汽车偏置碰撞安全性结构改进／王斌，李华香，史建鹏 糸蕊ＥＡＩ７学 专栏 ｄｏｉ：ｌ ０．３９６９／ｊ．ｉｓｓｎ．１ ００５－２５５０。２０１ ２．０５．０１ １ 王斌，李华香，史建鹏 东风汽车公司技术中心，武汉４３００５６ 摘要：应用Ｈｙｐｅｒｍｅｓｈ和Ｐａｒｅ—Ｃｒａｓｈ软件建立整车有限元模型，按照Ｃ－ＮＣＡＰ试验要求分别进行整车正面碰撞和 ４０％偏置碰撞仿真。通过仿真结果与试验结果Ｂ柱加速度曲线的对比分析，验证整车模型的正确性和可靠性，同时 根据仿真结果评估车身结构偏置碰撞安全性能，对结构进行改进。改进后整车偏置碰撞性能得以提升。 关键词：Ｃ—ＮＣＡＰ偏置碰撞：仿真计算：改进设计 中图分类号：Ｕ４６１．９１ 文献标志码：Ａ 文章编号：１００５—２５５０（２０１２）０５—００４７—０４ Ｔｈｅ Ｓｔｒｕｃｔｕｒｅ Ｉｍｐｒｏｖｅｍｅｎｔ ｏｆ Ｖｅｈｉｃｌｅ Ｓａｆｅｔｙ Ｉｎ Ｏｆｆｓｅｔ Ｉｍｐａｃｔ ＷＡＮＧ Ｂｉｎ，ＬＩ Ｈｕａ—ｘｉａｎｇ，ＳＨＩ Ｊｉａｎ—ｐｅｎｇ （Ｔｈｅ Ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ Ｃｅｎｔｅｒ ｏｆ Ｄｏｎｇｆｅｎｇ Ｍｏｔｏｒ Ｃｏｒｐｏｒａｔｉｏｎ，Ｗｕｈａｎ ４３００５６，Ｃｈｉｎａ） Ａｂｓｔｒａｃｔ：Ｗｅ ｕｓｅｄ Ｈｙｐｅｒｍｅｓｈ ａｎｄ Ｐａｍ—Ｃｒａｓｈ ｓｏｆｔｗａｒｅ ｔｏ ｂｕｉｌｄ ａ ｆｉｎｉｔｅ ｅｌｅｍｅｎｔ ｍｏｄｅｌ ｏｆ ｔｈｅ ｖｅｈｉｃｌｅ ａｎｄ ｓｉｍｕｌａｔｅｄ ｔｈｅ ｐｒｏｃｅｓｓ ｏｆ ｖｅｈｉｃｌｅ ｉｎ ｂｏｔｈ ｆｒｏｎｔａｌ ｃｒａｓｈ ａｎｄ ４０％ｏｆｆｓｅｔ ｄｅｆｏｒｍａｂｌｅ ｂａｒｒｉｅｒ ｃｒａｓｈ ａｎｄ ｃｏｍｐａｒｅｄ ａｎｄ ｖｅｒｉｆｉｅｄ ｔｈｅ ｒｅｓｕｌｔｓ ｏｆ ｄｅｃｅｌｅｒａｔｉｏｎ ｔｉｍｅ ｈｉｓｔｏｒｙ ｃｕｒｖｅ ｏｆ ｃｏｌｕｍｎ Ｂ ｂｅｔｗｅｅｎ ｔｈｅ ｓｉｍｕｌａｔｉｏｎ ａｎｄ ｇｒｏｕｎｄ ｔｅｓｔ．Ｔｈｅ ｒｅｓｕｌｔ ｏｆ ｓｉｍｕｌａｔｉｏｎ ａｇｒｅｅｄ ｗｉｔｈ ｔｈａｔ ｏｆ ｇｒｏｕｎｄ ｔｅｓｔ．Ａｌｓｏ ｗｅ ｓｔｕｄｉｅｄ ｔｈｅ ｃｒａｓｈｗｏｒｔｈｉｎｅｓｓ ｏｆ ｂｏｄｙ ｓｔｒｕｃｔｕｒｅ ｂａｓｅｄ ｏｎ ｔｈｅ ｏｒｉｇｉｎａｌ ｍｏｄｅｌ ａｎｄ ｐｒｏｐｏｓｅｄ ｓｏｍｅ ｍｅａｓｕｒｅｓ ｗｈｉｃｈ ｗｅｒｅ ｅｆｆｅｃｔｉｖｅ ｆｏｒ ｉｍｐｒｏｖｅｄ ｓｔｒｕｃｔｕｒｅ ｄｅｓｉｇｎ ｉｎ ｖｅｈｉｃｌｅ ｏｆｆｓｅｔ ｃｒａｓｈ． Ｋｅｙ ｗｏｒｄｓ：Ｃ－ＮＣＡＰ；ｏｆｆｓｅｔ ｃｒａｓｈ ｉ ｓｉｎｍｌａｔｉｏｎ；ｉｍｐｒｏｖｅｄ ｄｅｓｉｇｎ 汽车正面碰撞性能研究是车辆安全设计的重要 展４０％偏置碰撞的研究工作十分必要 内容之一 国内法规和Ｃ—ＮＣＡＰ主要通过正面１００％ 已实施的Ｃ—ＮＣＡＰ２０１２规程中，４０％偏置碰撞 刚性壁碰撞和４０％偏置可变形壁障碰撞对车辆进行 试验车辆速度由５６ ｋｍ／ｈ提升至６４ ｋｍ／ｈ，这给自主 试验评价。两种试验的碰撞形态和对乘员的伤害机 研发的汽车企业带来了严峻的挑战 如何进一步提 理不同ｌｌｌ。正碰时，车身前端全部参与碰撞，在巨大 升汽车结构安全，减小乘员伤亡，是设计人员不断追 的冲击惯性力作用下，车体刚度大，冲击加速度峰值 求的共同目标。 大，对头部、胸部的冲击伤害往往造成乘员死亡。与 本文研究的某车型在５６ ｋｍ／ｈ偏置碰撞试验中 生物伤害指标息息相关的因素主要是约束系统，因 安全性能表现比较理想，但６４ ｋｍ／ｈ偏置碰撞仿真 此，正碰试验主要侧重于对约束系统的评价。而 中，性能表现不佳，车身变形过大，结构暴露出不足， ４０％偏置碰撞主要评价安全车身结构，考核车身侵 安全性能不能达到预期的星级评定要求。在试验验 入方式对乘员造成的伤害。偏置碰撞时，车辆前端只 证之前，通过ＣＡＥ仿真技术对车身结构进行安全改 有一侧主要参与能量吸收，该碰撞形态下车身变形 进，是一种省时省力且可靠有效的方法。本文基于碰 大，乘员室的严重侵入会造成乘员的致命伤害。交通 撞仿真技术对该车型６４ ｋｍ／ｈ偏置碰撞性能进行分 事故统计结果也表明，该事故形态下乘员严重伤害 析与评估，提出改进方法，切实可行地提升了车身结 的比例最高 构的偏置碰撞性能。 目前我国对正面１００％碰撞的研究比较多，而 对４０％偏置碰撞的研究相对偏少。全面提高汽车正 １有限元模型的建立 面碰撞的安全性能，需兼顾这两种碰撞形态，因此开 收稿日期：２０１２—０７—１６ 采用Ｈｙｐｅｒｍｅｓｈ作为前处理建模软件，直接导 ・４７・ 彖ｌｘｌ ＥＡＥ学 专 入ＣＡＤ模型进行整车建模。整车模型的输入内容包 括白车身、四门两盖、悬架系统、转向机构、动力总 成、散热系统等主要结构件，其中发动机和变速箱作 刚体考虑。建模主要采用壳单元，部分采用实体单元 和梁单元模拟。严格保证单元的质量要求，完成后的 整车模型单元数共计约８０万。 完成整车模型装配后，导入Ｐａｍ—Ｃｒａｓｈ前处理 软件，进一步完成材料定义、配重设置、接触条件、约 束条件和结果输出定义等，建立完整的偏置碰撞仿 真模型。 ２整车仿真模型的校验 仿真模型完成后，经过多次计算、模型调试与校 正，确定模型的正确性和可靠性。 仿真结果的真实性和准确性，通常采用定性和定 量的方法进行评价［２１。定性评价方法主要是比较实车试 验结果与仿真模拟结果中关键撞击区域的变形模式和 ５ Ｏ ５ Ｏ ５ ０ ５ Ｏ ５ ０ ５ 各主要部件的变形特征：定量评价主要集中在车身加 速度曲线和能量变化曲线的比较分析上。 基于已建立的整车模型，利用Ｐａｒｅ－Ｃｒａｓｈ软件，按 照Ｃ—ＮＣＡＰ２００９的要求，分别完成整车５０ ｋｒＭａ速度 正面碰撞和５６ ｋｍ／ｈ速度４０％偏置碰撞的仿真计算。 图１为通过仿真获取的整车碰撞能量曲线。整个 模型的沙漏能占总能量的５％以下，质量增加百分比 小于１．２％。一般情况下，整个模型的沙漏能占总能量 的１０％以内，质量增加不超过总质量的５％四，模型计 算精度可得到保证。 通过整车正面碰撞和偏置碰撞仿真计算 输出 Ｂ柱下端测评点的加速度曲线，与试验曲线进行比 较分析，见图２和图３。从仿真与试验的Ｂ柱加速度 曲线波形对比中可以看出，曲线各时间段的峰值虽 ０ ＋ 巴 暑 Ｚ 试州 犍 （ａ）正面碰撞仿真结果 ・４８・ 汽车科技第５期２０１２年９月 时间／ｍｓ （ｂ）５６ｋｍ／ｈ偏置碰撞仿真结果 图１整车碰撞能量曲线 然有差异，但两波形的走势具有一致性，因此基本可 以认为整车仿真模型是可靠的。 正面碰撞一左侧Ｂ柱加速度 ＝． 一埘县 ∞ 如 加 Ｏ （ａ）左侧Ｂ柱加速度 正面碰撞一右侧Ｂ柱加速度 （ｂ）右侧Ｂ柱加速度 图２正面碰撞仿真与试验结果对比 剥 ２０ ４０ ６０ ８０ １００ １２０ １ １Ｅ 时间 ／ｓ 图３ ５６ｋｍ／ｈ偏置碰撞仿真与试验结果对比 ４ 计算飙 粥 ＦｌｅｘＲａｙ网络在高带宽和高灵活性的情况下，可靠安 全地进行网络通信。通过分析ＯＳＥＫ网络管理规范 汽车科技第５期２０１２年９月 Ｃｏｍｍｕｎｉｃａｔｉｏｎ ｏｆ ｔｈｅ ＡＣＭ，２００５，８：４３４—４３７． ［５］Ｐ．Ｈ．Ｆｅｉｌｅｒ．Ｒｅａｌ—Ｔｉｍｅ Ａｐｐｌｉｃａｔｉｏｎ Ｄｅｖｅｌｏｐｍｅｎｔ ｗｉｔｈ ＯＳＥＫ Ａ Ｒｅｖｉｅｗ ｏｆ ｔｈｅ ＯＳＥＫ Ｓｔａｎｄａｒｄｓ『Ｊ１．ＣＭＵ／ＳＥＩ．２００３，５：７— ４６． 和ＦｌｅｘＲａｙ总线协议，提出在ＦｌｅｘＲａｙ通信周期动 态段中实现ＯＳＥＫ网络管理，并定义了网络管理数 据协议单元（ＮＭＰＤＵ），分析和研究了ＦｌｅｘＲａｙ的 ０ＳＥＫ网络管理的具体过程以及网络管理消息在动 ［６］栾鑫颖，孙晓民．车用嵌入式开发系统的软构件研究［Ｊ］． 计算机应用研究，２００６，４：５７—５９． ［７］张宝民，孙晓民．基于ＯＳＥＫ规范的嵌入式实时操作系统 态段延迟时间问题 本文为国内研究ＯＳＥＫ网络管 理的ＦｌｅｘＲａｙ网络实现提供了一个初步方案，为进 一研究［Ｊ］．计算机应用研究，２００４，４：３２—３５． ［８］梁金祥，吴翔虎．ＯＳＥＫ／ＶＤＸ嵌入式操作系统的设计与实 现［Ｊ］．２００７，７：３８—４１． 步研究ＦｌｅｘＲａｙ总线的网络管理做些铺垫。 ［９］袁铭蔚，孙泽昌．陈觉晓．一种嵌入式实时操作系统［Ｊ］．测 参考文献： ［１］ＦｌｅｘＲａｙ Ｃｏｎｓｏｒｔｉｕｍ．ＦｌｅｘＲａｙ Ｃｏｍｍｕｎｉｃａｔｉｏｎｓ Ｓｙｓｔｅｍ Ｐｒｏ— ｔｏｃｏｌ Ｓｐｅｃｉｉｆｃａｔｉｏｎ［Ｓ］．Ｄｅｃｅｍｂｅｒ ２００５．Ｖｅｒｓｉｏｎ ２．１ Ｒｅｖｉ— ｓｉｏｎ Ａ． 控技术，２００３，２２：４５—４７． 『１０］陈觉晓，袁吴昀．基于ＯＳＥＫ ＮＭ的Ｆｌｅｘｒａｙ网络管理协 议数据定义『Ｊ］．机电一体化，２００９，１：７０—７２． ［１１］袁吴昀，陈觉晓．车载ＦｌｅｘＲａｙ网络管理策略的初步研究 ［２］ＯＳＥＫ／ＶＤＸ Ｇｒｏｕｐ．ＯＳＥＫ／ＶＤＸ Ｎｅｔｗｏｒｋ Ｍａｎａｇｅｍｅｎｔ Ｃｏｎ— ｃｅｐｔ ａｎｄ Ａｐｐｌｉｃａｔｉｏｎ Ｐｒｏｇｒａｍｍｉｎｇ Ｉｎｔｅｒｆａｃｅ［Ｓ］．２００８． Ｖｅｒｓｉｏｎ ２．５．３． ［Ｊ］．单片机与嵌入式应用，２００８，（５）：２０—２１． ［１２］ＫＬＡＵＳ Ｓ，ＥＣＥ Ｇ Ｓ．Ｍｅｓｓａｇｅ ｓｃｈｅｄｕｌｉｎｇ ｆｏｒ ｔｈｅ ＦｌｅｘＲａｙ ｐｒｏｔｏｃｏｌ：ｔｈｅ ｓｔａｔｉｃ ｓｅｇｍｅｎｔ［Ｊ］．ＩＥＥＥ Ｔｒａｎｓ Ａｃｔｉｏｎｓ ｏｎ Ｖｅ— ｈｉｃｕｌａｒ Ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ，２００９，５８（５）：２１７０—２１７９． ［３］Ｂ．Ｆｒａｎｋ，Ｌ．Ｇｅｏｒｇｅ．ＦＰ／ＦＩＦＯ Ｆｅａｓｉｂｉｌｉｔｙ Ｃｏｎｄｉｔｉｏｎｓ ｗｉｔｈ Ｋｅｒｎｅｌ Ｏｖｅｒｈｃａｄｓ ｆｏｒ Ｐｅｒｉｏｄｉｃ Ｔａｓｋｓ ｏｎ ａｎ Ｅｖｅｎｔ Ｄｒｉｖｅｎ ［１ ３］ＥＣＥ Ｇ Ｓ．Ｍｅｓｓａｇｅ ｓｃｈｅｄｕｌｉｎｇ ｆｏｒ ｔｈｅ ＦｌｅｘＲａｙ ｐｒｏｔｏｃｏｌ： ｄｙｎａｍｉｃ ｓｅｇｍｅｎｔ［Ｊ］．ＩＥＥＥ Ｔｒａｎｓ ｏｎ Ｖｅｈｉｃｕｌａｒ Ｔｅｃｈｎｏｌｏ— ｙ，ｇ２００９，５８（５）：２１６０－２１６９． ＯＳＥＫ Ｓｙｓｔｅｍ［Ｊ］．Ｔｈｅ ＩＥＥＥ Ｉｎｔｅｒｎａｔｉｏｎａｌ Ｃｏｎｆｅｒｅｎｃｅ ｏｎ Ｉｎｄｕｓｔｔｒｉａｌ，２００６，７：１—８． ［４］Ｆ．Ｌａｑａｒｄｅ，Ａ．Ｒａｄｅｒｍａｃｈｅｒ，Ｓ．Ｒｏｂｅｒｔ，Ｓ．Ｇｅｒａｒｄ，Ｄ．Ｓｅｒｖａｔ．Ｉｓ— 『１４］李定根，曹晶，张杰．基于ＣＡＮｏｅ—ＭＡＴＬＡＢ的车辆ＣＡＮ ｓｕｅｓ ｉｎ ｍａｐｐｉｎｇ ＣＯＲＢＡ ｃｏｍｐｏｎｅｎｔ ｍｏｄｅｌ ｔｏ ＯＳＥＫ［Ｊ］． 总线的联合仿真［Ｊ］．汽车科技，２００９，１１：５７—６１． （上接第４９页） 通过图９仪表板横梁的测评点的位移曲线亦可 以看出，改进后最大后移量由改进前６０ ｉｎｎ降至４５ ｍｌＴｌ，满足设计目标要求。 致相关性较好，验证了整车有限元模型的正确性和 可靠性，也证明了分析方法的正确性。 （２）通过降低前围防火墙侵入量提升偏置碰 撞性能是结构改进的一个重要考虑环节。仅靠优 化前端结构是不够的，还需对车身其他结构（包括 Ｉ Ａ柱、门槛梁和地板梁系等１进行系统的改进和优 化。 （３）基于ＣＡＥ仿真技术进行车身结构优化，可 以在短时间内快速实现对多方案的性能评价，同时 对于改善安全性能，是一种行之有效的办法。与试验 相比，通过仿真结果更容易发现结构的问题所在，从 时间／ｍｓ 而找到最佳改进措施，节约成本。 参考文献： 图９仪表板横梁测评点位移曲线 ４结论 通过以上分析与研究，得出以下结论： 『１］朱西产．汽车正面碰撞试验法规及其发展趋势的分析 ［Ｊ］．汽车工程，２００２，（１）． ［２］王珏．韩忠浩．轿车正面碰撞仿真与结构改进［Ｊ］．太原 科技，２００９，（５）． （１）５０ ｋｍ／ｈ刚性壁障正面１００％重叠碰撞和５６ ｋｍ／ｈ可变形壁障４０％偏置碰撞仿真结果与试验一 ・［３］王志涛．汽车偏置碰撞中的前横梁改进［Ｊ］．汽车技术， ２０１０，（７１． ５８・
