基于侧面碰撞的白车身设计

发表时间:2020/9/9   来源:《科学与技术》2020年28卷9期   作者:吴书男 卜祥凯 闫龙 苏更涛
[导读] 汽车碰撞安全是汽车性能开发的重要内容。针对侧面碰撞,车体耐撞性尤为重要

        摘要:汽车碰撞安全是汽车性能开发的重要内容。针对侧面碰撞,车体耐撞性尤为重要。白车身是侧面耐撞性的主要贡献者,本论文从理论及对比分析,依据侧面刚度分配、B柱截面、B柱结构方面定性说明相关设计。
        关键词:碰撞安全;白车身;侧面刚度分配;B柱截面;B柱结构;车门防撞杆

1、前言
        随着侧面碰撞法规及要求,从汽车侧面结构及力学性能提出要求,尽量降低侧面碰撞事故中伤害乘员的风险。车身结构设计中主要依据侧面刚度分配、B柱截面的优化设计、B柱结构的取优设计等方面定性设计侧面白车身结构。
2、白车身侧面刚度分配设计
2.1 总体描述
        在侧碰中,头部、颈部、胸部、脊椎、腹部、骨盆、下肢的伤害是人体受到的普遍的伤害部位,受伤的原因在于碰撞中车门、B柱的侵入(变形)和冲击(速度),与人体相接触部位产生了生物力学响应。因此通过合理分配B柱、车门、的刚度,限制车身侧面部件在碰撞的变形和速度,从而降低人体伤害。
2.2  设计方法
        设计要点:分配车身侧面刚度首先要明白人身的伤害是由哪一部分结构造成的,然后通过调整各部分结构刚度来降低伤害。
        通过对参考文献1[1]的总结得出,胸部肋骨的伤害与车身B柱刚度直接相关;腹部和骨盆受力与车门刚度直接相关;门槛地板等部件的刚度增加使腹部和骨盆的受力增加,但影响不大,而与胸部肋骨的伤害无关。
2.3  设计参考
        2.3.1 人体胸部肋骨变形量RDC与B柱刚度的关系, 随着B柱刚度的增加,胸部肋骨的变形量呈递减趋势,且峰值时刻延迟,因此B柱刚度在一定范围内增加可以减小对人体肋骨的伤害。
        2.3.2 人体胸部VC值与B柱刚度的关系,通过对参考文献2[2]的总结得出:1、B柱的刚度变化对人体胸部VC值影响最大,这与B柱的侵入速度有关;2、B柱的刚度变化对人体胸部肋骨变形量RDC值影响较大,这与B柱的变形形状有关。3、B柱的刚度变化对人体腹部力(APF)的影响一般,腹部力对B柱的刚度变化不敏感。4、B柱的刚度变化对人体骨盆力PSPF的影响较小。
        从第1、2节的叙述来看,B柱的刚度主要与胸部的伤害有关(RDC值和VC值)。因此可以通过调整B柱的刚度分配,来控制B柱的变形特性(最大速度和最大变形)来减小对胸部的伤害。
        2.3.3 人体腹部伤害力(APF)与车门刚度的关系,通过对参考文献3[3]的总结得出:车门刚度对腹部伤害力影响最直接,刚度增加可以使腹部力减小。而B柱刚度对腹部力影响很小,门槛和地板的刚度增加将增加腹部伤害。
        2.3.4 人体骨盆力(PSPF)与车门刚度的关系,通过对参考文献4[4] 的总结得出:车门刚度对骨盆受力影响最直接,刚度增加可以使耻骨力减小。而B柱刚度增加使骨盆力增大,门槛和地板的刚度增加对耻骨力影响不明显。
2.4  总结
        侧面碰撞对乘员的伤害主要集中在B柱刚度和车门刚度两方面,可以通过调整B柱、车门的刚度分配,控制其变形特性来降低人体伤害。


3、侧碰中B柱截面设计
3.1 总体描述
        B柱与乘员之间的距离小,允许结构变形的空间小。因此在碰撞中,B柱的变形好坏直接影响着乘员的伤害程度。根据B柱的形状和碰撞变形,将B柱分为四段梁或五段梁(文献5[5]中根据B柱的变形情况将B柱分为5部分),通过合理分配各断梁的刚度,使B柱变形达到合理的状态,即对乘员伤害最小。
3.2  设计方法
        设计要点:乘员的伤害跟B柱的变形形状和侵入速度有直接关系,而B柱变形或侵入速度又跟B柱的刚度密切相关。通过参考竞争车的截面,调整B柱的截面形状,得到合理的几何特性。
3.3  设计参考
        通过B柱截面几何特性的对比,以及参考文献中B柱各处的刚度对比,得出B柱各截面几何刚度的分配比值,从而得出B柱刚度的最优分布。
4、侧碰中B柱结构设计
4.1 总体描述
        在侧面碰撞中B柱的承载作用巨大。B柱中影响碰撞性能的参数包含α(外张角)、β(倾斜度)、a(内板拉延深度)、b(外板拉延深度)、C(翻边宽)、L (结构宽)。
4.2  设计方法
        将侧碰力分散转移,防止碰撞后变形过大。通过选择合理的参数值,优化B柱结构的抗撞性能。
4.3  设计参考
        4.3.1 当α取90°时,结构具有较高抗弯曲冲击特性,但此时结构变形不易掌握。根据研究经验,建议α取100°,此时结构的位移以及速度最大值都相对较小。
        4.3.2 随着截面宽度L的增大,结构最大位移减小,但是变化不明显。因此可以认为宽度L对结构抗撞撞性的影响不大。
        4.3.3 随着外板拉延深度b值的增加,抗弯曲冲击特性在一定范围内增加很快,但超过一定数值后,抗弯曲冲击特性增加不明显。参数b的建议值为60mm~65mm。
        4.3.4 立柱斜度β值对B柱抗弯曲冲击特性比较敏感,当倾斜度处于6°~10°区间时,立柱的变形比较大。参数β的建议值为0°~6°。
6、结束语
        汽车侧面碰撞是一项极其复杂的设计过程,涉及白车身的耐撞性是侧面碰撞的关键内容项。侧面刚度分配、B柱截面的优化设计、B柱结构的取优设计是白车身侧面耐撞性的设计支撑。定性设计相关方面对于侧面碰撞有较为重要的指导意义,为其设计指定方向,避免后续大量变更,缩短开发周期。

参考文献
[1]王鹏,基于侧面碰撞安全性的车辆侧面刚度匹配研究,湖南大学硕士学位论文,47页~48页,
2007.1
[2] 叶文涛,轿车车体侧面抗撞性影响因素及评价方法研究,吉林大学硕士学位论文,34页~36
页,2006.12
[3]王鹏,基于侧面碰撞安全性的车辆侧面刚度匹配研究,湖南大学硕士学位论文,48页~49页,
2007.1
王鹏,基于侧面碰撞安全性的车辆侧面刚度匹配研究,湖南大学硕士学位论文,48页,2007.1
[5] 叶文涛,轿车车体侧面抗撞性影响因素及评价方法研究,吉林大学硕士学位论文,31页~40
页,2006.12
[6] 叶文涛,轿车车体侧面抗撞性影响因素及评价方法研究,吉林大学硕士学位论文,42页~44
页,2006.12
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