洪求才，劉衛(wèi)國，2，周大永，2

(1.浙江吉利汽車研究院有限公司，杭州 311228； 2.浙江省汽車安全技術(shù)研究重點(diǎn)實(shí)驗室，杭州 311228)

某款轎車變型開發(fā)中車身結(jié)構(gòu)輕量化的研究?

洪求才1，劉衛(wèi)國1，2，周大永1，2

(1.浙江吉利汽車研究院有限公司，杭州 311228； 2.浙江省汽車安全技術(shù)研究重點(diǎn)實(shí)驗室，杭州 311228)

本文中針對現(xiàn)有平臺車型C-NCAP五星級碰撞安全車身，基于車身結(jié)構(gòu)輕量化要求，通過CAE仿真改進(jìn)車身結(jié)構(gòu)，開發(fā)了一款滿足C-NCAP五星級碰撞標(biāo)準(zhǔn)的全新緊湊型A級轎車。在現(xiàn)有平臺車型基礎(chǔ)上，構(gòu)建高精度整車碰撞有限元模型，通過前縱梁、副車架和前防撞梁結(jié)構(gòu)的改進(jìn)設(shè)計，以整車加速度波形、前圍侵入量和前縱梁變形模式等為結(jié)構(gòu)開發(fā)目標(biāo)，進(jìn)行車身輕量化設(shè)計。結(jié)果表明，在達(dá)到車身結(jié)構(gòu)輕量化要求的同時，改善了車輛的安全性能。

車身；輕量化；仿真；碰撞性能

前言

被動安全性是整車性能的核心，為造出更安全、更環(huán)保和更節(jié)能的轎車，從被動安全角度來說，重點(diǎn)在于保護(hù)車內(nèi)乘員，減小碰撞對乘員的傷害[1-4]。一個能充分吸收碰撞能量和有良好乘員保護(hù)空間的安全車身結(jié)構(gòu)是碰撞星級開發(fā)的基礎(chǔ)，而能兼顧車身輕量化要求，設(shè)計出一款在消費(fèi)市場上具備競爭力的產(chǎn)品也是各大汽車主機(jī)廠研發(fā)車型時所追求的目標(biāo)[5]。

本文中以現(xiàn)有碰撞五星級車身平臺為基礎(chǔ)，進(jìn)行變型開發(fā)。通過去除現(xiàn)有車型的副車架前縱梁，前懸長度縮短80mm，配置加大尺寸的輪胎，優(yōu)化車身前結(jié)構(gòu)，開發(fā)出一款滿足碰撞五星級輕量化要求的緊湊型A級轎車。

1 車身輕量化設(shè)計優(yōu)化方法

基于車身結(jié)構(gòu)輕量化設(shè)計要求，為實(shí)現(xiàn)整車碰撞性能目標(biāo)，在原始車型有限元模型的基礎(chǔ)上，通過優(yōu)化縱梁截面承載力、提升縱梁能量吸收效率、優(yōu)化碰撞傳遞路徑和防撞梁抗彎特性等設(shè)計變量，考察整車碰撞加速度水平、車輛前圍侵入量和前縱梁變形模式3項指標(biāo)，評估車輛結(jié)構(gòu)水平、乘員生存空間要求和碰撞結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性要求，結(jié)構(gòu)優(yōu)化流程如圖1所示。

圖1 結(jié)構(gòu)優(yōu)化流程圖

2 基礎(chǔ)車型仿真

圖2 “井”字型副車架結(jié)構(gòu)

基礎(chǔ)車型采用“井”字型副車架結(jié)構(gòu)形式，輪胎尺寸為215/55/R16，五星級碰撞標(biāo)準(zhǔn)車身結(jié)構(gòu)，如圖2所示。在100%剛性墻50km/h碰撞試驗的同時，進(jìn)行建模、仿真，結(jié)果如圖3～圖6所示。從車身左右側(cè)碰撞加速度波形、車身關(guān)鍵結(jié)構(gòu)件變形模式和碰撞后測量點(diǎn)變形結(jié)果可以看出，加速度波形與試驗波形較為接近，處于相同水平，左右側(cè)縱梁變形模式、前防撞梁變形仿真與試驗一致，車身測量點(diǎn)位移量與試驗較為接近，說明仿真模型能足夠精確地反映試驗狀態(tài)，可以此仿真模型為基礎(chǔ)，進(jìn)行車身輕量化仿真[6-12]。

圖3 車身B柱下部左側(cè)加速度仿真與試驗結(jié)果對比

圖4 車身B柱下部右側(cè)加速度仿真與試驗結(jié)果對比

圖5 車身結(jié)構(gòu)試驗與仿真結(jié)果對比

3 變型車型車身開發(fā)

以五星級安全車身為基礎(chǔ)進(jìn)行變型開發(fā)，即去除“井”字型副車架，改為“半”字型副車架結(jié)構(gòu)，前懸長度縮短80mm，輪胎尺寸增大，輪輞外徑由R16變?yōu)镽17，如圖7～圖9所示。為使變型車型車身滿足C-NCAP五星級標(biāo)準(zhǔn)，須從結(jié)構(gòu)和零部件性能開發(fā)兩個方向進(jìn)行優(yōu)化匹配。其難點(diǎn)為：(1)“井”字型副車架改為“半”字型車架，減少了原有結(jié)構(gòu)傳遞路徑；(2)輪胎尺寸的改變減少了碰撞有效利用空間，同時增加了輪胎在碰撞過程中接觸A柱的風(fēng)險；(3)前懸長度縮短80mm，減小了有效的前部碰撞吸能空間。考慮到布置和行人保護(hù)小腿碰撞空間的要求，將前防撞梁系統(tǒng)吸能盒長度縮短54mm，如圖8所示。

圖6 車身變形量試驗與仿真結(jié)果對比

圖7 “井”字型副車架與“半”字型副車架

圖8 輪輞尺寸R16與R17對比

圖9 前防撞梁布置位置

3.1 防撞梁系統(tǒng)性能開發(fā)

基于輕量化要求，把基礎(chǔ)車型的滾壓前防撞梁替換為熱成型前防撞梁，為保證前防撞梁自身的抗彎特性，通過CAE仿真優(yōu)化其結(jié)構(gòu)，達(dá)到預(yù)期設(shè)計要求的抗彎特性，進(jìn)一步通過零部件試驗驗證熱成型前防撞梁力學(xué)抗彎特性，如圖10和圖11所示。基礎(chǔ)車型滾壓前防撞梁材料厚度780DP/1.4mm與熱成型前防撞梁材料厚度BTR165/1.8mm抗彎力學(xué)性能相當(dāng)，達(dá)到基礎(chǔ)車型的力學(xué)抗彎要求。

圖10 前防撞梁抗彎力與位移曲線關(guān)系

3.2 車身性能優(yōu)化方案

由于對基礎(chǔ)車型進(jìn)行配置“精簡”，導(dǎo)致碰撞性能不理想，無法滿足C-NACP五星級碰撞標(biāo)準(zhǔn)。所以需要優(yōu)化車身結(jié)構(gòu)，在滿足整車輕量化目標(biāo)前提下，保證碰撞性能。優(yōu)化方案如圖12～圖15所示，其中：縱梁前段誘導(dǎo)筋優(yōu)化；縱梁前段結(jié)構(gòu)特征孔去除；縱梁前段增加內(nèi)加強(qiáng)板，材料為0.8mm/590DP，縱梁中部內(nèi)加強(qiáng)板材料由原先的1.0mm/DC01改為1.5mm/590DP；修改A柱內(nèi)部截面，增加乘員艙內(nèi)斜支撐件與A柱搭接的面積，斜支撐件厚度由原先的1.5mm增至1.8mm。

圖11 前防撞梁三點(diǎn)壓彎試驗

圖12 前縱梁誘導(dǎo)筋優(yōu)化

圖13 前縱梁特征孔優(yōu)化

圖14 前縱梁內(nèi)加強(qiáng)板結(jié)構(gòu)優(yōu)化

圖15 A柱與斜支撐件結(jié)構(gòu)優(yōu)化

3.3 正面碰撞效果

由于去除副車架前縱梁結(jié)構(gòu)，縮短了碰撞力傳遞路徑，且車身縱梁長度不變的前提下，通過采用熱成型防撞梁，滿足前懸縮短80mm整車布置要求，但結(jié)構(gòu)碰撞性能有所降低，不能滿足五星級碰撞車身結(jié)構(gòu)設(shè)計要求。

表1 輕量化車身質(zhì)量變化

通過與前防撞梁抗彎性能設(shè)計要求和車身前縱梁結(jié)構(gòu)的優(yōu)化匹配，使整車結(jié)構(gòu)質(zhì)量減輕7.01kg，既達(dá)到車身輕量化目的，又滿足車身碰撞性能開發(fā)要求。優(yōu)化前后質(zhì)量的變化如表1所示。優(yōu)化結(jié)果如圖16～圖19所示，其中：左側(cè)B柱底部加速度峰值由原先的47.2g降低至38.7g，右側(cè)B柱底部加速度峰值約為42g，優(yōu)化后的左右側(cè)B柱底部加速度水平基本達(dá)到原型車加速度水平，即五星級碰撞車身安全開發(fā)要求；防火墻動態(tài)最大侵入量由原先的110mm降低為102mm；同時正面剛性墻50km/h碰撞，縱梁變形模式明顯改善，前防撞梁抗彎作用明顯、吸能盒充分壓潰，縱梁前段軸向壓潰，縱梁變形穩(wěn)定性顯著增強(qiáng)。

圖16 縱梁變形模式優(yōu)化對比

圖17 前防火墻侵入量云圖對比

圖18 左側(cè)B柱底部加速度優(yōu)化對比

圖19 右側(cè)B柱底部加速度優(yōu)化對比

4 結(jié)論

基于車輛輕量化開發(fā)要求，開發(fā)出滿足CNCAP五星級安全車身結(jié)構(gòu)。在前懸縮短、采用大尺寸輪胎和去除副車架前縱梁等整車改動前提下，通過優(yōu)化車身結(jié)構(gòu)達(dá)到設(shè)計目標(biāo)要求，車身質(zhì)量減輕7.01kg?？v梁變形模式較為合理，加速度峰值明顯降低，同時防火墻動態(tài)最大侵入量也減小了近10mm，改善了車輛的安全性能，滿足碰撞安全設(shè)計目標(biāo)，達(dá)到車身結(jié)構(gòu)輕量化要求。

[1] 欒家男，胡寧.車身前端結(jié)構(gòu)輕量化對正面碰撞耐撞性的影響[J].上海工程技術(shù)大學(xué)學(xué)報，2012(4)：315-320.

[2] 朱航彬，劉學(xué)軍.正面碰撞波形對乘員傷害值的影響[J].汽車工程，2008，30(11)：964-968.

[3] 朱平，張宇，葛龍，等.基于正面耐撞性仿真的轎車車身材料輕量化研究[J].機(jī)械工程學(xué)報，2005，41(9)：207-211.

[4] WU J，NUSHOLTZ G S，BILKHU S.Optimization of vehicle crash pulses in relative displacement domain[J].Int.Journal of Crashworthiness，2002，7(4)：397-413.

[5] ERMOLAEVA N S，CASTRO M B G，KANDACHAR P V.Materials selection for an automotive structure by integrating structural optimization with environmental impact assessment[J].Materials and Design，2004，25(8)：489-698.

[6] 周云郊，蘭鳳崇，韋興民，等.正面碰撞下車身前端結(jié)構(gòu)高強(qiáng)度鋼板匹配規(guī)律研究[J].汽車工程，2009，31(10)：990-994.

[7] 趙廣耀，樊新華，邸建衛(wèi)，等.車輛碰撞計算機(jī)模擬分析與評價[J].東北大學(xué)學(xué)報，2008，29(7)：1020-1024.

[8] 朱西產(chǎn).汽車正面碰撞試驗法規(guī)及其發(fā)展趨勢的分析[J].汽車工程，2002，24(1)：1-5.

[9] 于英華，郎國軍.基于LS-DYNA的汽車保險杠碰撞仿真研究[J].計算機(jī)仿真，2007，24(12)：235-238.

[10] 施欲亮，朱平，張宇，等.提高汽車碰撞仿真計算效率的網(wǎng)格規(guī)?？刂品椒╗J].上海交通大學(xué)學(xué)報，2008，42(6)：905-909.

[11] 鄭福榮，劉燕霞，呂浩，等.轎車碰撞安全性的評價及車身碰撞安全性設(shè)計[J].汽車技術(shù)，2006(4)：12-17.

[12] CHENG Z Q，THACKER J G，PILKEY W D，et al.Experiences in reverse-engineering of a finite element automobile crash model [J].Finite Elements in Analysis and Design，2001，37：843-860.

A Study on Body Structure Lightweighting in the Transfiguration Development of a Sedan

Hong Qiucai1，Liu Weiguo1，2＆Zhou Dayong1，2
1.Geely Automobile Institute，Hangzhou311228； 2.Zhejiang Key Laboratory of Automobile Safety Technology，Hangzhou311228

According to the lightweighting requirements of car body structure and based on the body of a car with existing platform and five-stars crashworthiness by C-NCAP，a novel compact A class sedan meeting the CNCAP five-stars crashworthiness criteria is developed in this paper.Specifically，a high accuracy finite element model for car crash is constructed based on the car model with existing platform.Through the design modification of the structures of front side rail，sub-frame and front bumper，with the acceleration wave form，front bulkhead intrusion and the deformation pattern of front side rail as the development objective of structure，the lightweight design of car body is carried out.As a result，the safety performance of vehicle is improved while meeting the lightweighting requirements of car body structure.

car body；lightweighting；simulation；crashworthiness

?浙江省汽車安全控制技術(shù)重點(diǎn)實(shí)驗室建設(shè)項目(2009E10013)資助。

原稿收到日期為2016年1月20日，修改稿收到日期為2016年3月20日。

洪求才，碩士，E-mail：hongqiucai＠163.com。

10.19562/j.chinasae.qcgc.2017.02.018