钮嘉颖+郭刚+丁玲+黄颖+向保才
摘 要：基于侧面碰撞对乘员损伤的严重性，运用试验法和仿真法对某车型的侧面碰撞性能和乘员损伤进行研究。通过对车身侧面结构变形、速度响应、乘员损伤情况进行分析，得出了大壁障侧碰和75°侧柱碰的碰撞特性，并提出了B柱、前后门、门槛梁的优化方案。结果表明：相较于MDB壁障侧碰和90°侧柱碰，大壁障侧碰和75°侧柱碰对车身耐撞性提出了更高的要求，对前后排乘员造成了更严重的损伤。通过对侧面车身结构的优化，有效地降低了车身各部位的侵入量和侵入速度，增大了乘员的生存空间，提升了车身安全性。
关键词：侧面耐撞性；乘员损伤；优化设计
中图分类号：U467.1+4 文献标识码：A 文章编号：1005-2550（2017）05-0025-05
The research on vehicle crashworthiness and occupant injury based on AEMDB side impact and 75°side pole impact
Niu Jia-ying， Guo Gang， Ding Ling， Huang Ying， Xiang Baocai
（ DongFeng Motor Corporation Technical Center， Wuhan430058， China ）
Abstract： Based on the seriousness of side impact on the occupant injury， to study the side crash performance and occupant injury of a vehicle by using the test method and simulation method. Through the analysis of the side structure deformation， velocity response and occupant injury， we obtain the crash characteristics of the AEMDB side impact and 75°side pole impact and propose the optimization method of the B-pillar， the front door， the rear door and threshold beam. The results show that compared with MDB side impact and 90°side pole impact， AEMDB side impact and 75°side pole impact put forward higher requirements on the vehicle crashworthiness， and cause more serious damage on the front and rear occupants. By optimizing the side structure of the vehicle， effectively reduce the intrusion displacement and the invasion rate of the various parts of the body， increase occupants' living space， and enhance the body safety.
Key Words： side crashworthiness； occupant injury； optimal design
1 前言
在各種汽车碰撞事故形态中，汽车侧面碰撞事故导致乘员重伤和死亡率高达25%。由于汽车侧面碰撞时没有如正碰和后碰那样足够的变形空间来吸收碰撞能量，因此一旦受到来自侧面的撞击，乘员就会受到强烈的冲击载荷，所以保证白车身侧面耐撞性对于乘员保护至关重要[1]。
为了提高对车辆侧面碰撞的考核要求，Euro NCAP在2015年提高了侧面碰撞试验的难度，在侧面壁障碰撞中，增大壁障的尺寸和重量；在侧柱碰中，提升了碰撞速度，改变了碰撞角度。
本文通过对同一车型分别进行了两种不同工况下的侧碰试验（壁障+圆柱），从而更直观地了解大壁障侧碰和75°侧柱碰对车身结构和乘员损伤的影响，并据此对白车身的耐撞性进行优化。
2 侧面车身耐撞性和乘员损伤研究
2.1 2015版Euro NCAP侧面碰撞规则
2015版Euro NCAP侧面壁障碰撞，碰撞中心点由R点后移了250mm，而且采用欧洲全新开发的侧碰大壁障AEMDB，与原MDB参数对比如表1所示，AEMDB的质量及蜂窝铝的尺寸都有所增大。同时侧柱碰的试验难度增大，与原工况的对比如表2所示，碰撞角度由90°改为75°，碰撞速度由29km/h提高至32km/h。
2.2 侧面车身耐撞性研究
2.2.1车身结构变形
如图2.1所示，侧面壁障碰撞时，车身前后门、B柱、门槛等较大区域内产生了一定程度的变形，前后门变形较为严重，但总体区域变形较为均匀。大壁障侧碰相较于原始侧碰，前门、B柱、后门的侵入变形形式相似，因为壁障重量、初始能量、尺寸的增大，侵入量显著增大。如下表3所示，前门外板从上至下侵入量增大40～50mm，后门外板从上至下侵入量增大70～80mm，驾驶员整体生存空间减小了44.83mm，后排乘客整体生存空间减小了69.69mm。但是驾驶员的生存空间仍有280.45mm，后排乘客的生存空间仍有300.16mm，根据IIHS对车身的评价方法，生存空间≥125mm，车身处于“优”等级，故此车型发生大壁障侧碰时车身的耐撞性能良好。endprint
如图2.2所示，在柱碰中车身变形主要集中在柱体撞击的狭小区域里，窗台、车门、B柱、门槛梁、地板均产生了严重的变形，撞击区域内整个侧围向内凹陷，驾驶员的生存空间被挤压到很小。32-75°柱碰相较于29-90°柱碰，碰撞速度高、撞击直径大，所以侵入量明显增大。如下表4所示，A柱外板位置、窗台位置、R点位置增大了60mm左右，门槛梁位置增大更多，达到90mm，驾驶员整体生存空间减小了67.7mm，仅有95.79mm。根据IIHS对车身的评价方法，生存空间≥125mm，车身处于“优”等级，生存空间在50～125mm之间[2]，车身处于“达标”等级，故此车型当发生29-90°柱碰时车身仍有良好的乘员生存空间，但发生32-75°柱碰时，驾驶员的生存空间严重不足，对其生存产生了严重的威胁。
综上所述，相较于壁障碰撞，柱碰对车身耐撞性提出了更严峻的考验，窗台、车门、B柱、门槛梁等结构仍有待加强。
由图2.1-2.9和表5.1-5.3可知，大壁障对侧面车身耐撞性提出了更高的要求，各部位的侵入速度明显增大，在前门各处的最大侵入速度增大20%左右，在B柱各处的最大侵入速度增大50%左右，在后门各处的最大侵入速度增大非常显著，假人上肋骨位置增大207.5%，假人下肋骨位置增大270.59%，假人骨盆位置增大117.6%。
MDB壁障碰撞时，由于壁障重量较轻，而且撞击位置靠前，所以对后门的撞击并不是非常严重，车门的吸能空间充足，可以将侵入速度稳定在一个较低的水平，而大壁障重了350kg，而且撞击点后移250mm，对后门的撞击严重了很多，车门吸能空间不足，侵入速度上升较快。
2.2.3 乘员伤害情况（如图3.1-图3.9）
由图3.1-3.9和表6.1-6.2可知，大壁障侧碰时，前排假人各部位的伤害程度均有不同程度的恶化，其中骨盆的伤害值增大比率最高，达到83.39%，头部的伤害值增大比率最低，仅为20.63%；同时胸部下肋骨压缩变形量、腹部力接近高性能限值，安全余量较小。后排假人的情况与前排类似，头部的伤害值增大15.92%，但骨盆的伤害值增大较多，达到64.70%。因为Euro NCAP没有对后排假人的考核，参考C-NCAP评价指标[3]，耻骨力达到3.737KN>3.5KN，超过C-NCAP中给出的高性能限值。
综上所述，大壁障侧碰时前后排假人的伤害情况均比较严重，特别对于后排假人，因为缺少侧气囊保护胸腹臀，耻骨力已经超标，所以需对后排车门结构进行优化，增加其耐撞性以应对大壁障侧碰。
由图4.1-4.7和表7可知，75°柱碰时，对比90°柱碰，前排假人各部位的伤害程度不同程度地恶化。假人的头部、腹部、骨盆伤害值均增大得较多，腹部力达到1.333KN>1KN，超过Euro NCAP中给出的高性能限值，胸部伤害值虽然增大得较少，但是压缩量均超过Euro NCAP中给出的高性能限值22mm，伤害较为严重，也远大于大壁障侧碰时假人的胸部伤害值。
这表明，此车型侧面车身结构，在应对75°柱碰时，仍然有待加强，特别是对于车门、B柱、门槛梁区域的耐撞性，提出了更高的要求。
3 车身优化
3.1 仿真优化
如图5.1-5.2所示，按照Euro NCAP规则要求，搭建了某款车型的AEMDB侧碰和75°柱碰的有限元仿真模型，整车模型节点数约为150万，单元数约为180万；大壁障模型节点数约为3万，单元数约为5万；圆柱壁障模型节点数约为1.5万，单元数约为3万。
3.2 优化方案
为了应对2015版Euro NCAP，如图6.1-6.6所示对侧面车身结构进行优化[4]，优化方案如下：1.优化顶盖横梁布置，在左右B柱间布置高强钢顶盖横梁，并优化接头形式，形成连续传力结构；2.门槛梁采用高强钢辊压，门槛梁内增加横向加强板，提高门槛梁承载能力；3. B柱加强板采用热成型，提高B柱抗变形能力，B柱加强板下部设计诱导变形结构，控制B柱变形模式；4.车门优化，增加外板加强梁、优化外板窗台加强梁，提高车门承载力。
3.3 优化结果
为了验证车身结构的优化效果，对原方案和优化后方案在大壁障侧碰和75°侧面柱碰工况下进行车身耐撞性的仿真分析，结果如下：
如表8.1-8.2所示，在大壁障侧碰工况下，对侧面车身耐撞性的优化达到了预想的效果，B柱、前后门内板的侵入量、侵入速度都有不同程度的减小[5]。B柱的优化率相对较小，各位置侵入量平均优化率6.0%，侵入速度平均优化率5.4%；前门的优化率较大，各位置侵入量平均优化率9.9%，侵入速度平均优化率12.9%；后门的优化率最大，各位置侵入量平均优化率13.7%，侵入速度平均优化率20.6%。
如表8.3所示，在75°侧面柱碰[6]工况下，对侧面车身结构的优化效果较好，碰撞参考线侵入量以及B柱内板侵入量都有不同程度的减小。碰撞线侵入量最大优化量达到65mm，B柱内板侵入量最大优化量达到38mm，生存空间由原来96mm增大到131mm，根据IIHS对车身的评价方法，车身结构达到“优”等级。
4 总结
由于汽车侧面碰撞时乘员受到强烈的冲击载荷，所以保证白车身侧面耐撞性对于乘员保护至关重要。
本文通过碰撞试验对比分析得出，相较于MDB壁障侧碰和90°侧面柱碰，大壁障侧碰和75°侧面柱碰对前后排乘员造成了更严重的损伤，对侧面车身的耐撞性提出了更高的要求。
B柱、前后门、门槛梁是影响侧面车身结构耐撞性的主要因素，通过优化顶盖横梁布置、侧面接头形式、门槛梁材料及传递路径、B柱结构及成型工艺，以及增加车门加强梁等措施，有效提高车体的侧面耐撞性能：在大壁障侧碰仿真中，B柱、前后门内板的侵入量、侵入速度不同程度地减小，最大优化率达到29.02%；在75°侧面柱碰仿真中，碰撞参考线侵入量以及B柱内板侵入量不同程度地减小，最大优化量达到65mm，生存空间由原来96mm增大到131mm，从而有效地将车身结构提升至优等级，降低乘员的损伤风险。
参考文献：
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[2]王志涛， 乔鑫. 基于AE-MDB与MDB的侧面碰撞对比研究分析[C]. 2014中国汽车工程学会年会论文集. 2014.
[3]张晓龙， 朱海涛， 娄磊. C-NCAP侧面碰撞及乘员保护相关因素分析[J]. 军事交通学院学报， 2008， 10（4）.
[4]覃祯员. 轿车侧面碰撞车身结构安全性和乘员损伤保护研究[D]. 湖南大学， 2009.
[5]崔东， 栗国， 谢書港. 某车型侧碰对标及AE MDB侧碰安全性能评估[C]. 中汽中心第二十届学术交流会优秀论文集.2014.
[6]刘金鑫. 汽车侧面柱碰结构安全性及乘员损伤仿真研究[D]. 兰州交通大学， 2016.endprint
