1 概述
汽車的被動安全性更是汽車產(chǎn)品競爭力的重要標(biāo)志，也成為新車設(shè)計所應(yīng)考慮的主要因素。汽車被動安全性能已是當(dāng)今世界汽車技術(shù)發(fā)展的主流方向之一。汽車被動安全性設(shè)計是一個非常復(fù)雜的系統(tǒng)工程，其根本任務(wù)是通過合理設(shè)計控制汽車碰撞中結(jié)構(gòu)部件的變形、受力和相互作用，使造成的成員傷害降到最低限度。汽車的被動安全性設(shè)計實(shí)際上就是尋找為保證碰撞安全所愿付出的代價與可能造成乘員傷害的一種平衡?，F(xiàn)今的車身結(jié)構(gòu)應(yīng)具有良好的耐撞性，高強(qiáng)度化特性。在汽車碰撞中，車身是吸收能量的主體，車身的安全設(shè)計水平，主體上決定了車輛的被動安全性能。通過某些國產(chǎn)車型耐撞性改進(jìn)成功設(shè)計實(shí)例，探索出汽車被動安全設(shè)計和改進(jìn)的規(guī)律，積累汽車耐撞性改進(jìn)和優(yōu)化設(shè)計經(jīng)驗可以大幅度的降低研發(fā)成本，減少盲目探索。
2 碰撞法規(guī)與車身的碰撞特性
國際上具有代表性的汽車碰撞安全法規(guī)及技術(shù)法規(guī)共有三大體系，即美國聯(lián)邦機(jī)動車安全法規(guī)(FMVSS)、歐洲汽車法規(guī)(ECE)、日本保安基準(zhǔn)(TRIAS)。在國際大背景下，我國積極參與國際汽車技術(shù)法規(guī)制定和協(xié)調(diào)工作，并參考?xì)W洲技術(shù)法規(guī)制定了我國的汽車強(qiáng)制性正碰標(biāo)準(zhǔn)體系(CMVDR294)，側(cè)碰標(biāo)準(zhǔn)的實(shí)施也將是必然趨勢。
汽車是一個具有復(fù)雜結(jié)構(gòu)的高速運(yùn)動物體，其碰撞形式歸納起來可大致分為三種形式：正面碰撞、側(cè)面碰撞和后面碰撞，另外還有車碰行人與翻車等。根據(jù)資料(如圖1)可知，汽車發(fā)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為主要依據(jù)進(jìn)行設(shè)計，對降低乘員的傷害將非常重要。圖1 包含所有傷害類型的撞擊事故的概率分布，圖 2 給出了汽車車頭的理想變形特性曲線。
圖1 所有傷害類型的撞擊事故的概率分布
圖 2 汽車車頭的理想變形特性曲線
所謂良好的吸收特性：一方面，汽車的前部結(jié)構(gòu)要盡可能多地吸收撞擊能量(如圖2 所示的頭部理想變形特性曲線)，使作用于乘員上的力和加速度控制在規(guī)定的范圍內(nèi)；另一方面，控制受壓各部件的變形形式，防止車輪、發(fā)動機(jī)、變速箱等剛性部件侵入駕駛室。
3 安全的車身結(jié)構(gòu)設(shè)計
3.1 基本思想
從車輛的安全角度劃分，可把整個車身分為三個部分：前撞部分、乘員乘坐部分和后撞部分。車身的三個部分的設(shè)計要求不盡相同。前、后撞部分結(jié)構(gòu)設(shè)計要相對乘員乘坐部分“軟”，當(dāng)車輛發(fā)生碰撞時，“碰撞部分”應(yīng)盡可能多變形以吸收撞擊能量，剩余能量盡可能的傳至大梁、立柱等處。換言之，通過良好的能量傳遞途徑，盡可能少的將能量傳至乘員乘坐部分。乘員乘坐部分的結(jié)構(gòu)要設(shè)計得“硬”。從車輛的安全角度看，乘員區(qū)是車輛最重要部分，為保證乘員安全，這部分應(yīng)盡可能減少變形，原因是車身變形可直接傷及乘員或直接影響乘員在發(fā)生事故后的逃逸性能。，考慮撞車安全性的車身結(jié)構(gòu)設(shè)計的基本思想是利用車身的前、后部有效地吸收撞擊能量。車室要堅固可靠，確保乘員的有效生存空間，即從安全角度看，車身總的設(shè)計原則是：兩頭“軟”，中間“硬”。
與正面碰撞相比，側(cè)面碰撞車身變形空間小，對乘員的危害較大，因此，增加車室剛度，保證乘員的有效生存空間顯得尤為重要。為了加強(qiáng)乘員保護(hù)，車門、門檻和立柱都要設(shè)計成剛性結(jié)構(gòu)，并且越來越多的采用防側(cè)碰安全氣囊，來減輕乘員因二次碰撞造成的傷害。實(shí)現(xiàn)側(cè)面碰撞防護(hù)的指導(dǎo)思想是：將側(cè)碰力有效地轉(zhuǎn)移到車身具有保護(hù)作用的梁、柱、地板、車頂及其它部件，使撞擊力被這些部件分散、吸收，從而極大限度的把可能造成的損害降低到最小程度。一般多采取增加車門強(qiáng)度、增加側(cè)圍物件的強(qiáng)度、增加門檻梁強(qiáng)度、合理設(shè)計門鎖及門鉸鏈等措施達(dá)到上述目的。
安全的車身結(jié)構(gòu)設(shè)計的基本思想是利用車身的前后部最大可能的有效吸收撞擊能量，使乘員在有足夠的有效生存空間的前提下，讓傳遞到乘員的碰撞能量最小。奔馳公司將這種思想稱為安全室構(gòu)造準(zhǔn)則。圖3 是該準(zhǔn)則的概念圖，陰影線部分描述的是撞車時希望產(chǎn)生變形的區(qū)域。
圖3 安全室構(gòu)造
4 車身結(jié)構(gòu)設(shè)計的安全對策
基本的車身結(jié)構(gòu)設(shè)計不但決定了車身的整體變形方式和損害程度，還確定了汽車碰撞中的加速度變化。結(jié)構(gòu)的耐碰撞性設(shè)計是汽車具有良好被動安全性的基礎(chǔ)。該種設(shè)計的關(guān)鍵在于對結(jié)構(gòu)碰撞非線性響應(yīng)的準(zhǔn)確預(yù)測。汽車結(jié)構(gòu)碰撞響應(yīng)是個極其復(fù)雜的過程，在不同時速、不同情況下，碰撞響應(yīng)是不同的。為了滿足不同情況下的碰撞安全要求，在車身結(jié)構(gòu)設(shè)計時，需要從汽車的整體結(jié)構(gòu)考慮，并將新材料、新工藝的研究成果應(yīng)用到車身結(jié)構(gòu)設(shè)計上來。
4.1 低速( 8km/h)碰撞行人對策
該種碰撞速度標(biāo)準(zhǔn)的目的是保護(hù)行人安全、降低行人的傷害程度，并使汽車重要部件免遭損壞，節(jié)約因撞車造成的維修費(fèi)用。與此相對應(yīng)，設(shè)計車身結(jié)構(gòu)時應(yīng)考慮如下措施：采用吸能式保險杠，減輕一次碰撞傷害；將風(fēng)窗玻璃框架外部設(shè)計成軟結(jié)構(gòu)，減輕行人因二次碰撞造成的對行人頭顱和胸部等部分的損害；將門把手等裝置設(shè)計成內(nèi)凹式；采用具有緩沖機(jī)構(gòu)的后視鏡等措施。防止車外凸出物對行人三次碰撞傷害。例如筒狀能量吸收式裝置、利用泡沫材料作為能量吸收體。
4.2 正面碰撞(48km/h)安全對策
正面碰撞在汽車事故中發(fā)生頻率最高，主要保護(hù)措施是利用汽車前部的壓潰變形吸收能量，緩解碰撞加速度；加固車身駕駛室結(jié)構(gòu)，保證乘員有足夠的生存空間，即采用“高吸能前部結(jié)構(gòu)”和“高剛性車室結(jié)構(gòu)” 相結(jié)合的安全強(qiáng)化車體。并利用安全帶、安全氣囊等乘員保護(hù)裝置，防止乘員因二次碰撞造成傷害。要想從根本上解決問題，我們需要從以下方面入手：
(1) 保證基本的許可變形量。許可變形量，決定了碰撞過程中的平均減速度。汽車的縱向變形量與平均減速度是成反比的。平均減速度作為汽車結(jié)構(gòu)耐碰撞性的主要設(shè)計指標(biāo)，在設(shè)計開始階段就必須綜合考慮確定。
(2) 保證基本的許可變形空間。保證許可變形空間是指汽車在發(fā)生正面碰撞后，前部變形區(qū)域不會對乘員形成威脅和傷害，而且包括前部許可變形區(qū)域內(nèi)的塑性變形不會導(dǎo)致在碰撞過程中車門打開、碰撞后車門鎖死等狀況發(fā)生。
(3) 調(diào)整截面形狀(通過吸能筋與加強(qiáng)筋的布置)、厚度、尺寸和結(jié)構(gòu)形式等使結(jié)構(gòu)的變形阻力保持在適當(dāng)水平，并重視局部弱化使整車剛度分配符合設(shè)計原則及能量吸收曲線圖。
前門檻斷面 前縱梁斷面
圖4 增大撞擊吸收能量的腔型結(jié)構(gòu)
4.2.1 汽車前部構(gòu)件的結(jié)構(gòu)設(shè)計
汽車前部構(gòu)件的碰撞能量主要依靠物件的彎曲變形和壓潰變形來吸收。實(shí)際上這兩種吸能方式往往同時存在。設(shè)計這類梁的指導(dǎo)思想就是使其盡可能的沿著軸向壓潰變形，控制其彎曲變形量。對于縱梁的設(shè)計，可運(yùn)用有限元分析方法，同時對幾種方案進(jìn)行比較、優(yōu)化，確定截面參數(shù)，并由此計算出不同參數(shù)的能量吸收曲線，從而確定零件的最佳結(jié)構(gòu)與板料的厚度。圖5 給出了不同截面形狀的抗碰撞能力，圖6 示出了同一截面不同焊接形式的抗碰撞能力。
圖5 不同截面形狀的抗碰撞能力 圖6 不同焊接形式的抗碰撞能力
4.2.2 結(jié)構(gòu)筋的布置
在縱梁上合理布置加強(qiáng)筋和吸能筋(凸凹臺)，可以有效地控制縱梁的變形，提高其能量吸收能力或增強(qiáng)其強(qiáng)度。圖7 示出了有凸臺和無凸臺兩種情況下邊梁變形過程的模擬計算載荷變化曲線。無凸臺的縱梁在發(fā)生明顯變形，吸收能量能力顯著下降。圖8 給出了常用加強(qiáng)筋和吸能筋(凸凹臺)形式。
圖7 模擬結(jié)果-載荷曲線 圖8 突臺的三種形式
筋的剛性主要取決于它的深度。設(shè)計加強(qiáng)筋應(yīng)注意：
(1) 加強(qiáng)筋的軸線必須直，否則在振動時會引起扭轉(zhuǎn)。
(2) 必須沿支撐之間最短距離布置。
(3) 采用交叉筋時，應(yīng)考慮在交叉點(diǎn)容易產(chǎn)生應(yīng)力集中，相對減小了交叉點(diǎn)的剛性。所以在交叉點(diǎn)要注意圓角過渡，圓角半徑應(yīng)大于筋的寬度的兩倍。
(4) 加強(qiáng)筋的形狀在平的或稍凸起的零件上，加強(qiáng)筋應(yīng)沿零件對角線布置，在深彎曲的零件上應(yīng)垂直于零件的彎曲軸線。
4.3 側(cè)面碰撞安全對策
汽車發(fā)生側(cè)面碰撞時車身空間變形小，為加強(qiáng)乘員保護(hù)，車門、門檻、立柱都要設(shè)計成剛性結(jié)構(gòu)，并應(yīng)考慮采用側(cè)面安全氣囊來減輕二次碰撞造成的傷害。實(shí)現(xiàn)側(cè)面碰撞防護(hù)的指導(dǎo)思想是：將側(cè)碰力有效地傳遞到車身具有保護(hù)作用的梁、門立柱、地板、頂蓋及其它部件，使撞擊力被這些部件吸收，從而極大限度地把可能造成的傷害降低到最小程度。可以采取的措施有：
(1) 增加車門強(qiáng)度：哈飛賽馬車采用高強(qiáng)度鋼板鍍鋅板(比傳統(tǒng)鋼板輕26%)或抗凹陷鋼板、增加防撞橫梁與剛性車身結(jié)合為一體，提高側(cè)面抗撞能力。車門內(nèi)板采用分體結(jié)構(gòu)，前部加厚滿足受力要求并增加剛性，后部變薄減輕重量。
(2) 增加側(cè)圍鈑金件的強(qiáng)度，包括增大A 、B、C 立柱的截面形狀，以及局部加強(qiáng)側(cè)圍與門加強(qiáng)件的接觸部位、立柱與門檻和車頂縱梁連接部位的強(qiáng)度，保證側(cè)碰力有效地傳遞到整個車身。
(3) 增加門檻梁強(qiáng)度。增強(qiáng)措施包括增大承載面積，在梁內(nèi)增加加強(qiáng)板，以及填充發(fā)泡樹脂等，哈飛賽馬車門檻加強(qiáng)梁采取不等厚鋼板等有效措施，保證撞擊力有效地分散給地板等其它物件。
(4) 在車身B 立柱高度上安裝橫梁系統(tǒng)，在儀表板下面以及后風(fēng)窗下面安裝加強(qiáng)橫梁。
(5) 對于前置后驅(qū)動車合理設(shè)計地板中間的傳動軸通道，對于提高汽車抗彎強(qiáng)度有一定作用。
(6) 合理設(shè)計門鎖及門鉸鏈，既要防止汽車發(fā)生側(cè)面碰撞時車門自動打開，又要保證碰撞后車門不借助工具能夠開啟。同時增強(qiáng)車門鉸鏈有利于車門所受的撞擊力有效地傳給立柱。
4.4 其它安全對策
(1) 采用新材料。如鋁材具有規(guī)則的軸向壓潰特性，其單位質(zhì)量吸能率高于相應(yīng)鋼制沖壓構(gòu)件對于重量僅為鋼制管37%的鋁管，可以吸收與鋼管相同的能量，奧迪A8 采用了全鋁制車身框架。
(2) 采用玻璃纖維增強(qiáng)塑料。由帶有聚氨基甲酸已]脂泡沫芯的夾層材料，和在兩層聚脂層之間填充金屬增強(qiáng)物質(zhì)制成的夾層結(jié)構(gòu)，比傳統(tǒng)鋼結(jié)構(gòu)具有更高的撞擊值。
(3) 用新的焊接工藝。如激光焊接方法大大改善了焊接處的連接強(qiáng)度，提高了整體的抗碰撞能力。
5 車身結(jié)構(gòu)耐撞性改進(jìn)設(shè)計步驟
5.1 耐撞性改進(jìn)設(shè)計步驟
(1) 在外型設(shè)計和總體結(jié)構(gòu)設(shè)計之外，應(yīng)對碰撞法規(guī)體系進(jìn)行充分研究。首先預(yù)留出足夠的高速碰撞可變形空間，在保證變形區(qū)吸收足夠的撞擊動能的前提下，控制變形剛度具有重要意義。依據(jù)汽車的允許變形量、平均減速度期望值、車重等因素估算主要吸能構(gòu)件的吸能能力，初步確定主要吸能構(gòu)件的結(jié)構(gòu)形式、材料和幾何尺寸，利用簡化邊界條件進(jìn)行有限元分析，制作試件、并進(jìn)行試驗。并用CATIA 或UG軟件建立整車幾何模型。
(2) 整車碰撞有限元模型建立及初步分析：應(yīng)用前后兩級網(wǎng)格劃分單元格：前部主要變形區(qū)網(wǎng)格密集，最小單元尺寸為5mm，以提高模擬精度。對于關(guān)鍵零件之間連接，如前、后懸架與整車、轉(zhuǎn)向梯形與懸架系統(tǒng)、傳動軸之間等的運(yùn)動學(xué)連接，采用柱鉸、球鉸、移動副等多種連接方式，確保約束關(guān)系同整車實(shí)際運(yùn)動關(guān)系相符。
(3) 車身結(jié)構(gòu)部件優(yōu)化設(shè)計:根據(jù)整車計算結(jié)果調(diào)整主要受力構(gòu)件剛度，主要吸能構(gòu)件的變形模式和能量吸收能力滿足整車剛度分配，確保主體耐撞結(jié)構(gòu)以漸進(jìn)的、穩(wěn)定的壓縮變形模式吸收碰撞動能。
(4) 碰撞時破壞方式和減速度曲線基本確定后，進(jìn)行轉(zhuǎn)向盤移動量、全風(fēng)窗玻璃的破壞程度、座椅和假人傷害指標(biāo)等的數(shù)值分析。
(5) PAM-CRASH 軟件進(jìn)行碰撞仿真分析：根據(jù)試驗結(jié)果優(yōu)化局部結(jié)構(gòu)，完善有限元計算模型。
(6) 試制整車并進(jìn)行實(shí)車碰撞試驗。根據(jù)碰撞結(jié)果進(jìn)一步優(yōu)化設(shè)計。
5.2 現(xiàn)階段廣泛應(yīng)用于車身結(jié)構(gòu)設(shè)計中的各類計算機(jī)輔助功能軟件
6 被動安全性的設(shè)計實(shí)例
碰撞中，汽車結(jié)構(gòu)的變形是非線形變形過程，既存在材料非線形，也存在幾何非線形。車架是主要的吸能元件，其吸能變形形式?jīng)Q定了整車的變形形式和安全性。下例為某公司改型車的車架部分設(shè)計實(shí)例。
6.1 建立數(shù)學(xué)模型
利用CATIA 軟件建立整車零件的數(shù)學(xué)模型，原則是：①簡化計算，利用對稱關(guān)系，選車架為研究對象；②設(shè)置與實(shí)際相符的約束條件；③設(shè)置準(zhǔn)確的材料，建立硬化材料模型④用能量控制原則，控制結(jié)構(gòu)變形。圖9 為改進(jìn)前、后的車架有限元模型。
6.2 碰撞模擬分析
用PAM-CRASH軟件進(jìn)行碰撞模擬分析表明，水平力對新車架產(chǎn)生力偶矩的作用，結(jié)構(gòu)有彎轉(zhuǎn)的趨勢，即車架此時會產(chǎn)生兩種變形：①車架的水平壓潰使前部能量吸收達(dá)不到70%，A 立柱后移量達(dá)150mm 以上。②車架結(jié)構(gòu)彎點(diǎn)彎曲變形，使整車碰撞后失穩(wěn)。
6.3 制定具體實(shí)施方案
(1)經(jīng)過多次模擬試驗后確定車體前部縱梁伸長長度，當(dāng)汽車發(fā)生正面碰撞時，為整車提供一定的緩沖區(qū)，同時起到吸能及傳遞能量的功用。
(2)利用能量遞增原則，軟化車體前部使其充分壓潰吸能；后部進(jìn)行加強(qiáng)設(shè)計，增加彎點(diǎn)處的抗彎強(qiáng)度，改變梁的縱向趨勢，使最終車體前部發(fā)生壓潰變形吸能達(dá)到了80%以上，A 柱后移量控制在70mm 以內(nèi)。
(3)前段車架采取框架式空腔盒形結(jié)構(gòu)，如圖10 所示。
圖 10
在力學(xué)中，橫梁受力和撓度的關(guān)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 表示梁的長度，E 表示材料的彈性模量，I 表示梁的慣性矩I=πd4/64。可見，受力相同，截面積越大，撓度越小。而腔形結(jié)構(gòu)不但使車體重量減少，而且車體的抗變形能力提高，從而使車體抗撞擊的能力增強(qiáng)。因此增加兩處槽形縱梁分別在左、右兩側(cè)焊接于地板前橫梁前側(cè)。
(4)利用左、右前縱梁連接件，采用交叉式焊接方式，將車架前段總成與左、右縱梁總成焊接為一體，充分保證接觸承載部分有機(jī)結(jié)合，避免失穩(wěn)。
7 結(jié)論
經(jīng)過幾次碰撞模擬和實(shí)車碰撞結(jié)構(gòu)分析，進(jìn)行系統(tǒng)結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計后的車型充分滿足正碰法規(guī)系列指標(biāo)。汽車結(jié)構(gòu)的耐撞性設(shè)計是根據(jù)預(yù)先規(guī)定的各個相互關(guān)聯(lián)的零部件的變形方式和變形量確定合適的材料、結(jié)構(gòu)形式和尺寸。本文結(jié)合具體車型，將實(shí)車試驗、計算機(jī)模擬和理論分析相結(jié)合，對汽車局部結(jié)構(gòu)進(jìn)行改進(jìn)，大大提高了整車耐撞性能。
（轉(zhuǎn)載）
