车身结构耐撞性能优化设计 - 文章

车身结构耐撞性能优化设计

作者：哈飞汽车制造有限公司李佳洁

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摘要：本文主要针对在我国全面实行汽车整车正面碰撞标准之后，结合某微型车整车碰撞试验模拟分析及耐撞性能优化改进设计实例，对强制性标准中车身结构的被动安全对策加以深入探讨、总结。针对实车碰撞结果存在的问题，将理论分析、计算机模拟计算的方法相结合进行设计优化，并利用等数值分析手段对微车车架及前部结构进行了结构优化改进设计，碰撞结果表明系统的改进可使汽车的被动安全性得到显著提高。
关键词：正面碰撞车身安全结构被动安全

1 概述

汽车被动安全性能已是当今世界汽车技术发展的主流方向之一。汽车的被动安全性更是汽车产品竞争力的重要标志，也成为新车设计所应考虑的主要因素。汽车被动安全性设计是一个非常复杂的系统工程，其根本任务是通过合理设计控制汽车碰撞中结构部件的变形、受力和相互作用，使造成的成员伤害降到最低限度。汽车的被动安全性设计实际上就是寻找为保证碰撞安全所愿付出的代价与可能造成乘员伤害的一种平衡。现今的车身结构应具有良好的耐撞性，高强度化特性。在汽车碰撞中，车身是吸收能量的主体，车身的安全设计水平，主体上决定了车辆的被动安全性能。通过某些国产车型耐撞性改进成功设计实例，探索出汽车被动安全设计和改进的规律，积累汽车耐撞性改进和优化设计经验可以大幅度的降低研发成本，减少盲目探索。

2 碰撞法规与车身的碰撞特性

国际上具有代表性的汽车碰撞安全法规及技术法规共有三大体系，即美国联邦机动车安全法规(FMVSS)、欧洲汽车法规(ECE)、日本保安基准(TRIAS)。在国际大背景下，我国积极参与国际汽车技术法规制定和协调工作，并参考欧洲技术法规制定了我国的汽车强制性正碰标准体系(CMVDR294)，侧碰标准的实施也将是必然趋势。

汽车是一个具有复杂结构的高速运动物体，其碰撞形式归纳起来可大致分为三种形式：正面碰撞、侧面碰撞和后面碰撞，另外还有车碰行人与翻车等。根据资料(如图1)可知，汽车发生正面碰撞(包括斜碰)的概率在40%左右。因此以正面碰撞特性为主要依据进行设计，对降低乘员的伤害将非常重要。图1 包含所有伤害类型的撞击事故的概率分布，图 2 给出了汽车车头的理想变形特性曲线。

图1 所有伤害类型的撞击事故的概率分布

图 2 汽车车头的理想变形特性曲线

所谓良好的吸收特性：一方面，汽车的前部结构要尽可能多地吸收撞击能量(如图2 所示的头部理想变形特性曲线)，使作用于乘员上的力和加速度控制在规定的范围内；另一方面，控制受压各部件的变形形式，防止车轮、发动机、变速箱等刚性部件侵入驾驶室。

3 安全的车身结构设计

3.1 基本思想

从车辆的安全角度划分，可把整个车身分为三个部分：前撞部分、乘员乘坐部分和后撞部分。车身的三个部分的设计要求不尽相同。前、后撞部分结构设计要相对乘员乘坐部分“软”，当车辆发生碰撞时，“碰撞部分”应尽可能多变形以吸收撞击能量，剩余能量尽可能的传至大梁、立柱等处。换言之，通过良好的能量传递途径，尽可能少的将能量传至乘员乘坐部分。乘员乘坐部分的结构要设计得“硬”。从车辆的安全角度看，乘员区是车辆最重要部分，为保证乘员安全，这部分应尽可能减少变形，原因是车身变形可直接伤及乘员或直接影响乘员在发生事故后的逃逸性能。，考虑撞车安全性的车身结构设计的基本思想是利用车身的前、后部有效地吸收撞击能量。车室要坚固可靠，确保乘员的有效生存空间，即从安全角度看，车身总的设计原则是：两头“软”，中间“硬”。

与正面碰撞相比，侧面碰撞车身变形空间小，对乘员的危害较大，因此，增加车室刚度，保证乘员的有效生存空间显得尤为重要。为了加强乘员保护，车门、门槛和立柱都要设计成刚性结构，并且越来越多的采用防侧碰安全气囊，来减轻乘员因二次碰撞造成的伤害。实现侧面碰撞防护的指导思想是：将侧碰力有效地转移到车身具有保护作用的梁、柱、地板、车顶及其它部件，使撞击力被这些部件分散、吸收，从而极大限度的把可能造成的损害降低到最小程度。一般多采取增加车门强度、增加侧围物件的强度、增加门槛梁强度、合理设计门锁及门铰链等措施达到上述目的。

安全的车身结构设计的基本思想是利用车身的前后部最大可能的有效吸收撞击能量，使乘员在有足够的有效生存空间的前提下，让传递到乘员的碰撞能量最小。奔驰公司将这种思想称为安全室构造准则。图3 是该准则的概念图，阴影线部分描述的是撞车时希望产生变形的区域。

图3 安全室构造

4 车身结构设计的安全对策

基本的车身结构设计不但决定了车身的整体变形方式和损害程度，还确定了汽车碰撞中的加速度变化。结构的耐碰撞性设计是汽车具有良好被动安全性的基础。该种设计的关键在于对结构碰撞非线性响应的准确预测。汽车结构碰撞响应是个极其复杂的过程，在不同时速、不同情况下，碰撞响应是不同的。为了满足不同情况下的碰撞安全要求，在车身结构设计时，需要从汽车的整体结构考虑，并将新材料、新工艺的研究成果应用到车身结构设计上来。

4.1 低速( 8km/h)碰撞行人对策

该种碰撞速度标准的目的是保护行人安全、降低行人的伤害程度，并使汽车重要部件免遭损坏，节约因撞车造成的维修费用。与此相对应，设计车身结构时应考虑如下措施：采用吸能式保险杠，减轻一次碰撞伤害；将风窗玻璃框架外部设计成软结构，减轻行人因二次碰撞造成的对行人头颅和胸部等部分的损害；将门把手等装置设计成内凹式；采用具有缓冲机构的后视镜等措施。防止车外凸出物对行人三次碰撞伤害。例如筒状能量吸收式装置、利用泡沫材料作为能量吸收体。

4.2 正面碰撞(48km/h)安全对策

正面碰撞在汽车事故中发生频率最高，主要保护措施是利用汽车前部的压溃变形吸收能量，缓解碰撞加速度；加固车身驾驶室结构，保证乘员有足够的生存空间，即采用“高吸能前部结构”和“高刚性车室结构” 相结合的安全强化车体。并利用安全带、安全气囊等乘员保护装置，防止乘员因二次碰撞造成伤害。要想从根本上解决问题，我们需要从以下方面入手：

(1) 保证基本的许可变形量。许可变形量，决定了碰撞过程中的平均减速度。汽车的纵向变形量与平均减速度是成反比的。平均减速度作为汽车结构耐碰撞性的主要设计指标，在设计开始阶段就必须综合考虑确定。

(2) 保证基本的许可变形空间。保证许可变形空间是指汽车在发生正面碰撞后，前部变形区域不会对乘员形成威胁和伤害，而且包括前部许可变形区域内的塑性变形不会导致在碰撞过程中车门打开、碰撞后车门锁死等状况发生。

(3) 调整截面形状(通过吸能筋与加强筋的布置)、厚度、尺寸和结构形式等使结构的变形阻力保持在适当水平，并重视局部弱化使整车刚度分配符合设计原则及能量吸收曲线图。

前门槛断面前纵梁断面
图4 增大撞击吸收能量的腔型结构

4.2.1 汽车前部构件的结构设计

汽车前部构件的碰撞能量主要依靠物件的弯曲变形和压溃变形来吸收。实际上这两种吸能方式往往同时存在。设计这类梁的指导思想就是使其尽可能的沿着轴向压溃变形，控制其弯曲变形量。对于纵梁的设计，可运用有限元分析方法，同时对几种方案进行比较、优化，确定截面参数，并由此计算出不同参数的能量吸收曲线，从而确定零件的最佳结构与板料的厚度。图5 给出了不同截面形状的抗碰撞能力，图6 示出了同一截面不同焊接形式的抗碰撞能力。

图5 不同截面形状的抗碰撞能力图6 不同焊接形式的抗碰撞能力

4.2.2 结构筋的布置

在纵梁上合理布置加强筋和吸能筋(凸凹台)，可以有效地控制纵梁的变形，提高其能量吸收能力或增强其强度。图7 示出了有凸台和无凸台两种情况下边梁变形过程的模拟计算载荷变化曲线。无凸台的纵梁在发生明显变形，吸收能量能力显著下降。图8 给出了常用加强筋和吸能筋(凸凹台)形式。

图7 模拟结果-载荷曲线图8 突台的三种形式

筋的刚性主要取决于它的深度。设计加强筋应注意：

(1) 加强筋的轴线必须直，否则在振动时会引起扭转。
(2) 必须沿支撑之间最短距离布置。
(3) 采用交叉筋时，应考虑在交叉点容易产生应力集中，相对减小了交叉点的刚性。所以在交叉点要注意圆角过渡，圆角半径应大于筋的宽度的两倍。
(4) 加强筋的形状在平的或稍凸起的零件上，加强筋应沿零件对角线布置，在深弯曲的零件上应垂直于零件的弯曲轴线。

4.3 侧面碰撞安全对策

汽车发生侧面碰撞时车身空间变形小，为加强乘员保护，车门、门槛、立柱都要设计成刚性结构，并应考虑采用侧面安全气囊来减轻二次碰撞造成的伤害。实现侧面碰撞防护的指导思想是：将侧碰力有效地传递到车身具有保护作用的梁、门立柱、地板、顶盖及其它部件，使撞击力被这些部件吸收，从而极大限度地把可能造成的伤害降低到最小程度。可以采取的措施有：

(1) 增加车门强度：哈飞赛马车采用高强度钢板镀锌板(比传统钢板轻26%)或抗凹陷钢板、增加防撞横梁与刚性车身结合为一体，提高侧面抗撞能力。车门内板采用分体结构，前部加厚满足受力要求并增加刚性，后部变薄减轻重量。

(2) 增加侧围钣金件的强度，包括增大A 、B、C 立柱的截面形状，以及局部加强侧围与门加强件的接触部位、立柱与门槛和车顶纵梁连接部位的强度，保证侧碰力有效地传递到整个车身。

(3) 增加门槛梁强度。增强措施包括增大承载面积，在梁内增加加强板，以及填充发泡树脂等，哈飞赛马车门槛加强梁采取不等厚钢板等有效措施，保证撞击力有效地分散给地板等其它物件。

(4) 在车身B 立柱高度上安装横梁系统，在仪表板下面以及后风窗下面安装加强横梁。

(5) 对于前置后驱动车合理设计地板中间的传动轴通道，对于提高汽车抗弯强度有一定作用。

(6) 合理设计门锁及门铰链，既要防止汽车发生侧面碰撞时车门自动打开，又要保证碰撞后车门不借助工具能够开启。同时增强车门铰链有利于车门所受的撞击力有效地传给立柱。

4.4 其它安全对策

(1) 采用新材料。如铝材具有规则的轴向压溃特性，其单位质量吸能率高于相应钢制冲压构件对于重量仅为钢制管37%的铝管，可以吸收与钢管相同的能量，奥迪A8 采用了全铝制车身框架。

(2) 采用玻璃纤维增强塑料。由带有聚氨基甲酸已]脂泡沫芯的夹层材料，和在两层聚脂层之间填充金属增强物质制成的夹层结构，比传统钢结构具有更高的撞击值。

(3) 用新的焊接工艺。如激光焊接方法大大改善了焊接处的连接强度，提高了整体的抗碰撞能力。

5 车身结构耐撞性改进设计步骤

5.1 耐撞性改进设计步骤

(1) 在外型设计和总体结构设计之外，应对碰撞法规体系进行充分研究。首先预留出足够的高速碰撞可变形空间，在保证变形区吸收足够的撞击动能的前提下，控制变形刚度具有重要意义。依据汽车的允许变形量、平均减速度期望值、车重等因素估算主要吸能构件的吸能能力，初步确定主要吸能构件的结构形式、材料和几何尺寸，利用简化边界条件进行有限元分析，制作试件、并进行试验。并用CATIA 或UG软件建立整车几何模型。

(2) 整车碰撞有限元模型建立及初步分析：应用前后两级网格划分单元格：前部主要变形区网格密集，最小单元尺寸为5mm，以提高模拟精度。对于关键零件之间连接，如前、后悬架与整车、转向梯形与悬架系统、传动轴之间等的运动学连接，采用柱铰、球铰、移动副等多种连接方式，确保约束关系同整车实际运动关系相符。

(3) 车身结构部件优化设计:根据整车计算结果调整主要受力构件刚度，主要吸能构件的变形模式和能量吸收能力满足整车刚度分配，确保主体耐撞结构以渐进的、稳定的压缩变形模式吸收碰撞动能。

(4) 碰撞时破坏方式和减速度曲线基本确定后，进行转向盘移动量、全风窗玻璃的破坏程度、座椅和假人伤害指标等的数值分析。

(5) PAM-CRASH 软件进行碰撞仿真分析：根据试验结果优化局部结构，完善有限元计算模型。

(6) 试制整车并进行实车碰撞试验。根据碰撞结果进一步优化设计。

5.2 现阶段广泛应用于车身结构设计中的各类计算机辅助功能软件

6 被动安全性的设计实例

碰撞中，汽车结构的变形是非线形变形过程，既存在材料非线形，也存在几何非线形。车架是主要的吸能元件，其吸能变形形式决定了整车的变形形式和安全性。下例为某公司改型车的车架部分设计实例。

6.1 建立数学模型

利用CATIA 软件建立整车零件的数学模型，原则是：①简化计算，利用对称关系，选车架为研究对象；②设置与实际相符的约束条件；③设置准确的材料，建立硬化材料模型④用能量控制原则，控制结构变形。图9 为改进前、后的车架有限元模型。

6.2 碰撞模拟分析

用PAM-CRASH软件进行碰撞模拟分析表明，水平力对新车架产生力偶矩的作用，结构有弯转的趋势，即车架此时会产生两种变形：①车架的水平压溃使前部能量吸收达不到70%，A 立柱后移量达150mm 以上。②车架结构弯点弯曲变形，使整车碰撞后失稳。

6.3 制定具体实施方案

(1)经过多次模拟试验后确定车体前部纵梁伸长长度，当汽车发生正面碰撞时，为整车提供一定的缓冲区，同时起到吸能及传递能量的功用。

(2)利用能量递增原则，软化车体前部使其充分压溃吸能；后部进行加强设计，增加弯点处的抗弯强度，改变梁的纵向趋势，使最终车体前部发生压溃变形吸能达到了80%以上，A 柱后移量控制在70mm 以内。

(3)前段车架采取框架式空腔盒形结构，如图10 所示。

图 10

在力学中，横梁受力和挠度的关系遵循如下公式：

(f)p=pl³/48EI

式中，p 表示梁受到的力的作用，l 表示梁的长度，E 表示材料的弹性模量，I 表示梁的惯性矩I=πd⁴/64。可见，受力相同，截面积越大，挠度越小。而腔形结构不但使车体重量减少，而且车体的抗变形能力提高，从而使车体抗撞击的能力增强。因此增加两处槽形纵梁分别在左、右两侧焊接于地板前横梁前侧。

(4)利用左、右前纵梁连接件，采用交叉式焊接方式，将车架前段总成与左、右纵梁总成焊接为一体，充分保证接触承载部分有机结合，避免失稳。

7 结论

经过几次碰撞模拟和实车碰撞结构分析，进行系统结构优化设计后的车型充分满足正碰法规系列指标。汽车结构的耐撞性设计是根据预先规定的各个相互关联的零部件的变形方式和变形量确定合适的材料、结构形式和尺寸。本文结合具体车型，将实车试验、计算机模拟和理论分析相结合，对汽车局部结构进行改进，大大提高了整车耐撞性能。

参考文献
1 中国汽车技术研究中心. 汽车碰撞安全标准手册
2 现代汽车安全. 北京：人民交通出版社
3 谭浩强主编. 计算机图形技术与CAD. 北京：清华大学出版社(end)

文章内容仅供参考 (投稿) (如果您是本文作者，请点击此处) (6/1/2005)


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