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通过 CAE 改善小型轿车侧面碰撞性能
Sanjeev Kumar和 Pinak Deb
Maruti Suzuki India Ltd.
摘要
侧面碰撞事故对于被撞边乘员是一种非常严重的碰撞模式。根据NHTSA的死亡报告，在美国，侧面碰撞占超过25%的死亡。欧盟地区也报告了类似的死亡估计数。由于车身和车身结构之间的可用空间较小，燃料经济性、重量和成本目标严格，紧凑型汽车的侧面碰撞更为严重。
目前的工作重点是通过计算机辅助工具（CAE）开发紧凑型轿车的侧车身结构，以满足ECE R95规定的侧撞要求。 采用修改后的设计理念来控制B柱上下部分的侵入，以减轻对欧洲SIDII假人的伤害。 首先，进行基线车辆的初始CAE评估。 为了满足B柱入侵和速度的性能指标，进行了进一步的设计迭代以优化B柱的刚度。 开发的对策套件能够在满足性能指标的同时将车身侧部结构的重量减轻25％。
最后对样机进行了初步的分析, 并进行了物理碰撞试验, 进行了最后的验证。试验和 CAE 结果在整体车辆变形、B 柱侵入和速度剖面方面均有很好的相关性。新采用的设计理念, 大大改善了汽车侧面碰撞性能。
引言
虽然所有类型和大小的客车在今天比十年前为乘员提供了更大的保护, 但最小或最轻的乘员比更大或更重的乘员的死亡率更高.
在侧面碰撞中保护人们是很有挑战性的, 因为在车辆和乘员的侧面结构之间可以吸收碰撞事件能量和屏蔽占用者的缓冲区相对不足, 不像前和后碰撞场景。哪些确实有极大地更大的塌缩区域 [1]。一项研究表明，在车辆乘员受伤之前，车辆的前部可以吸收高达侧面结构五倍的能量[2]。
在侧面碰撞情况下, 乘员几乎位于崩溃区域之内, 经常导致严重损伤 [3]。设计改进的车辆结构, 以尽量减少结构侵入在侧面碰撞是必要的, 以减少对乘员的伤害。
不同尺寸的汽车没有相同的几何性质, 影响其与侧面撞击屏障的交互方式。随着汽车尺寸的增加, 汽车的吸能结构高度升高。因此, 紧凑型汽车在侧面撞击中处于劣势, 而汽车侧面车身与障碍物的重叠明显大于大尺寸汽车。在紧凑型汽车中, 冲击载荷被应用于侧窗台区域上方的侧体结构, 不同于大尺寸的汽车, 其中冲击载荷的主要部分直接应用于相对较硬的侧窗台区域。并且在紧凑汽车比大汽车中乘员和侧面结构之间可利用的空间是相当小的。因此, 在紧凑型汽车中, 结构侵入和侵入速度远远大于大尺寸汽车的冲击载荷 (类似的冲击速度和屏障特性)。
由于燃料价格上涨, 目前全球经济形势令人担忧。全球原始设备制造商正在伸出双臂，以减轻车辆的重量，以提高燃油经济性。通过使车身结构更坚固, 改善侧面碰撞性能, 需要增加车辆车身的强化钢筋, 从而导致车辆大幅度增加重量, 从而降低燃油经济性。所以在发展阶段,目光应该集中在由于汽车尺寸增加引起的汽车重量的增加。
在侧面撞击中最典型的乘员伤害参数是胸部压迫, 因为与骨盆和腹部损伤相比, 它直接与结构侵入量有关 [4]。为满足侧面撞击所造成的伤害要求, 世界各地的原始设备制造商在车辆上使用侧面和窗帘安全气囊。近年来, 汽车制造商通过安装侧气囊和加强车辆结构, 在侧面保护方面取得了长足的进步。然而, 为了改善侧面碰撞性能和减轻乘员伤害, 在可接受的限度内减少车辆侧结构的侵入是必要的, 同时在车辆修剪内使用吸能泡沫垫和安全气囊.
图1。发展历程
本研究的目的是要展示发展方法 (图 1), 以改善车辆侧面结构的变形, 提高紧凑型客车侧面碰撞性能。随着车辆侧面结构的改善, 以及在车辆修剪中使用吸能泡沫垫, 车辆已达到 ECER-95 规定的所有要求。
发展历程
在研究中遵循的开发过程如图1所示。
发展方法
在这项研究中，侧体设计的改进是为了满足结构变形的内部性能指标。 内部目标来自类似平台车辆的先前物理测试结果。 一般认为，如果车辆满足结构变形目标，那么虚拟伤害评估值的目标也将得到满足。 根据ECE-R95规定，需要评估的虚拟伤害参数是 –
1. 头部伤害标准
2. 胸部损伤标准-脊柱和肋骨损伤。
3. 腹部伤害标准。
4. 骨盆损伤标准。
图2显示了乘员相对于侧体结构的相对位置.B柱上部区域侵入主要是造成头部和胸部损伤的原因，其中B柱下部区域侵入造成腹部和骨盆损伤。 在所有乘员伤害中，胸部损伤与侧体侵入直接相关[4]。 B柱上部侵入的少量增加可能会导致胸部损伤显着增加。 因此，为了控制乘员伤害，B柱上部侵入应小于规定的目标，并允许B柱下部进入更多，但在规定的限制内。
图2。车侧车身结构乘员相对位置的研究
改善侧面碰撞性能的一般做法是加固整个B柱。 B柱的加固可以通过在整个B柱区增加加固来完成。 整个B柱的加固应满足侵入速度和侵入速度的目标，但会导致车辆重量增加，这可能会影响燃油经济性和重量目标。 另外增加过多的增强材料将增加与新模具相关的车辆的成本，这对于新产品开发来说是不可取的。
在当前的研究中采用了另一种（修改的）设计方法，其改进了侧面碰撞性能以及车辆的显着重量减轻。 该方法如图3所示。当前的方法包括B柱区域的可变硬化。 与B柱的下部相比，B柱的上半部分变得更硬，这允许B柱下部更多地侵入，但在目标极限内。 根据修改后的设计方法，首先B柱的下部与假人的腹部接触，假人从B柱移开。 这可以防止假胸部与B柱上部接触。 由于B柱因不同刚度的不同侵入，胸骨以及腹部和骨盆的伤害极限得到满足。
按照设计方法进行的设计改进, 旨在满足 b 柱上部面积、下部区域侵入和 b 柱侵入速度的目标。
根据虚拟损伤与相应的结构变形和侵入速度的关系, 确定了结构变形参数的测试指标。
从类似尺寸和平台的紧凑型车辆的物理测试数据中得到的值。随后将测试目标转化为 CAE目标, 并利用建立的相关因素对同类车辆进行侧面碰撞CAE评估。
图3。传统设计与改进设计方法
基准 CAE 评估
首先，为了了解车辆性能的当前状况，进行了侧面影响的基准CAE评估。使用Hypermesh作为预处理器构建整车的CAE模型，LS-DYNA使用显式非线性FE代码求解[5,6]。模型制备过程中特别注意的要点是车辆子系统的详细有限元建模，精确的几何形状和特征捕捉，应变率相关材料特性的使用，适当的接头和接触定义，压缩座椅泡沫，以便乘员和座椅之间更好地相互作用。为了更好地模拟结果的准确性，还在模型中引入了预应力，钣金零件的预应变和厚度分布的形成效果。 B柱和门装饰以及可变形的SID II假人也被包括在整车有限元模型中，因为假人惯性和内饰在B柱入侵和侧面碰撞评估中的速度方面起着重要作用。如果假人和修剪在CAE模型中没有得到很好的定义，可能会预测到更高的B柱入侵和速度，这可能在10-25％之间变化[7]。
图4a为侧面碰撞设置的 CAE 模型
图 4 b. 用于侧面碰撞的 CAE 模型
在基线CAE评估之后，观察到车辆结构的基线设计不符合B柱上部和下部侵入的目标值。 然而，在内部评估目标中发现了B柱速度.B柱侵入和相应的目标是剩余值，这意味着在模拟结束时（测试后）测量值。 B柱速度是在B柱与假人相互作用时测量的。 基线CAE结果和相应的目标见表1。
在对结果的详细分析中，发现B柱上部区域的刚度不足以防止其变形; 因此B柱上部侵入未达到目标。 而B柱下部区域更硬，导致相对较少的变形。 因此B柱下部入侵面积小于目标值，但应大于目标值（表1中提到的“Z”量）。
B柱上部区域的测量位置如图5中（1）所示的传送带线高度和B柱下部的测量位置 面积在图5中的（2）所示的虚拟H点高度处。在（1）和（2）位置处的侵入很高。
表格1。 基准CAE结果和评估
图5.未变形和变形形状的B柱剖面
结构改进的设计迭代
在进行基线CAE评估后，进行设计迭代以设计改善B柱变形性能的对策。 在对策的发展过程中，主要挑战是以最小的修改对现有设计进行改进，保持精确的重量目标和制造以及包装限制。 进行了几次设计迭代以实现B柱变形的期望改进。 最后开发了一个成本和重量对策方案。 改进后的设计包括加筋B柱和顶板细木工，强 b 柱上部和相对较不坚硬的 b 柱下部。
在结构对策的发展过程中，主要重点是加强B柱上部区域并降低B柱下部区域的刚度，从而产生B柱变形的摆锤效应。 实现这种摆锤效应的传统方法是在B柱区域使用拼焊件。 然而，为了消除与拼焊件相关的成本，B柱变形的摆锤效应通过使用正常的钣金坯料通过改变厚度，材料，部件的形状和尺寸来控制B柱的刚度来实现。
为了开发满足侧面碰撞性能的对策包，进行了各种设计迭代。下面讨论一些要点：
1. 在 b 柱上增加了一个钢筋 (图6中的1号), 以减少 b 柱上部区域的侵入。通过对 b 柱上部区域的侵入, 减少了 b 柱低区侵入的不理想还原。
2. b 柱内部部分 (图6中的2号) 减少, 以增加 b 柱下部区域的侵入。B 柱较低的区域侵入程度低于目标。为了达到目标, 需要进一步增加 B 柱下部区域的侵入。
3. 钢筋的长度 (图6中的1号) 减少, 以减少较低位置的刚度, 以进一步增加 B 柱较低区域的侵入。导致 b 柱下部侵入量显著增加, 但同时 b 柱上部区域侵入增加。
4. 为了控制 b 柱上部区域的侵入, 需要用侧窗台加固 b 柱的细木工。为此, 钢筋的长度 (图6中的3号) 增加了, 它是点焊与侧面窗台结构。
5. 通过不同的反复设计试验, 优化了钢筋和面板的进一步厚度和材料, 以实现轻型结构对抗方案。为了限制车辆结构的重量, 优化刀具和模具成本, 对不同等级的高强度材料进行了适当的使用。
图6显示了带有最终对策包的 B 柱区域的截面。
图6。B 柱最终设计与对策
通过上述设计变化, 满足了 b 柱下、上部侵入和 b 柱速度的目标。改进后的设计导致了 11% b 柱上部区域的入侵和8% 的 b 柱速度的改善。从基模型中提高了 B 柱下部的侵入面积37%。变形结果显示在 Table-2。
Table-2。基准CAE与最终CAE结果的比较
Table-3。侧结构重量比较
这些对策有助于整体降低车辆侧面结构重量的25％，同时满足性能目标。 车辆的侧面结构包括B柱，A柱和C柱，侧体外板和侧梁。每辆车的减重如表3所示。由于车辆重量减轻，也实现了相当大的材料成本节约。
基线设计和改进设计的变形B柱剖面的比较如图6所示。很明显，所采取的对策可以实现B柱所需的变形剖面。 B柱上部位置（图7中标记为1）的侵入小于基础模型，而B柱下部位置（图7中标记为2）的侵入大于基础模型。
图7。初、终 CAE 中的 B 柱剖面比较
从物理测试观察
在原型车上实施了最终 CAE 阶段的所有对策, 并进行了实际的物理试验, 最终验证了对策包。
据观察, 物理测试结果较好的地满足了结构目标。测试结果随着目标如表4所示。
Table-4。结构变形试验结果
在物理测试期间测量的包括头部，肋骨，腹部和骨盆在内的假性损伤的所有评估值也都符合内部测试目标。表-5给出了虚拟伤害的评估值以及相应的内部测试目标。由于B柱侵入和侵入速度的提高，虚拟伤害评估值达到了测试目标。由于没有进行基线物理测试，因此无法确定B柱入侵的改善效果和入侵速度对虚拟伤害评估值改进的影响，因为基线车辆虚拟损伤的评估值不可用。但值得注意的是，在表5中，可用于上肋骨挠曲和腹部力量的边缘（虚拟损伤的测试评估值与各个目标之间的差异）分别仅为17％和13％。因此可以得出这样的结论：如果不改善B柱侵入速度和侵入速度，对上肋骨挠曲和腹肌假性损伤的评估值可能没有清除相应的内部测试目标。这也证实了所实施的设计方法的有效性, 以改善车辆的结构性能, 以及使用 CAE 开发的结构对策包。
Table-5。物理试验虚拟损伤的评价价值
CAE 结果与物理试验的相关性研究
发现CAE的结构变形行为和变形值与Test很好地一致。
图8显示了Test和CAE中变形B柱剖面的比较。 物理测试和CAE中变形的B柱剖面显示出良好的一致性。 这验证了CAE模型的准确性。
图8。最终 CAE 的变形 B 柱剖面及试验
图9显示了试验和 CAE 中 B 柱速度剖面的比较。CAE和试验速度剖面的相似性进一步验证了CAE结果的正确性。
图9。CAE 与试验中的 B 柱速度比较
还将CAE的B柱侵入和侵入速度结果与相应的测试结果进行比较。 发现CAE结果与91％至98％的测试结果相匹配。 表6中显示了CAE和测试自动化结果。
物理试验观察
在原型车上实施了最终 CAE 阶段的所有对策, 并进行了实际的物理试验, 最终验证了对策包。
据观察, 物理测试结果舒适地满足了结构目标。测试结果随着目标如表4所示。
表-4。结构变形试验结果
在物理测试期间测量的包括头部，肋骨，腹部和骨盆在内的假性损伤的所有评估值也都符合内部测试目标。表-5给出了虚拟伤害的评估
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