中國保險汽車安全指數(shù)，其主要為消費(fèi)者購車養(yǎng)車提供參考、為保險公司承擔(dān)理賠提供技術(shù)支撐、為整個企業(yè)優(yōu)化產(chǎn)品設(shè)計提供輸入、為政府部分監(jiān)督管理提供信息[1]。C-IASI經(jīng)過兩年多的積極努力，圍繞人車交互的立體交通環(huán)境中車損、人傷等相關(guān)的各種因素，在對世界上主要汽車工業(yè)國家消費(fèi)市場及汽車設(shè)計技術(shù)發(fā)展歷程的研討基礎(chǔ)上，經(jīng)過大量的分析和理論調(diào)研及摸底試驗(yàn)，成立了中國保險汽車安全指數(shù)體系。該體系包含：耐撞性與維修經(jīng)濟(jì)性指數(shù)、車內(nèi)乘員安全指數(shù)、車外行人安全指數(shù)和車輛輔助安全指數(shù)四個維度。這四個指數(shù)從汽車購買環(huán)節(jié)、使用產(chǎn)生的財產(chǎn)風(fēng)險、使用產(chǎn)生的安全傷亡風(fēng)險等以指數(shù)為表達(dá)形式，將汽車產(chǎn)品使用風(fēng)險數(shù)字化和清晰化，從購買擁有到保險的各種維度客觀評價車輛的使用安全特征、經(jīng)濟(jì)特性。

2 ? ?C-IASI試驗(yàn)工況

C-IASI分別從車輛耐撞性、維修經(jīng)濟(jì)性指數(shù)、車內(nèi)乘員安全指數(shù)、車外行人安全指數(shù)、車輛輔助安全指數(shù)等四個方面對車輛進(jìn)行測試評價。

其中車內(nèi)乘員安全指數(shù)和白車身的結(jié)構(gòu)設(shè)計開發(fā)息息相關(guān)。車內(nèi)乘員安全指數(shù)整體評價涵蓋駕駛員側(cè)正面25%偏置碰撞、側(cè)面碰撞、車頂強(qiáng)度和座椅/頭枕四個工況，評價結(jié)果分為優(yōu)秀、良好、一般和較差四個評級。評價等級依次用 G、 A、 M、 P 表示如表1所示：

2.1 ? 正面25%偏置碰撞試驗(yàn)

汽車駕駛員側(cè)的正面25%偏置碰撞試驗(yàn)在車輛以64.4km/h±1km/h的速度，車輛和壁障以25%±1%的重疊率車輛正面撞擊固定剛性壁障。試驗(yàn)前在試驗(yàn)車輛駕駛員位置上放置一個Hybrid III 50%假人，第二排撞擊側(cè)放置一個Hybrid III 5%女性假人。試驗(yàn)假人用于測量碰撞過程中駕駛員、第二排乘員的損傷情況，同時采用高速攝像設(shè)備觀察假人的運(yùn)動軌跡及和車輛的碰撞情況。駕駛員側(cè)正面 25%偏置碰撞的評價分為約束系統(tǒng)和假人運(yùn)動、假人傷害、車輛結(jié)構(gòu)三個方面[2]。本次主要研究的對象為車身結(jié)構(gòu)的耐撞性，重點(diǎn)分析和解決車身結(jié)構(gòu)在碰撞中的問題及解決方案，試驗(yàn)如圖1所示。

2.2 ? 側(cè)面碰撞

側(cè)面碰撞試驗(yàn)相對簡單，碰撞使用移動變形壁障（MDB）來撞擊車輛的駕駛員側(cè)，如圖2所示。在移動變形壁障的前端安裝IIHS碰撞塊。MDB移動和撞擊方向與試驗(yàn)車輛的Y軸平行，與縱向中心平面垂直。具體MDB碰撞速度為50km/h± 1km/h，縱向中心線對準(zhǔn)試驗(yàn)車輛碰撞標(biāo)識線。提前在試驗(yàn)車輛的駕駛員位置、第二排左側(cè)座椅位置上分別放置一個SID-IIs型（D 版）假人，試驗(yàn)中采用高速攝像設(shè)備觀察假人碰撞過程中頭部、身體的運(yùn)動，并且通過假人的身體傳感器來測量和判斷駕駛員、第二排左側(cè)乘員的損傷情。側(cè)面碰撞的評價主要為假人傷害值、假人的碰撞運(yùn)動姿態(tài)、車輛結(jié)構(gòu)的變形情況三個方面[3]。

3 ? ?某款SUV白車身車內(nèi)乘員安全指數(shù)評價

某款白車身由于設(shè)計開發(fā)較早，時間早于C- IASI發(fā)布的最早規(guī)程2017版。因此在設(shè)計開發(fā)中未全面考慮正面25%偏置碰撞及側(cè)面碰撞工況下車身的結(jié)構(gòu)設(shè)計。面向新的市場需求及新的安全目標(biāo)，本項目建立C-IASI-2022版3G1A的正向提升目標(biāo)，白車身評價指標(biāo)駕駛員側(cè)正面25% 偏置碰撞、側(cè)面碰撞按照2G進(jìn)行設(shè)計優(yōu)化和開發(fā)。

首先針對該款SUV白車身進(jìn)行有限元建模，按照C-IASI試驗(yàn)工況進(jìn)行有限元分析和實(shí)車碰撞試驗(yàn)摸底。其中關(guān)聯(lián)白車身的相關(guān)內(nèi)容整體評價結(jié)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，碰撞的傳遞路徑避開了車輛的防撞鋼梁和前縱梁，碰撞力直接接觸到輪胎然后傳遞到白車身A柱，A柱發(fā)生較大變形和焊點(diǎn)開裂，整個白車身的傳力結(jié)構(gòu)會造成失去穩(wěn)定性最終導(dǎo)致乘員艙的生存空間受到擠壓。碰撞有限元仿真分析結(jié)果如圖3所示：

從分析模型上提取的前艙各零件的侵入量繪制如上圖4所示的圖形，可以清晰的顯示哪些區(qū)域侵入量過大。本SUV車型主要在A柱下鉸鏈、左側(cè)擱腳板、左側(cè)足板、A柱上鉸鏈區(qū)域變形量較大，在后期的優(yōu)化中先優(yōu)化傳遞路徑，然后針對薄弱環(huán)節(jié)再進(jìn)行結(jié)構(gòu)加強(qiáng)。

3.2 ? 側(cè)面碰撞有限元分析

側(cè)面碰撞有限元分析后，通過變形后的車身評估檢查車身的側(cè)面框架保護(hù)免受MDB侵入乘員艙的程度，同時也會測量駕駛員、后排座椅中的假人傳感器收集的傷害程度。本次CAE模擬驗(yàn)證B柱整體姿態(tài)穩(wěn)定，和B柱、門檻的防撞結(jié)構(gòu)起到相應(yīng)的作用，其中B柱中間區(qū)域變形后生存空間96.4mm，此處需要繼續(xù)改善B柱及車門防撞橫梁的結(jié)構(gòu)設(shè)計強(qiáng)度，如圖5和圖6所示：

4 ? ?某SUV白車身結(jié)構(gòu)優(yōu)化

針對25%偏置碰撞如上問題點(diǎn)，整體改善思路為防撞橫梁Y向?qū)挾仍黾雍脱由靃4]、輪罩上加強(qiáng)梁加長延伸至前縱梁連接、A柱上邊梁增加加強(qiáng)板、門檻增加加強(qiáng)板、A柱豎板進(jìn)行結(jié)構(gòu)加強(qiáng)、A柱豎板增加支撐板、前縱梁和中縱梁進(jìn)行加強(qiáng)連接。針對本SUV分析結(jié)果共提出6組改善方案，詳細(xì)見圖7所示，方案的詳細(xì)信息見表3所示。

如上方案改善后的偏置碰進(jìn)行了有限元的分析，A柱下鉸鏈、左側(cè)擱腳板、左側(cè)足板、A柱上鉸鏈區(qū)域都得到了較大的改善，詳細(xì)如圖8所示：

針對側(cè)面碰撞的主要改善措施是增加側(cè)碰區(qū)域B柱強(qiáng)度改善耐撞性，針對B柱加強(qiáng)板上下分區(qū)設(shè)計，上段加強(qiáng)下段進(jìn)行弱化，B柱加強(qiáng)板增加補(bǔ)丁板加強(qiáng)，詳細(xì)方案如圖9所示[5]。

以上方案改善之后進(jìn)行了有限元分析，分析結(jié)果如圖10所示，B柱侵入量減少了42mm，側(cè)圍上、下支撐穩(wěn)定，整個碰撞過程有效穩(wěn)住了整個B柱傳力路徑及姿態(tài)，防撞結(jié)構(gòu)起到了很好的防護(hù)作用。

如上結(jié)構(gòu)優(yōu)化后側(cè)面碰撞車身結(jié)構(gòu)變形后滿足假人生存空間要求，G的目標(biāo)要求≥137mm，車身具備G的條件。

如上方案全部體現(xiàn)后，開展了C-IASI實(shí)車方案試驗(yàn)驗(yàn)證，實(shí)施上述8個改善建議后， 重新進(jìn)行25%偏置碰撞碰撞試驗(yàn)及側(cè)碰試驗(yàn)。新的碰撞結(jié)果得到G的評價如表4所示，試驗(yàn)結(jié)果與仿真預(yù)測的結(jié)果幾乎完全一致，如圖11和圖12所示：

5 ? ?結(jié)論

C-IASI越來越受到國內(nèi)的重視，25%小偏置碰撞和側(cè)碰是C-IASI的重要組成部分，尤其是先于C-IASI規(guī)程前開發(fā)的車型改善起來更為困難[6]。本論文通過對某SUV進(jìn)行小偏置碰撞、側(cè)面碰撞的仿真分析， 采用優(yōu)化碰撞路徑的策略，通過加強(qiáng)原有車身骨架結(jié)構(gòu)實(shí)現(xiàn)C-IASI評分由原來的P和M改善為G等級。通過本次研究和實(shí)踐得到以下結(jié)論：（1）小偏置碰撞過程增加新的shotgun路徑，在碰撞過程中先吸能后穩(wěn)定傳導(dǎo)碰撞力非常關(guān)鍵，A柱和門檻及地板下部接頭地方需要適當(dāng)加強(qiáng)，改善A柱的抵抗碰撞的能力；（2）對于乘員的生存空間挑戰(zhàn)比較大的側(cè)面碰撞B柱的軟硬分區(qū)設(shè)計是關(guān)鍵，采用不同料厚和強(qiáng)度的鋼板實(shí)現(xiàn)B柱強(qiáng)度分區(qū)，碰撞中均勻減少車身側(cè)面的侵入量，保證駕駛艙的完整性。

參考文獻(xiàn)：

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

[2]車內(nèi)乘員安全指數(shù)-駕駛員側(cè)正面25%偏置碰撞試驗(yàn)規(guī)程（2020 版 2022 年修訂）[EB/OL] . http：//www.ciasi.org.cn/ .

[3]車內(nèi)乘員安全指數(shù)-側(cè)面碰撞試驗(yàn)規(guī)程（2020 版）[EB/OL] . http：//www.ciasi.org.cn/.

[4]尹云鐳. 基于交通事故的車輛25%小偏置碰撞優(yōu)化研究[D] .重慶大學(xué)碩士論文，2022-03-16.

[5]楊浪，戴尹安，唐燦，等.面向 C-IASI開發(fā)的汽車側(cè)面碰撞優(yōu)化設(shè)計[J]. 汽車實(shí)用技術(shù). 2021，46（59-65）.

[6]凡沙沙，黎謙等. 25%小偏置碰撞策略仿真及優(yōu)化設(shè)計[J]. 汽車零部件. 2021，09（9-14）.