汽车侧碰模型简化及其材料优化研究

汽车侧碰模型简化及其材料优化研究
范体强
【摘要】根据整车侧碰模型建立了简化模型,通过B柱上、中、下部的变形速度和B柱的变形模式对比验证了简化模型的有效性.通过对简化模型的多因素正交优化设计,总结了侧面结构材料参数对侧碰性能的影响趋势,依次为:B柱材料、门槛件厚度、B柱加强件材料、门槛件材料、B柱加强件厚度,并将优组合方案应用于整车模型,仿真结果表明了材料优化方案的B柱变形速度趋势和原模型保持一致,假人胸部上肋骨峰值保持不变,中肋骨峰值得到了降低,下肋骨峰值有所升高,但在法规允许的范围内.
【期刊名称】《农业装备与车辆工程》
【年(卷),期】2014(052)008
【总页数】4页(P5-8)
【关键词】整车;侧碰;B柱;优化
【作者】范体强
【作者单位】401122 重庆市中国汽车工程研究院股份有限公司
【正文语种】中文
【中图分类】U463.82+1
0 前言
当汽车受到侧面撞击时，侧面碰撞力向通过B柱、门槛、防撞杆和门下窗框梁传
递到车顶横梁、地板、A柱和C柱[1]。

为了提高汽车的侧面耐撞性能，最大限度
地把可能造成的损害降低到最小程度，目前汽车的侧面结构普遍采用高强度钢板（HSS）和超高强度钢板(AHSS)[2]，但缺乏进行材料的合理匹配，存在着极大的
浪费，因此很有必要对其进行合理的优化匹配。

而整车侧面碰撞模型包含单元、节点数目巨大，目前多在200万单元以上，完成一次计算需要大约10个小时的时间，计算周期时间长，难以快速、便捷地分析侧碰中整车侧面部件的影响因素，不利于大规模的优化设计。

简化模型可以快速地进行仿真分析计算，大量节约时间[3]，
有必要对整车侧面碰撞模型进行适当简化。

国外的试验统计结果显示，侧面碰撞时，人体胸部的伤害值与B柱腰带（乘员胸
部高度位置如图1所示）撞击假人的速度成正比[4-5]。

同时，在实际试验中也发现，B柱在变形过程中，腰带处的变形速度最大。

所以，合理的优化设计应以B
柱腰带处变形速度的降低为目标，满足乘员的胸部损伤值要求。

图1 B柱腰带位置Fig.1 B-pillar middle position
1 整车模型的简化
国外的研究表明，部件单独从整车上取下来和保留在整车上这两种情况下，部件的碰撞特性并不相同，但是二者的趋势仍是一致的[6-7]。

影响汽车侧面碰撞性能的
主要的承力部件是B柱和门槛，所建的简化模型主要包括了：侧围、B柱、B柱加强件、安全带安装板、B柱内板、门槛加强件和门槛内板以及台车模型等，具体如图2所示。

图2 侧面碰撞简化模型图Fig.2 Side impact simplified model
简化模型和原模型有相同的材料、连接关系，其中B柱的边界约束（如图3所示）直接取自整车侧碰仿真计算中的边界条件，保证和原车具有相同的运动条件[8]。

图3 简化模型的边界条件Fig.3 Boundary conditions of simplified model
简化模型仿真结果和整车侧面碰撞情况进行了对比。

主要对比了B柱上部、中部
（腰线处）、下部（门槛处）3处的变形速度曲线，并对比了实际B柱中部处的实验侵入速度曲线（图4～图6），以及侧面相关件的碰撞变形情况（图7～图8）。

从图4～图6可以看出，简化模型和整车仿真模型的B柱上、下两处的变形速度
曲线变化趋势相同；在腰线处和整车实验曲线变化略有差别，但在整个时间历程内，变化趋势、峰值基本一致，碰撞后简化模型和整车模型的相关件变形模式也基本相同。

表明了所建整车侧面简化模型较好地反应了实际整车的侧面碰撞情况，验证了简化模型的有效性。

图4 B柱上部处变形速度对比Fig.4 Upper B-pillar deformation speed comparison
图5 B柱中部处变形速度对比（含整车实验）Fig.5 Middle B-pillar deformation speed comparison
图6 B柱下部处变形速度对比Fig.6 Lower B-pillar deformation speed comparison
图7 整车模型中相关件变形Fig.7 Vehicle model deformation
图8 简化模型中相关件变形Fig.8 Simplified model deformation
2 简化模型的正交优化设计
2.1 目的
本分析试图结合参数值与整车的匹配关系及制造工艺性能，通过正交设计，分析影响侧碰性能的关键因素，得到一个有利于整车侧面碰撞性能的侧部材料分配情况。

2.2 确定因素、水平和指标
根据所建立的整车侧面简化模型，结合实际制造工艺，因B柱的厚度已经确定，
针对门槛材料和厚度，B柱加强板材料和厚度以及B柱的材料等5个参数作分析，分析的指标采用B柱中部处的变形速度峰值。

实验因素及其实验水平见表1。

表1 实验因素水平Tab.1 The level of experimental factors注：材料强度B410
＞B280VK＞B210P1＞B170＞ST13＞ST16水平B柱加强件材料1 B410 1.4 B410 2 B210P1 1.3 B210P1因素门槛件材料门槛件厚度／mm B柱加强件厚度／mm B柱材料1.6 B410 1.5 B280VK 3 4 ST13 ST16 1.2 1.0 ST13 ST16 1.4
1.2 B210P1 B170
2.3 模拟结果分析
在分析中不考虑各因素之间的交互作用，选用L16(45)正交表安排模拟实验分析，实验方案及结果见表2。

表2 正交设计方案及结果分析Tab.2 Orthogonal design and results analysisB 柱腰线侵入速度Vmax／(m/s)实验1 B410 1.4 B410 1.6 B410 9.30实验2 B410 1.3 B210P1 1.5 B280VK 9.25实验3 B410 1.2 ST13 1.4 B210P1 9.11实验4 B410 1.0 ST16 1.2 B170 8.85实验5 B210P1 1.4 B210P1 1.4 B170 9.19实验6 B210P1 1.3 B410 1.2 B210P1 9.14实验7 B210P1 1.2 ST16 1.6 B280VK 9.12实验8 B210P1 1.0 ST13 1.5 B410 9.26实验9 ST13 1.4 ST13 1.2 B280VK 9.24实验10 ST13 1.3 ST16 1.4 B410 9.26实验11 ST13 1.2 B410 1.5 B170 9.05实验号因素模拟结果门槛件材料门槛件厚度／mm B柱加强件材料B柱加强件厚度／mm B柱材料
（续表）B柱腰线侵入速度Vmax／(m/s)实验12 ST13 1.0 B210P1 1.6
B210P1 8.9实验13 ST16 1.4 ST16 1.5 B210P1 9.08实验14 ST16 1.3 ST13 1.6 B170 9.04实验15 ST16 1.2 B210P1 1.2 B410 9.21实验16 ST16 1.0 B410 1.4 B280VK 9.06均值1 9.127 9.203 9.138 9.090 9.258均值2 9.177 9.172 9.077 9.160 9.168均值3 9.113 9.122 9.162 9.155 9.032均值4 9.098 9.018 9.137 9.110 9.057极差 0.079 0.185 0.085
0.070 0.226实验号因素模拟结果门槛件材料门槛件厚度／mm B柱加强件材料B柱加强件厚度／mm B柱材料
通过表2，由极差的大小可以获得这5个因素的显著性程度依次为：B柱材料→门槛件厚度→B柱加强件材料→门槛件材料→B柱加强件厚度。

通过以上的极差分析法得到的最优参数组合为:门槛件材料选用ST16，厚度选用1.0 mm；B柱加强件材料选用B210P1，厚度选用1.6 mm；B柱材料选用
B210P1。

3 优化对整车侧碰性能的影响
根据以上得出的最优参数组合，进行了整车碰撞模拟。

并和原始模型B柱侵入速度、乘员胸部损伤值进行了结果对比。

如图9～图12所示。

图9 B中部处变形速度图Fig.9 Optimized middle B-pillar deformation speed 图10 假人上肋骨位移-时间曲线图Fig.10 Dummy upper rib displacement
图11 假人中肋骨位移-时间曲线图Fig.11 Dummy middle rib displacement
图12 假人下肋骨位移-时间曲线图Fig.12 Dummy lower rib displacement
经过正交分析所得到的优组合结果中，B柱的变形速度整体变形速度趋势和原模型保持一致（图9）；由图10～图12可知上肋骨峰值保持不变，中肋骨峰值得到了降低，下肋骨峰值有所升高，但都小于42 mm，均在法规允许的范围内[9]。

优组合方案，在不降低整车碰撞性能的情况下，合理优化了车体侧部的用材情况，减轻了车体重量，减少了不必要的车体用材的浪费。

4 结果分析和讨论
本文的研究目的是进行汽车侧面用材的调整，使侧面刚度得到合理匹配，通过建立整车侧碰简化模型，可以方便快捷地考核整车侧碰性能。

简化模型和整车模型的边界约束相同，保证了二者具有相同的运动条件。

本文所采用的拉丁方设计方法具有较强的正交性，往往通过较小的设计次数获得或推断出最佳的设计结果，这也是汽车碰撞优化所需要的。

但正交试验更多地从定性的角度来推断影响汽车侧面碰撞性能的因素和趋势，进而帮助确定整车较合理的侧
面用材情况。

研究是在B柱和门槛件的结构形状已经定型的情况下，所考虑的因素是B柱和门
槛件的刚度变化及其合理匹配。

各因素的趋势影响如下：
1）B柱刚度B柱是侧面碰撞中的重要承力部件，侧碰撞力通过B柱传递到车身的其他部位。

因B柱的材料变化范围均属于高强度钢板（HSS），随着B柱材料的
改变，刚度逐渐下降的情况下，B柱侵入速度下降并不显著，说明在一定的材料的强度范围内，可以适当减低材料的强度，但厚度不应降低。

2）门槛件刚度侧碰撞中门槛件是侧碰力的重要传递路径，其刚度对车体的碰撞性能有重要影响，随着刚度的降低，B柱侵入速度呈下降趋势。

所以适当降低门槛件的刚度，使B柱下部变形加大，上部的变形速度减少，这样在整车上的影响即为
假人中上部肋压缩量不变或者减小，而下肋骨的压缩量会有所升高，这样的结果有利于提高整车的耐撞性能。

5 结论
根据整车侧碰模型，进行了合理的简化，并验证了模型的有效性。

在考虑经济效益的前提下，通过简化模型的正交优化分析，对整车侧面车体的用材情况进行了合理的分配。

优组合方案，在不降低整车碰撞性能的情况下，采用了较合理的材料等级，减轻了车体重量，减少了不必要的材料消耗。

本文所采用的模型简化及优化分析方法为开展汽车的侧面耐撞性碰研究提供了借鉴。

参考文献
【相关文献】
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[2]范体强.基于虚拟试验的汽车侧面碰撞安全性研究：[D].长沙：湖南大学，2007.
[3]姚宙,郝玉敏，等.基于简化模型的汽车前端结构优化改进.[C].北京:中国汽车工程学会2013年会论文集,2013
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[9]GB 20071-2006，汽车侧面碰撞的乘员保护[S].。