面向轻量化的某车型正面碰撞安全性研究

1 前言

通过车身轻量化减轻整车质量是降低整车油耗的有效手段。同时，汽车保有量的增加和复杂多样的路况对车辆自身的安全性能提出了更高的要求[1-8]。

在保证车身安全性的前提下进行轻量化设计是新车型开发过程中的重要任务，本文对A 柱加强板、车身前纵梁内外板进行轻量化设计及强度升级，参考中国新车评价规程（China New Car Assessment Program，C-NCAP）[9]50 km/h 正面100%重叠刚性墙碰撞要求，应用LS-DYNA 软件对白车身进行正面碰撞分析，获取各参考点的碰撞分析结果，并对比优化前、后的碰撞分析结果，验证方案的有效性。

2 有限元模型建立

准确的白车身有限元模型是保证分析结果正确的前提。有限元模型的建立过程包括几何建模、网格划分、材料赋予、载荷施加等。

图1所示为某车型白车身的正面碰撞仿真分析模型，白车身质量为307.9 kg，组件数量为296个，节点数量为553 354 个，网格数量为498 793 个，网格基本尺寸为10 mm。焊点设置为Hexa 多边形焊点，焊缝采用二维面网格焊缝，使用REB2刚性螺栓。

图1 白车身的正面碰撞仿真分析模型

3 轻量化材料

针对该车型进行车身轻量化设计，分别选取前保险杠横梁、前纵梁内外板、A柱加强板进行材料升级替换和厚度减薄，如图2所示，优化方案和轻量化效果如表1所示，实现质量减轻6.224 kg。

表1 零件优化质量对比

图2 材料升级零件示意

在试验室中利用Zwick 100 kN 电子拉伸试验机测得6 种材料的基本力学参数，如表2 所示，其中Rp0.2为屈服强度，Rm为抗拉强度，n为加工硬化指数。

表2 单向拉伸力学性能指标测试结果

4 材料正面碰撞性能优化

依据《C-NCAP 管理规则（2018 年版）》，设置正面碰撞速度为50 km/h，并设置刚性地面和刚性壁障，接触方式为*AUTOMATIC_SINGLE_SURFACE和*AUTOMATIC_SURFACE_TO_SURFACE，工况设置具体如图3 所示。对于整车碰撞仿真，主流的材料属性有MAT1、MAT20、MAT24、MAT100 等，本文碰撞仿真使用的是MAT24 材料卡。设定边界条件和求解控制参数后，导入LS-DYNA 软件中进行求解。用HyperView 和Hypergraph 后处理器分别对优化前、后的整车的正面碰撞情况进行分析，对整车能量变化曲线、加速度曲线和部件侵入量进行整体评价。

图3 工况设置

4.1 可信性验证

仿真模型需进行可信性分析，本文的考察重点为计算过程中的能量变化和沙漏能占比。

白车身结构质量增量如图4 所示，质量最大增量为4.6%，且质量增量稳定，模型质量增量检验合格。碰撞过程中的能量变化是评判仿真结果是否可信的重要依据。白车身结构在碰撞过程中的动能、内能、沙漏能和总能量曲线如图5 所示。由图5可知，碰撞过程满足能量守恒定律，白车身零部件系统的动能与内能相互转化，沙漏能的变化较小。能量曲线无异常，总能量守恒，动能转换为白车身势能的过程曲线平滑无缺陷，沙漏能占比低于3%，计算结果具备可信性。

图4 质量增量

图5 碰撞能量曲线

4.2 加速度曲线

车身受力与加速度呈正相关，因此正面碰撞过程中需考察整车的加速度。为充分反映整车的加速度变化情况，选取B 柱内侧安全带卷收器下方的某个点（该区域稳定，试验状态下传感器安装在此处）作为整车加速度计算点。B 柱下端参考点加速度曲线如图6所示，在正面碰撞过程中，原始参考点最大加速度为71.3g，材料优化后最大加速度为63.9g，B 柱加速度显著降低，这是因为前保险杠横梁及前纵梁优化后材料强度更高，在形变过程中吸收能量更加充分。

图6 B柱下端考察点加速度曲线

4.3 侵入量

车身变形量反映了车体被损坏的程度与车身的抗碰撞能力。在整车正面碰撞过程中，考虑到乘员舱的被动安全性，需重点关注的部件为A 柱和前围板。

选择左侧B 柱锁钩后侧某参考点，选择同水平高度下A 柱平面上的碰撞点作为测点，测量A 柱加强板侵入量，如图7 所示，随着时间的推移，在正面碰撞过程中，A 柱加强板开始侵入乘员舱，在第0.049 s 时侵入量达到最大值，随后车身结构产生回弹，A 柱侵入量减小。A 柱加强板优化后侵入量降低8.97%，优化效果明显。

图7 A柱加强板考察点侵入量曲线

同时，前排乘员的腿部需依靠前围板保护，因此选取驾驶员腿部及足部区域参考点，前围板侵入量曲线如图8所示，可以看出，优化后目标车型对应驾驶员腿部、足上部及足下部的前围板部分侵入量有所降低，降幅分别为15.9%、9.9%、8.8%，因此，优化后的白车身碰撞安全性更佳。

图8 前围板侵入量曲线

零件优化前、后结构耐撞性变化情况如表3 所示，由表3可知，优化后正面碰撞性能大幅提高。

表3 材料优化前、后耐撞性变化情况

4 结束语

本文针对某车型白车身，建立了正面碰撞有限元分析模型，并进行了模型的可信性验证，分析结果表明：

a.正面碰撞模型的最大质量增量为4.6%，沙漏能占比低于3%，表明计算结果具备可信性。

b.A柱加强板热成形钢PHS1500替代传统高强钢、前纵梁内外板使用DP780 替代B410LA、前保险杠横梁使用QP980替代QSTE500TM后，侵入量降低8.97%，优化效果明显。前围板部分各参考点的侵入量有所降低，降幅分别为15.9%、9.9%、8.8%，因此优化后的白车身碰撞安全性更佳。

c. 优化后总质量减轻6.224 kg，有效实现轻量化的同时，提高了白车身碰撞安全性。