doi: 10.3969/j.issn.1673-6478.2024.01.014
李冠君，田国富
（沈阳工业大学机械工程学院，辽宁 沈阳 110870）
摘要：本文运用Hypermesh 和Ls-dyna 软件对某SUV 车型进行小偏置碰撞有限元仿真分析，分析整车变形情况以及车身结构评级结果，总结出合理的改进方案，提升车身前端部件吸能能力，减少转向管柱、油门制动踏板等部件对乘员舱的侵入量。在A 柱及门槛等变形较大的部位添加加强板，提高乘员舱刚度，减小乘员受到的伤害。车身结构评级由“差”提升为“优秀”，说明改进方案具有一定的效果。 关键词：有限元仿真；小偏置碰撞；结构改进 中图分类号：U463.82
文献标识码：A
文章编号：1673-6478（2024）01-0062-04
Simulation Analysis and Improved Design of an SUV Based on 25% Offset Collision
LI Guanjun, TIAN Guofu
(Shenyang University of Technology, Mechanical Engineering College, Shenyang Liaoning 110870, China)
Abstract: Through Hypermesh and Ls-dyna software, a small bias collision finite element analysis of an SUV model was simulated, the deformation of the whole vehicle and the results of the body structure rating were analyzed. A reasonable improvement plan to enhance the energy absorption capacity of the front end components of the vehicle and reduce the intrusion of components such as the steering column and accelerator brake pedal into the passenger compartment was designed. Reinforcement plates to areas with significant deformation, such as the A-pillar and door sill, were added to increase the stiffness of the passenger compartment and reduce injuries to passengers. The body structure rating upgraded from "poor" to "excellent", explaining that the improvement plan has a certain effectiveness.
Key words: finite element simulation; small offset collisions; structural improvements 0 引言
正面小重叠度碰撞事故是正面碰撞事故中致死率最高的[1-2]，其对车辆的安全性能要求更高。因此，提高小偏置碰撞的安全性，对于降低我国交通事故致死率有重要意义。随着计算机运算能力的不断提高，工程师运用有限元分析法[3]通过计算机仿真的方式模拟汽车碰撞试验，降低成本，缩短研发周期。本文针对某SUV 建立25%偏置碰撞有限元模型，对重要的输出参数进行分析，提出有效的改进方案，提升车身
收稿日期：2022-11-03
作者简介：李冠君（1997- ），男，辽宁沈阳人，硕士，从事车辆工程领域研究。
结构的评级，为后续新车型开发提供参考。 1 IIHS 25%偏置碰撞规程 1.1 碰撞工况
2016年中保研汽车技术研究院有限公司颁布了汽车正面小偏置碰撞的试验规范和评估标准，车辆以64km/h ± 1km/h 的车速、25% ± 1%的重叠面积去撞击刚性壁障。将一个Hybrid Ⅲ 50%假人放置在驾驶位置，以便于测量碰撞中驾驶员的受伤害情况[3-4]。测试工况如图1所示。
第1期李冠君等，基于25%偏置碰撞的某SUV仿真分析及改进设计63图1 IIHS25%偏置碰撞工况
1.2 车体结构性能评估
碰撞后，在测试车辆乘员舱上下部共选取10个测量点测量侵入量，车身结构评估。图2为测量点对应的名称、位置。
图2 测量点
225%偏置碰撞仿真分析
2.1 SUV模型建立及可靠性分析
整车网格的划分大小为5～10mm，为了使计算效率达到最高，实体部件网格采用四面体和六面体的组合。模型质量为1 787kg。整车碰撞有限元模型如图3所示。
图3 整车碰撞有限元模型
通过后处理软件导入结果文件glstat得到能量曲线和质量曲线。整车能量曲线如图4所示。整个碰撞过程中总能量基本稳定不变，动能降低，内能增加，能量转化合理，符合能量守恒定律。由图4可知总能量约为290kJ，沙漏能约为7.5kJ。本文仿真结果中，沙漏能与总能量的比值约为2.59%，小于5%，符合仿真要求。
图4 整车能量曲线
2.2 仿真结果分析
（1）整车变形分析
整车碰撞的仿真过程总时间为150ms，图5为150ms后的整车变形图。防撞梁和前纵梁与壁障接触面积较小，变形不明显，而前立柱、A柱、门槛出现严重褶皱、弯折变形。
图5 整车变形
（2）加速度分析
小偏置碰撞中B柱加速度是最重要的输出参数之一。B柱下端与门槛交界处刚度大，变形小。左侧B柱加速度可以作为假人加速度的参考值[5]。根据图 6可知，左侧B柱X/Y向加速度峰值均出现60～75ms。左侧B柱X向最大加速度约为55.952g，Y向最大加速度约为37.932g。根据以往的碰撞经验，一般加速度峰值在40g以下，头部损伤HIC值不会超过法规要求。左侧B柱X向最大加速度高于40g，驾驶员会受到严重的伤害。
图6 B柱加速度
64交通节能与环保第20卷
（3）前围板侵入量分析
前围板侵入量如图7所示。小偏置碰撞中要求侵入量不能超过180mm[6]，前围板最大侵入量约为253.7mm，远远超出驾驶员所能承受的极限。suv车
图7 前围板位移云图
（4）车体结构评级
10个测量点的侵入量如图8所示。门槛、转向管柱、A柱上铰链、上仪表板等位置侵入量超过规定允许范围，评级为“较差”；A柱下铰链、左侧搁脚板的侵入量刚刚及格，评级为“一般”；制动踏板、驻车制动踏板评级为“优秀”。整个车身结构评级为“差”。
图8 车体结构评级
3改进方案
（1）前纵梁改进
为了使前纵梁在碰撞过程中发挥更多的吸能作用，最有效的办法是将前纵梁向壁障方向偏移，但是受到发动机舱零件布
置的影响，改变前纵梁位置非常困难。因此，本文采用在防撞梁与纵梁之间添加一个结构件，前纵梁与结构件形成Y形结构，如图9所示。
图9 Y形结构
新增结构件能将碰撞能量传递给前纵梁，使前纵梁能更多地参与吸能。根据吸能情况对新型结构进行设计。碰撞过程中整车前端目标吸收能量按公式（1）计算。
EE0=�12mmvv02−12mmvv2�×ηη(1)
式中，EE0为车体前端的目标吸能量；mm为整车模型质量；vv0为整车初速度；vv为碰撞过程结束整车速度，ηη为目标吸能系数，根据文献[5]取0.85。根据文献[5]，车型的小偏置碰撞结构评级要想达到“优秀”评级，通常要求前纵梁目标吸能占车身前端目标吸能的18%左右。本文将Y形前纵梁结构目标吸能定为26kJ。结构吸收能量以及结构力按公式（2）～（3）计算。
EE front=FF front×SS front(2)
SS front=kk front×DD front(3)
式中，EE front为设计的Y形结构件的变形目标吸能量；FF front为Y形结构件平均轴向结构力；SS front为Y形结构件变形长度；kk front为Y形结构件变形系数，DD front为Y形结构件总长度。
Y形结构件长度设计为320mm，结构变形系数定为0.9。矩形截面薄壁梁平均轴向力计算公式如公
式（4）所示。
FF=13.105σσ0bb13tt53�1+�0.33vv0bbbb�1��(4)
式中，FF为Y形结构件轴向结构力；σσ0为流动应力；bb为Y形结构件矩形截面长宽均值；tt为Y形结构件厚度；vv0为Y形结构件动态载荷；bb为特征应变率；pp为材料敏感度度量值。
根据公式（1）～（4），新增结构件最终参数为：截面长70mm，宽30mm，材料为BR1500HS。
（2）乘员舱结构改进
经过前面的分析，A柱和门槛的变形严重，对驾驶员的侵入量过大。改进方案为：在前立柱、A柱、门槛梁变形严重的位置添加加强板，采用性能更好的材料，适当增加厚度。关键部位材料及厚度变化如表 1所示。
表1 改进厚度及材料
原厚度/mm 改进厚度/mm 更换材料A柱内板 1.2 1.4 BR1500HS
A柱外板 1.2 1.36 BR1500HS
门槛梁 1.2 1.4 BR1500HS
加强板0 1.4 BR1500HS
4改进结果验证
（1）B柱加速度
改进后B柱X/Y向加速度如图10所示。B柱X 向最大加速度约为26.052g，Y向最大加速度约为21.326g。改进后车身B
柱加速度下降到合理范围内，
第1期李冠君等，基于25%偏置碰撞的某SUV仿真分析及改进设计65
说明对关键部位的厚度、材料以及加强板的改进是合理的，刚度匹配合理。
图10 改进后B柱加速度
（2）前围板侵入量
前围板侵入量如图11所示。前围板最大侵入量约为164.2mm，相较于原始车型前围板侵入量减少89.5mm，侵入量改善35.2%，并且侵入量小于180mm，达到目标要求。极大降低了人员受伤概率和程度。
图11 改进后前围板位移云图
（3）前纵梁Y形结构
为改善前纵梁吸能，前文提出了在防撞梁延长部分与前纵梁之间新增结构件，将碰撞产生的能量更多地传递给前纵梁，前纵梁Y形结构吸能情况如图12所示。新增结构件吸能为16kJ，前纵梁内板吸能为10kJ，前纵梁外板吸能为2kJ。前纵梁Y形结构总体吸能为28kJ，前纵梁目标吸能为26kJ，达到目标吸能要求。
图12 前纵梁Y形结构吸能
（4）改进后车体结构评级
改进后的车身各测量点侵入量如图13所示。门槛、转向管柱、上仪表板、左下方仪表板评级由“较差”提升为“优秀”；A柱下铰链评级由“较差”提升为“良好”；A柱下铰链、左侧搁脚板评级由“一般”提升为“优秀”。改进后车体结构评级为“优秀”。
图13 车体结构评级
5结语
本文建立了25%偏置碰撞工况下的某SUV有限元模型并对其进行分析，重新设计前纵梁Y形结构，改善A柱内外板、门槛梁的材料，适当增加厚度，在关键部位增添加强板，从而提升乘员舱刚度。改进方案将原车型的车体结构评级由“差”提升为“优秀”。
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