提高陆风SUV汽车正面碰撞安全性的研究

汽车工程

２００８年（第３０卷）第１０期

ＡｕｔｏｍｏｔｉｖｅＥｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ

２００８（Ｖ０１．３０）Ｎｏ．１０

２００８１８６

提高陆风ＳＵＶ汽车正面碰撞安全性的研究

曾应龙，胡学明，李长银

（江铃控股有限公司开发中心，南昌３３０２００）

［摘要］针对“陆风ＳＵＶ汽车被动安全性改进开发”项目的要求，采用ＣＡＥ技术，找出了陆风ＳＵＶ现有车身结构存在的问题，提出了改进方案，并对其效果进行了验证。关键词：汽车；碰撞安全；车身；ＣＡＥＡＳｔｕｄｙ

ｔｈｅＥｎｈａｎｃｅｍｅｎｔｏｆｔｈｅＦｒｏｎｔａｌＣｒａｓｈＳａｆｅｔｙｏｆＬａｎｄｗｉｎｄＳＵＶ

ＺｅＩｌｇＹｉｎｇｌｏｎｇ，ＨｕＸｕｅｍｉｎｇ＆ＬｉＣｈａｎｇｙｉｎ

Ｄｅｖｄｏｐｍｅｎｔ

ｏｎ

Ｃｅｎｔｅｒ，施吲嘶Ｍｏｔｏｒ

Ｈｏｌｄｉｎｇ

Ｃｏ．，Ｍ，Ｎａｎｃｈａｎｇ

３３０２００

［Ａｂｓｔｒａｃｔ］ＩｎｖｉｅｗｏｆｔｈｅｒｅｑｕｉｒｅｍｅｎｔｓｏｆｔｈｅｐｒｏｊｅｃｔＩｍｐｒｏｖｅｍｅｎｔＤｅｖｅｌｏｐｍｅｎｔｏｆＰａｓｓｉｖｅＳａｆｅｔｙｏｆＬａｎｄ－

ｗｉｎｄＳＵＶ，ｂｙｕｓｉｎｇＣＡＥｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ，ｔｈｅｐｒｏｂｌｅｍｓｅｘｉｓｔｅｄｉｎｃｕｒｒｅｎｔｆｌｅｄ，ａｎｄｔｈｅｉｍｐｒｏｖｅｍｅｎｔｓｃｈｅｍｅｓ

ａｒｅ

ｂｏｄｙ

ｓｔｒｕｃｔｕｒｅ

ｏｆＬａｎｄｗｉｎｄＳＵＶ

ａｒｅ

ｉｄｅｎｔｉ—

ｐｒｏｐｏｓｅｄｗｉｔｈｔｈｅｉｒｅｆｆｅｃｔｓｖｅｒｉｆｉｅｄ．

Ｋｅｙｗｏｒｄｓ：ｖｅｈｉｃｌｅ；ｃｒａｓｈｓａｆｅｔｙ；ｖｅｈｉｃｌｅｂｏｄｙ；ＣＡＥ

吸能结构，控制碰撞过程中车身变形区域与变形方

日¨吾

式，以利能够吸收足够的能量，确保乘员舱区域不产

生大的变形。

结合陆风ＳＵＶ被动安全性改进开发项目的实施，采用ＣＡＥ技术，对陆风ＳＵＶ现有车身结构存在的问题进行研究，提出改进方案，对改进方案进行了

验证。

（２）通过结构设计合理分配来自前方的冲击载荷：让大部分冲击载荷通过车身前纵梁传递至车身底部；使通过轮罩加强件等部件传递到Ａ柱上部的冲击载荷，以及发动机传递到前围板的冲击载荷要尽量地小。

（３）通过加强Ａ柱、门槛梁等乘员舱骨架部件

的刚度，使乘员舱有足够的刚度承受来自前方的冲

１原结构碰撞安全性的设计缺陷研究

１．１正面碰撞的设计缺陷研究

击载荷而不产生大的塑性变形。

陆风ＳＵＶ采用的是非承载式车身结构，从其冲击载荷合理分配的角度分析（图１），一部分载荷由车架纵梁传递到车架后部，另一部分由轮罩加强件传递到Ａ柱，所传递的载荷大小与纵梁和轮罩加强件的纵向刚度成正比。纵梁的纵向刚度越大，轮罩加强件的纵向刚度越小，传递到Ａ柱的载荷越少，反之亦然。车架纵梁与轮罩加强件刚度的合理分配，能达到减少传递到Ａ柱的载荷的目的，所以应该在缓冲吸能区域内的车架纵梁上设计合理的缓冲吸能结构（图１）；而且对于车身Ａ柱、门槛梁，以及对应

对于按正面碰撞安全性设计的车身，要求在碰撞过程中，车身前部缓冲吸能区域通过塑性变形，能够吸收足够多的碰撞能量，车身Ａ柱以后区域（乘员舱）不能产生大的塑性变形，以确保碰撞过程中驾驶员有足够的生存空间。碰撞后车门能够轻松打开，转向盘、制动踏板和离合器踏板的移动量被控制在要求的范围内，进而才能确保安全气囊、安全带等约束系统发挥有效的作用。为了达到上述要求，须从３个方面设计车身。

（１）在车身前部允许变形的区域合理设计缓冲

原稿收到日期为２００８年８月１５日，修改稿收到日期为２００８年９月１日。

万方数据　

?８３６?

汽车工程２００８年（第３０卷）第１０期

于乘员舱区域的车架结构（图１）必须有足够的刚度，抵御碰撞时的冲击载荷。

没有按预期的纵向皱折式变形方式吸收能量（图３），按设计要求，该区段纵梁结构设计不合理，没有设计缓冲吸能结构。

缓冲吸

－－—●

冲击载荷————◆

图３原车架设计和碰撞结果

图１原结构冲击载荷传递路径示意图

（２）车架纵梁在乘员舱区段的中前部位置产生

为满足上述设计要求，采用试验与ＣＡＥ分析技术相结合的方法对陆风ＳＵＶ进行研究。‘文中碰撞ＣＡＥ分析软件采用ＰＡＭ—ＣＲＡＳＨ，ＦＥ模型由６７９

型为Ｉｔｅｒａｔａｖｅ

Ｅｌａｓｔｉｃ

３４１

严重弯曲变形（图３），该区段作为乘员舱刚性保障结构，按设计要求是不允许变形的，所以该区段纵梁

刚度不足。

个不同的单元组成，以板壳单元为主，选用的材料模

Ｐｌａｓｔｉｃ，材料选用的应变率参数

选取为０、０．０１、０．１、１、１０、２５、１００、１０００，根据不同

（３）车架第３横梁两端通过螺栓与纵梁连接，

当碰撞过程中纵梁弯曲变形时，第３横梁两端连接位置出现前后错位（图３），第３横梁绕连接位置转

的材料，每个应变率参数对应相应的应力一应变曲线（由测试所得）。焊点采用ＲＩＧＩＤ单元模拟；螺簧采用ＢＡＲ单元模拟；胶垫、胶套采用ＳＰＲＩＮＧ单元模拟；ｆ－ｊ铰链采用ＳＰＲＩＮＧ与ＢＥＡＭ单元相结合模拟；

轮胎采用气囊模型模拟；模型总质量为ｌ９８６ｋｇ（准备质量１８３０ｋｇ＋２个试验假人质量１５６ｋｇ）；边界条

动，产生巨大的扭矩，约束第３横梁转动的螺栓，在

扭矩作用下产生剪切应力，在碰撞初期被剪断，第３横梁失去对车架必需的横向支撑作用。

（４）在正面碰撞中，车身Ａ柱产生严重变形

（见图２），存在两个方面的问题，一方面冲击载荷分配不合理，通过轮罩加强件传递到Ａ柱的冲击载荷过大，这说明轮罩加强件纵向刚度过大，车架前纵梁

纵向刚度不足；另一方面，Ａ柱结构本身有设计缺陷，Ａ柱上下加强件之间不连接；Ａ柱上加强件与Ｂ

件为６４ｋｍ／ｈ正面４０％偏置碰撞试验条件。

图２为原结构６４ｋｍ／ｈ正面４０％偏置碰撞试验

与ＣＡＥ结果对比。

柱上加强件之间没有用上边梁加强件相接，Ａ柱下加强件与Ｂ柱下加强件之间没有用门槛梁加强件相接，这造成了整个门框没有完整的骨架结构。

（５）车架纵梁弯曲后，车轮受碰撞的冲击挤压

向后移动，由于无后移限位结构使其移动量过大，车轮侵入到前围板与门槛（图４），来自碰撞壁障冲击

图２原结构６４ｋｍ／ｈ正面４０％偏

置碰撞试验与ＣＡＥ结果对比

载荷通过车轮传递给乘员舱，致使乘员舱产生过大

变形。

从图２可知，陆风ＳＵＶ正面碰撞的主要问题是车身变形过大，车身Ａ柱变形严重，后移量达到３０５ｍｍ，前围板被严重侵入，转向盘中心后移量达到

３１７ｍｍ、上移量达到２６２ｍｍ；制动踏板后移量达到２４１ｍｉｌｌ；离合器踏板后移量达到３３９ｍｍ，驾驶员失去

基本生存空间。造成这些结果的原因，是由于陆风ＳＵＶ在车身和车架的正面碰撞安全性上还存在以下设计缺陷。

（１）车架前纵梁缓冲吸能区域，在碰撞过程中

（６）作为非承载式车身，车身悬置采用橡胶垫

图４车轮无后移限位结构

万方数据　

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曾应龙，等：提高陆风ＳＵＶ汽车正面碰撞安全性的研究

?８３７?

与螺栓组合连接的结构。因车身与车架的纵向刚度不同（车架刚度更高），在碰撞时，车身向前的惯性力可通过悬置传递给车架，可减少车身承受的冲击载荷，但是胶垫悬置具有大弹性变形的属性，车身向前的惯性力容易将车身悬置从车架上扯脱，造成车身与车架分离，切断了车身质量向前的惯性力向车架的传递，此时车架不能再分担车身承受的冲击载

荷。

１．２侧面碰撞的设计缺陷研究

针对侧面碰撞安全性车身设计，要求在碰撞过程中以侧门内板对应驾驶员胸、肋骨、盆骨和大腿的

位置以及Ｂ柱内板对应驾驶员头部的位置向内的移动量被控制在合理的范围内。为此，要从两个方面

设计车身。

（１）在车身Ｂ柱附近（靠前位置）合理设计地

板横梁，让来自碰撞的冲击载荷尽量多地通过横梁传递到车身地板及车身的另一边，以减少侧门与Ｂ柱承受的载荷。对于陆风ＳＵＶ这样的非承载式车身结构，由于车身Ｂ柱附近没有地板横梁，可利用车架横梁传递载荷到另一边，但需要在车架纵梁与门

槛梁之间设计横向冲击载荷传递结构，将车身承受的冲击载荷传递到车架上。冲击载荷传递结构可安

装在车架上，也可安装在车身上。

（２）通过在侧门内加装侧防撞梁，在Ｂ柱外板上增加加强件来增加侧门与Ｂ柱的抗冲击能力。

从以上两个方面研究分析，陆风ＳＵＶ在侧面碰

撞安全性方面有以下缺陷。

（１）在Ｂ柱（靠前）位置附近的车架纵梁与门

槛梁之间，缺乏横向冲击载荷传递结构，使碰撞时的横侧向冲击载荷不能尽快传递到车架。这从ＣＡＥ分析结果得到论证，只有当车身门槛梁、侧门和Ｂ柱已向内产生严重变形时（图５），门槛梁接触到车架

纵梁后，冲击载荷才开始传递到车架。

图５侧面碰撞前后门槛梁变形示意图（仰视）

（２）车门内没有安装侧防撞梁，导致侧门内板对应驾驶员胸、肋骨、盆骨和大腿的位置向内的移动量较大。

万　

方数据２提高碰撞安全性的改进方案

２．１正面碰撞改进方案

在６４ｋｍ／ｈ正面４０％偏置碰撞中，陆风ＳＵＶ的

车身与车架设计存在６个设计缺陷，以下为针对这６个设计缺陷提出的结构具体改进方案。

（１）车架纵梁向前延长１５０ｒａｍ，在车架纵梁前段设计导引槽式吸能结构（图６），使之在碰撞过程中产生皱折式变形，吸收更多能量。

图６车架原结构和改进方案

（２）增加在乘员舱区域的车架纵梁宽度，提高该区域车架纵梁的横向弯曲刚度，使该区域车架在碰撞时不产生变形，以确保乘员舱得到应有的保护。

（３）改变车架第３横梁的结构，第３横梁分为３段，左右两段与纵梁焊接，中间段与左右两段用螺栓

连接，消除碰撞时螺栓因扭矩而产生的剪切应力。

（４）在乘员舱区域前端的车架纵梁上增设车轮

后移限位结构（图６），碰撞时，抑制车轮向后的移动，防止车轮侵入乘员舱，将碰撞时来自车轮的载荷传递到纵梁后方。

（５）为了降低传递到Ａ柱的冲击载荷，一方面，在轮罩加强件上沿ｚ向增设导引槽，以降低轮罩加强件的纵向刚度，从而降低传递到Ａ柱的冲击载荷。

另一方面，因增加了车架纵梁的纵向刚度，同时也就

增加了纵梁传递的冲击载荷，也相对降低了传递到

Ａ柱的冲击载荷。

（６）为提高Ａ柱结构刚度，在Ａ柱上、下加强

件之间增加加强件（图７），在Ａ柱上加强件与Ｂ柱

蒯ａ蠛删

新增上边粱加强件

图７

Ａ柱和门槛梁原结构及改进方案

?８３８?

汽车工程２００８年（第３０卷）第１０期

上加强件之间增加上边梁加强件，Ａ柱下加强件与

Ｂ柱下加强件之间增加门槛梁加强件，将门框设计成完整骨架的结构，提高抗冲击载荷的能力（图７）。

（７）在车架上安装车身前移限位结构（图６），防止车架与车身之间纵向过大的相对移动距离，让

碰撞时大部分车身向前的惯性力通过车身前移限位结构传递给车架。’

２．２侧面碰撞改进方案

在陆风ＳＵＶ的侧面碰撞中，车身与车架设计存在２个设计缺陷，以下为针对这２个设计缺陷提出的结构的具体改进方案。

（１）在Ｂ柱附近（靠前位置）的车架纵梁与门、

槛梁之间增加侧面碰撞冲击载荷传递结构，该结构

安装在车架纵梁上（图６），以便在车身门槛梁、侧门和Ｂ柱向内产生严重变形前，将冲击载荷传递到车架。以减轻侧门和Ｂ柱向内变形的程度。

（２）在前、后车门内安装侧防撞梁，加强车门抵

御侧向冲击载荷的能力。

３改进方案的验证

首先采用ＣＡＥ分析技术对改进方案进行验证，待改进方案已通过ＣＡＥ分析验证并达到预期设计目标后，再制造样车，进行样车碰撞试验，通过试验对改进方案进行验证。

改进结构ＣＡＥ分析所用的整车ＦＥ模型，是在原结构ＦＥ模型的基础上，仅增加改进设计过的零件

重新建立ＦＥ模型，改进后整车质量比原车增加了

４２ｋｇ。

图８～图１１分别为改进前后６４ｋｍ／ｈ正面４０％偏置碰撞工况下车身变形情况、Ａ柱冲击载荷曲线、

Ｂ柱减速度曲线和改进结构碰撞过程能量曲线ＣＡＥ

分析结果。表１为改进前后６４ｋｍ／ｈ正面４０％偏置碰撞工况下车身变形与转向盘移动量、Ａ柱后移量、各踏板后移量等ＣＡＥ分析结果（测试结果）。

原结构改进结构

图８改进前后正面碰撞车身变形情况

万　

方数据２２．５２０１７．５

鲻１

２．５０

．２．５

图９改进前后正面Ａ柱冲击载荷曲线

。０．４

拿器

量叫

瑙０

霉．。－ｏ三．

图ｌＯ改进前后正面碰撞Ｂ柱减速度曲线

３∞

２５０

２００１５０

争，雩埭胃

１００５０

Ｏ

图１１改进结构正面碰撞过程中能量曲线

表ｌ改进前后６４ｋｍ／ｈ正面柏％偏置碰撞工况

下转向盘等移动量ＣＡＥ分析结果对比ｍｍ

参考车１雪弗莱ＫＡＬＯＳＣ１】

位置方向改进前改进后

（Ｅ?ＮＣＡＰ３星）

（得分６分）

工

３１７３４７２转向盘中心移动量

ｙ５７１０６Ｚ

２６２８５５１车身Ａ柱后移量Ｘ３０５４７５５

加速踏板后移量

Ｚ１５８１２８制动踏板后移量

Ｚ２４ｌ１１８１７２离合器踏板后移量石

３３９

１３３

前车门能否打开

右左、右右

注：１．表中参考车数据为ＥｕｒｏＮＣＡＰ公布的测试数据；

２．ＥｕｒｏＮＣＡＰ成绩计算规则中，３个踏板后移量按３个踏板后移量中

最大值计算；３．表中目标值参照参考车测试数据制订。

图１２和表２为改进前后５０ｋｍ／ｈ侧面碰撞工况下车身变形、门内板与Ｂ柱各位置向内侵入量ＣＡＥ

分析结果。

（下转第８６０页）

?８６０?

汽车工程２００８年（第３０卷）第ｌｏ期

件为保险杠前端点与碰

撞盒后端位置保持不变。２．３优化结果

区域的吸能量，白车身耐撞性能相应得到改善。

３结论

通过引入隐式参数化模型这一概念，并结合有限元模型的自动生成技术，实现了车身系统结构优化设计的自动循环运算。该方法克服了概念设计阶段时间短而方案多的问题，实现了仿真分析对结构

执行结构优化的自动循环，得到满足吸能量最大的最优模型。由优

化结果可知，当控制点沿ｘ轴负向移动１７ｒａｍ时，系统结构碰撞吸能量最

设计的方向性驱动。，文中基于碰撞性能的优化实例证明了该方法对于车身结构开发具有很好的借鉴意

义。

参考文献

［１］

大。图６是初始设计与优化设计的局部结构对比。图７是初始设计与

优化设计的吸能量曲线

对比。优化设计能够显

著提高白车身前端优化图６优黼局部结构对比

庄蔚敏，陈东平．概念设计阶段轿车参数化分析模型及控制参数优化研究［Ｊ］．汽车技术，２００３（５）：５—８．

［２］Ｓｃｈｅｌｋｌｅ

ｉＩｌ

Ｅｒｉｃｈ，ＥｌｓｅｎｈａｎｓＨｅｒｂｅｒｔ．ＶｉｒｔｕａｌＶｅｈｉｃｌｅＤｅｖｅｌｏｐｍｅｎｔ

ｏｎ

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ＭｓｃＷｏｒｌｄｗｉｄｅ

Ａｅｒｏｓｐａｃｅ

ｔｈｅＦｕｔｕｒｅ－

［ｃ］．３ａＤ

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Ｓｈｏｗｃａｓｅ，Ｓｅｐｔｅｍｂｅｒ２４－２６，２００１Ｔｏｕｌｏｕｓｅ，Ｆｒａｎｃｅ．

［３］ＺｉｍｍｅｒＨａｎｓ，ＰｒａｂｈｕｗａｉｎｇａｎｋａｒＭａｎｏａｒ．ＩｎｌｐｌｉｃｉｔｌｙＰａｒａｍｅｔｒｉｃＣＲＡＳＨａｎｄＮＶＨ

Ａｎａｌｙｓｉｓ

Ｍｏｄｅｌｓｉｎｔｈｅ

ＶｅｈｉｃｌｅＣｏｎｃｅｐｔＤｅｓｉｇｎ

Ｐｈａｓｅ［Ｊ］．ＭｏｄｅＵｉｅｍｎｇ．ＬＳ?ＤＹＮＡＡｎｗｅｎｄｅｒｆｏｒｕｍ，Ｂａｍｈｎｒｇ２００５：Ｉ－Ｉ－（６１—６９）．

［４］ＳｃｈｎｍａｅｈｅｒＡｘｅｌ，ＳｅｉｂｅｌＭｉｃｈａｅｌ．Ｎｅｗ

Ｃｒａｓｈ

Ｏｐｔｉｍｉｚａｔｉｏｎ

Ｓｔｒａｔｅｇｉｅｓ

ｆｏｒ

Ｄｅｓｉｇｎ［Ｊ］．Ｋｅｙｎｏｔｅ—Ｖｏｔｒａｇｅ．ＬＳ—ＤＹＮＡＡｎｗｅｎｄｅｄｏｒｕｍ，

Ｂａｍｂｅｒｇ２００５：Ａ．ＩＩ．（１—１３）．

（上接第８３８页）

谣蜀慧龌蜀宫

原结构

。改进结构

芦曩赫斡匡３拍

图１２侧面碰撞工况下车身变形

４结论

’

’

改进后的陆风ＳＵＶ在６４ｋｍ／ｈ正面４０％偏置碰撞工况下的Ａ柱后移量、转向盘移动量、踏板移动量，以及在５０ｋｍ／ｈ侧面碰撞工况下的门内板及Ｂ

表２改进前后５０ｋｍ／ｈ侧面碰撞门内板与

Ｂ柱内板侵入量‘ＣＡＥ分析结果对比ＩＴｌＩｎ

位置门内板（胸部位置）侵入量

改进前（Ｅ－ＮＣＡＰ１２分）

１４５

柱内板侵入量，都低于规定的设计目标值，改进方案中所有的结构改动都经过了工艺可行性与经济可行性论证，证明了改进方案是有效、可行的。

参考文献

［１］ＥｕｒｏＮＣＡＰ．雪弗莱ＫＡＬＯＳ汽车Ｅｕｍ?ｎｃａｐ测试数据［Ｒ／ＯＬ］

［２００６］ｈｔｔｐ：／／ｗｗｗ．ｅｕｒｅｎｃａｐ．ｃｏｎｌ．，

改进后

目标值（Ｅ—ＮＣＡＰ１３分）

≤１２０

８９

门内板（骨盆

位置）侵入量Ｂ柱内板（头部位置）侵入量

２０９１１６，≤１６０

８６５９≤８０

万方数据