環(huán)境污染和能源消耗已經(jīng)成為當今世界亟待解決的社會問題，通過車身輕量化降低汽車質量是一種降低汽車油耗的有效手段，車身輕量化是目前汽車工業(yè)的重要發(fā)展方向。

 

而另一方面，隨著汽車保有量和駕駛員數(shù)量的劇增，以及路況復雜多樣、城鄉(xiāng)環(huán)境差異大等問題，對車輛自身的安全性能以及駕駛員和公眾的交通安全意識提出了更高的要求，并且更為嚴苛的 C-NCAP（中國新車評價規(guī)程）管理規(guī)則已開始實施。

為了促進汽車企業(yè)開發(fā)出更高安全標準的新車型，NCAP 要求在市場上可購買到的新車型按照更嚴格和更全面的標準進行碰撞安全性能測試，評價結果按星級劃分，從而能有效的減少安全事故的發(fā)生及損失。在保證車身安全性能的前提下進行輕量化設計是新車型開發(fā)過程中的主要任務，結合新車型輕量化需求，本文將 A 柱加強板、車身前縱梁內外板進行材料質量降低及強度升級，參考 C-NCAP 50 km/h 正面 100%重疊剛性墻碰撞要求，應用 ABAQUS 軟件對白車身進行正面碰撞分析。獲取各參考點的碰撞分析結果，對比優(yōu)化材料前后的碰撞分析結果，利用有限元分析數(shù)據(jù)，為白車身輕量化設計及安全性能分析提供參考。

 

2 有限元模型建立

準確的白車身有限元模型是保證分析結果正確的前提。有限元模型的建立包括幾何建模、網(wǎng)格劃分、材料賦予、載荷施加等。圖 1 為新車型的正面碰撞仿真分析數(shù)模，其中模型質量為 307.9 kg，單位制采取 mm、TON、s、N、MPa。其中組件數(shù)量為296個，節(jié)點數(shù)量為553 354個，網(wǎng)格數(shù)量為 498 793 個，網(wǎng)格基本尺寸 10 mm。焊點為 Hexa 多邊形焊點，焊縫采用二維面網(wǎng)格焊縫，REB2剛性螺栓。

 

 

圖 1 白車身的正面碰撞仿真分析數(shù)模

 

3 輕量化材料

針對新車型進行車身輕量化優(yōu)化，選取部分零部件進行材料升級替換。分別選取保險杠橫梁、前縱梁內外板、A 柱加強板，見圖 2，新車型的 A 柱的原始材料為 HC340LA，厚度為 1.8 mm，優(yōu)化材料為熱成形鋼 PHS1500，厚度為 1.2 mm；前縱梁內外板原始材料為 B410LA，厚度 2.0 為 mm，優(yōu)化材料為 DP780，厚度 1.5 為 mm；保險杠橫梁的原始材料為 QSTE500TM，厚度 2.5 為 mm，優(yōu)化材料為 QP980，厚度為 2 mm；零件優(yōu)化前后質量對比見表 1。

 

 

圖 2 材料升級零件示意

 

表 1 零件優(yōu)化質量對比

 

 

實驗室中利用 Zwick 100 kN 電子拉伸試驗機測得6 種材料的基本力學參數(shù)見表 2。

 

表 2 單向拉伸力學性能指標測試值

 

 

4 材料正碰優(yōu)化

依據(jù) C-NCAP（2018 版）管理規(guī)則，正面碰撞速度 50 km/h，設置剛性地面和剛性壁障，接觸方式為*Surface-to-Surface contact。設定邊界條件和求解控制參數(shù)后，導入到 ABAQUS 軟件中進行求解。用Hyperview 和HyperGraph 后處理器分別對材料優(yōu)化前后的整車的正面碰撞情況進行分析，從整車能量變化曲線、加速度曲線、部件侵入量對整體進行評價。

 

4.1 可信性驗證

計算的仿真模型需進行可信性分析，確認計算結果是否具備使用價值。本文的考察重點為計算過程中的能量變化和沙漏能占比。

 

白車身結構質量增量如圖 3 所示，最大質量增量為 4.6%，且質量增量穩(wěn)定，因此模型質量增量檢驗合格。碰撞過程中能量變化是評判仿真結果是否可信的重要依據(jù)。白車身結構在碰撞過程中的動能、內能、沙漏能和總能量曲線如圖 4 所示。圖 4 表明，在碰撞過程中滿足能量守恒定律，白車身零部件系統(tǒng)的動能與內能相互轉化，沙漏能的變化較小。能量曲線無異常，總能量守恒，動能轉換為白車身勢能的過程曲線平滑無缺陷，沙漏能占比低于 3%，表明計算結果具備可信性。

 

 

圖 3 質量增量

 

 

圖 4 碰撞能量曲線

 

4.2 加速度曲線

對乘員來說受到的力與加速度呈正相關，因此正碰過程中需考察整車的加速度。為充分地反映出整車的加速度變化情況，選取 B 柱下方的某個點作為整車加速度計算點。B 柱下端參考點加速度曲線如圖 5 所示，在正面碰撞過程中原始參考點最大加速度為 71.3 g，優(yōu)化材料后最大加速度為 63.9 g，B 柱加速度有了顯著降低，這是因為前保橫梁及前縱梁優(yōu)化后選料強度更高，因此在變形過程中吸收能量更加充分。

 

 

圖 5 B 柱下端考察點加速度曲線

 

4.3 入侵量

對于汽車碰撞仿真和試驗來說，車身變形量的大小反映了車體被損壞的程度與車身的抗碰撞能力。在整車正面碰撞過程中，考慮到乘員艙的被動安全，需重點關注的部件為 A 柱以及前圍板。

 

選擇碰撞左側 A 柱加強板上的點作為測點，以 B柱上相應位置作為參考對象，測量 A 柱加強板入侵量，如圖 6 所示，在正面碰撞過程中 A 柱加強板隨著時間推移開始入侵乘員艙，并在 0.049 s 時入侵量達到最大值，隨后車身結構產(chǎn)生回彈，A 柱侵入量減小。A 柱加強板材料優(yōu)化后入侵量降低 8.97%，優(yōu)化效果明顯。

 

 

圖 6 A 柱加強板考察點侵入量曲線

 

同時，前排駕駛員與乘客的腿部需依靠前圍板進行保護，因此選取駕駛員腿部及足部區(qū)域為參考點，前圍板入侵量曲線如圖 7 所示，可以看出將原有材料優(yōu)化后目標車型對應駕駛員腿部，腳上部及腳下部的前圍板部分侵入量有所降低，降幅分別為 15.9%、9.9%、8.8%，因此優(yōu)化后的白車身碰撞安全性更佳。

 

 

(a)優(yōu)化前

 

(b)優(yōu)化后

圖 7 前圍板入侵量曲線

 

綜上所述，零件輕量化前后結構耐撞性變化表見表 3，材料優(yōu)化后的正碰性能大幅提高。

 

表 3 材料優(yōu)化前后耐撞性變化表

 

 

4 結束語

以新車型為例，建立了正面碰撞的有限元分析模型，并進行了模型的可信性驗證，分析結果表明：

 

a.正碰模型的最大質量增量為 4.6%，沙漏能占比低于 3%，表明計算結果具備可信性。

 

b. A 柱加強板熱成形鋼 PHS1500 替代傳統(tǒng)高強鋼、前縱梁內外板使用 DP780 替代 B410LA、保險杠橫梁使用 QP980 替代 QSTE500TM 后，入侵量降低 8.97%，優(yōu)化效果明顯。前圍板部分各參考點的侵入量有所降低，降幅分別為 15.9%、9.9%、8.8%，因此優(yōu)化后的白車身碰撞安全性更佳。

 

c.優(yōu)化后總質量降低 6.224 kg，既達到輕量化目的，又能夠有效提高白車身碰撞安全性。

 

資料來源：達索官方