E-MDB侧碰仿真分析及优化

1 概述

       汽车安全是评判一辆车好坏的基本准则，随着CNCAP的实施，消费者对汽车的安全性能越来越重视。“五星”也成为一辆车在安全性方面的最高评价。C-NCAP评价测试规则自2006年开始进行了多次改版。车辆的安全性能也不断提升。在2012年-2015年的4年的评价时间里，五星车型获得率分别为50.0%、76.3%、92.5%、97.1%。这些五星车型，整车侧碰的成绩几乎全部是满分。

       2018版C-NCAP发布意见稿，紧随E-NCAP脚步，加入行人保护和主动安全等等。首先，在乘员保护方面，2018版最大的变化应该属于侧面碰撞的变化，侧面壁障的重量以及接触区域、假人模型等都有了很大的变化。

       本文针对某五星目标开发车型，在侧面碰撞满足MDB满分的情况下，按照C-NCAP 2018版标准对其进行AE-MDB侧面碰撞仿真分析，分析壁障变化，碰撞区域变化对车身结构变形，乘员空间等各个性能指标的影响。并对侧面结构进行优化，使其侧面碰撞达到C-NCAP2018版满分要求。

2 MDB与AE-MDB侧面工况分析对比

       首先对两种壁障进行比较，提出他们之间的差异点以及壁障改变后对侧面碰撞的影响，其次以某公司MDB侧碰满分车型为例，分析AE-MDB侧碰工况，对比该两种工况。

       2.1 壁障差异对比

       1）台车规格：MDB台车质量为950kg，AE-MDB台车质量为1400kg；

       2）碰撞中心线：MDB台车中心线对准试验车辆的R点，而AE-MDB台车中心线对准试验车辆的R+250mm处，壁障升高50mm；

       3）壁障形状：MDB的壁障形式为两级台阶式，下端凸出，俯视为矩形，壁障宽度为1500mm，而AE-MDB中间凸出，俯视为梯形，更符合车辆前段造型，壁障宽度为1726mm；

       4）壁障材质：AE-MDB壁障前端各蜂窝铝块刚度提高，以更好地表征当前车辆前端的刚度特征。

       AE-MDB对侧碰影响是比较大的，主要体现在如下几个方面：

       1）壁障质量为1400kg，比MDB增加了450Kg，相应的碰撞动能提高47.4%，且前端6各碰撞块刚度提高，导致碰撞接触时间延长，侧面结构反弹速度变缓，车身侧面入侵量增大；

       2）碰撞中心点后移250mm，壁障截面为梯形，且壁障宽度增加226mm，使得B柱承载比例变大，增加了后车门、C柱下端碰撞接触面积，对后排假人的威胁增加，提高了该结构的设计要求；

       3）壁障最下端相对于最前端内陷180mm，防撞梁中心高度升高50mm，导致门槛接触面积减少，支撑效果大大降低，使车门下端入侵量大幅度提高。

       2.2 仿真分析结果对比

       为了直观的了解壁障对侧碰的影响，将从B柱侵入量，B柱侵入速度，前后车门对应假人胸部、腹部、骨盆等几个点的侵入量和侵入速度等这些关键的指标项进行分析对比，从而进一步分析两种壁障的差异。该后处理结果通过HyperView实现。

       1）侧面侵入量云图

       通过图3和图4侵入量云图的对比，可以直观的看出侧碰壁障改变后对侧面侵入量的影响，AE-MDB工况中红色区域明显大于MDB工况，尤其是前后车门，侵入量明显。

       2）B柱侵入量

       如图6所示，相对MDB工况来说，AE-MDB工况B柱中段变形很大，B柱在2至4点处，AE-MDB工况入侵峰值明显高于MDB工况。

       如图7-8所示，相较于MDB工况，AE-MDB工况入侵量峰宽明显提高，且最高峰值时间点晚于MDB工况，MDB峰值最高点在45ms左右，AE-MDB在55ms左右。

       AE-MDB工况相对MDB工况入侵量峰值及最终值有了明显的提高，最明显的为2、3、4点。入侵量峰值分别提高50%、66%、80%，最终值分别提高120%、116%、100%。

       说明针对这辆车来说，AE-MDB相对于MDB来说入侵量增大明显，带来风险也是巨大的，而且入侵作用时间增长，这对于侧气囊匹配，包括侧气囊展开空间的要求及侧气囊保压性提出了更严格的要求。

       3）B柱侵入速度

       从图8侵入速度曲线可以看出，AE-MDB起始阶段速度明显高于MDB，并在30ms左右侵入速度陡降，通过观察发现，可能是由于AE-MD壁障重量变大，碰撞过程中，由于车辆侧面结构承载能力低，B柱变形较快。

       AE-MDB和MDB工况最大侵入速度和最终侵入速度比较接近，无太大差别。在40ms之后，MDB存在一定的波动，AE-MDB比较平缓，也说明它作用时间长。从上述总结可以得出，对于侧面气囊匹配，气囊保护的持续性是关键点，需要重点关注。

       4）前后车门侵入量

       图10为前车门最大侵入量对比图，由图可知，点4和点5处车门入侵量峰值明显增大，这是由于AE-MDB壁障底端内缩180mm，门槛承载面积减小，壁障质量增加47%左右，导致车门下端入侵量猛增。点1、2、3峰值变化不大，这是由于壁障位置低于它们，碰撞位置后移250mm，使B柱承载更多的载荷，而前车门承担的载荷比例减小，故使得前车门高位的入侵量峰值变化不大。

       图11为前车门侵入量曲线，可以看出AE-MDB曲线后段较平缓，作用时间更长。对假人造成的伤害更大。

       图13为后车门最大侵入量对比图，由图可知，所有点处车门入侵量峰值明显增大，这是由于碰撞位置后移250mm，碰撞区域覆盖了后车门及C柱下端，再加上AE-MDB壁障底端内缩180mm，门槛承载面积减小。使得后车门侵入量陡增。这对后排假人的伤害是很大的。

       图14为后车门侵入量曲线，可以看出AE-MDB曲线后段较平缓，作用时间更长。

3 优化方案

       经过对比分析，可以发现AE-MDB工况，B柱和前后车门侵入量均有所增加，B柱下端，前后车门下端增加最为明显，且碰撞持续时间增加、入侵作用时间延长。B柱入侵速度没有太大变化。

       故此次优化的主要思路为保证入侵速度不增加的前提下，减小车身入侵量至MDB水平，通过HyperWorks前处理软件对相关结构进行优化，主要方法为：

       1）减少车门和B柱中下部的入侵量，增加侧面结构刚度，使碰撞入侵作用时间减少，控制B柱变形，留有足够的气囊展开空间。

       2）适当增加B柱、车门、C柱下端前度。B柱为主要垂向传力路径，应保证B柱有一定的强度而不会被压溃失效，车门内板将碰撞力传递给车门内饰，而车门内饰会与乘员接触并将乘员推开，在这个过程中，如果车门内饰的速度过大则对乘员的伤害就会增大；

       3）增加门槛梁强度。门槛梁为主要的纵向传力路径，强度不足则导致变形过大从而不能保证力的传递同时还会增大乘员舱的侵入而降低乘员的生存空间。

       4）增加地板横梁强度。地板横梁是吸收传递碰撞力的关键零部件，将碰撞力有碰撞侧传递到非碰撞侧，从而起到吸收碰撞能量的作用，增加地板横梁的强度，保证了传力路径的完整性，同时也保证了乘员舱的完整性。

4 结果对比

       4.1 侵入量云图

       通过图16和图17侵入量云图的对比，可以直观的看出优化后B柱，前车门，后车门侵入量明显降低，基本接近MDB水平。

       4.2 B柱侵入量

       如图19所示，通过优化，B柱在2至4点处，侵入侵峰值有了明显的降低，侵量峰值分别降低了22%、30%、50%，基本接近于MDB水平。优化效果明显。

       如图20所示，通过优化后，侵入持续时间降低，侵入峰值点提前将近10ms左右。

       4.3 B柱侵入速度

       从图21侵入速度曲线可以看出，优化前后的速度基本不变，均在6m/s以下。优化后的速度曲线比较平滑，速度陡降不明显。符合优化侵入量，侵入速度不变大的优化思路。

       4.4 前后车门侵入量

       图23为前车门最大侵入量对比图，可以看出，优化后前车门侵入量动态最大值都减小，其中4点最大值由117mm减小到77mm，5点侵入量最大值由147mm减小到90mm，前车门变形优化效果非常明显，保证了侧面碰撞乘员舱的稳定性。

       图26为后车门最大侵入量对比图，可以看出，优化后后车门侵入量动态最大值减少明显，后车门形优化效果非常明显，保证了侧面碰撞后排假人的安全。

       4.5 优化结果汇总

       上述两表为侧碰结果统计表，对其进行对比，可以看出经过优化，在侵入量有较大程度的减少，B柱，前车门也基本达到了MDB的水平。部分入侵量还优于MDB工况结果。后车门侵入量与MDB还有一定差距，但其侵入量均低于100mm，满足优化要求。

       优化前后入侵速度虽然变化不大，但均均小于7m/s。从整体来说达到了优化的目的。

5 结论

       本文通过分析MDB和AE-MDB的区别，对某车型进行AE-MDB侧碰仿真分析，应用HyperWorks等CAE软件对相关零部件进行结构优化分析，是分析结果达到了MDB的水平，满足优化分析目标。AE-MDB是2018版C-NCAP乘员保护侧碰的最大变化，对其进行深入研究具有重要的意义。