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某微型客车结构耐撞性改进设计
清华大学 宋正超 孔凡忠 张金换 黄世霖
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摘要：某微型客车正面碰撞法规试验表明，车身前部变形过大，直接导致前排两个车门碰撞后无法正常开启。在对车架进行了大量的数值模拟的基础上，提出优化方案，对车架前地板总成进行了改进设计，调整了焊接工艺和焊点分布。改进后的碰撞试验表明，车架前部变形量减少了大约50mm，从而使得前排两个车门在碰撞后能够正常开启，提高了该车的结构耐撞性能，为该车通过正面碰撞法规试验奠定了坚实的基础。
关键词：微型客车 结构耐撞性 改进设计 有限元法
Improvement Design on a Type of Minibus’S Frontal Crashworthness
Song Zhengchao, Kong Fanzhong, Zhang Jinhuan, Huang Shilin
State Key Laboratory of Automotive Safety and Energy, Tsinghua University
[Abstract] A frontal impact test of a type of minibus indicated that the deformation of its frontal part was too large which led the frontal doors to be unopenable. Basing on a mass of simulations, this paper presented an optimality design, which improved the assembly of frame and frontal floor, and adjusted the welding techniques and weld point distribution. The impact test of the improved design indicated that the deformation of the frontal part reduced about 50mm, the frontal doors were openable normally after the impact test, and the frontal crashworthiness of this minibus was improved to meet the requirement of the Safety Regulation.
Key words: frame deformation improvement frontal impact simulation
1 引言
在汽车结构耐撞性方面，为满足汽车正面碰撞法规，通常将汽车的乘员区设计为具有足够的变形刚度和强度，而将汽车前部设计有保证一定的许可变形量。如果变形量太小，也就是结构太“硬”，将产生较大的加速度峰值，对乘员约束系统产生较大的压力；如果变形量太大，也就是结构太“软”，将使A 立柱和乘员空间受到挤压。一方面容易造成车门变形严重，在碰撞时自动打开，或者在碰撞后无法正常开启，另一方面容易使方向盘和仪表板的后移量过大，对乘员产生较大的伤害。因此在正面碰撞过程中，前端吸能区变形量必须得到很好的控制，同时也要保证变形区发生持续稳定变形并且不产生较大的加速度峰值。
2 原车的正面碰撞试验的关键问题
某微型客车在经过正面碰撞试验后，发现车身前部变形量过大，导致以下两个方面的后果：一是挤压A 立柱，使之产生较严重的变形，从而导致碰撞后两个前门均无法正常打开；二是乘员空间受到挤压，假人的伤害指标超标。碰撞后的情况如图1 所示。

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图1 原车的碰撞情况

3 车架的数值模拟与改进
为了缩短改进周期，减少经费，通过模拟计算来设计并优选方案。由于这种形式的车在正面碰撞过程中能量的吸收60％～70％集中在车架，所以为了加快进度，主要针对车架部分进行建模和分析。图2 是车架加前地板的有限元模型。

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图2 车架加前地板的有限元模型

原车碰撞后车架的变形情况和模拟的情况如图3 所示。

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图3 试验变形和模拟变形的比较

由于原车架和车身前地板焊接在一起，而焊点分布比较稀疏，碰撞后前部变形量大，车架偏“软”，所以改进主要集中在两个方面：一是加强车身前部焊接工艺及焊点密度；二是改进车架结构，增加车架局部刚度。
模拟计算的结果显示改进后车架变形区的中后部变形更加合理，吸收了更多的能量，而车架的变形量也受到了较好的控制，图4 显示了改进前后模拟的车架变形量的对比。

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图4 改进前后车架的变形量

由图中可以看出，改进后的变形量比原车架减少了约45mm，这样的结构可以使A 立柱及乘员空间受到较好的保护。
4 改进效果分析
该车在改进的基础上进行了第二次整车正面碰撞试验，试验结果很好验证了模拟的结果，车架前端变形量减小了约50mm，A 立柱受到了较好的保护，两个前排车门均能顺利打开，转向盘和仪表板的后移量减小，乘员空间得到有效的保护。

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图5 改进前后实车加速度波形的对比

图5 是改进前后实车车架的加速度曲线对比，从图中可以看出，改进后加速度波形的脉宽比改进前减少了约10ms，而加速度峰值和波形没有明显的变化，车身前端的吸能能力得以提高。图6 是改进后车架上实验所测的加速度曲线和模拟加速度曲线的对比，两条曲线基本一致，说明模拟计算较好地预测了试验的结果。

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图6 改进后实车车架和模拟的加速度对比

5 总结
针对某微型客车在正面碰撞过程中前端变形量过大的问题，对车架的局部进行了改进。在改进过程中，建立了车架和前地板的局部有限元模型，针对各改进方案进行了大量的模拟计算。通过对车身前部焊接工艺、焊点密度的加强以及对车架某些零部件结构参数的调整，使车身前端的吸能能力增强，并控制变形量在A 立柱以前，以保证车门和乘员空间不受较大的破坏。改进后的整车试验验证了模拟的改进效果，车身前端的变形量减少了约50mm，碰撞后前排两车门均能顺利打开，而改进前后加速度波形和峰值没有太大的变化。总的来说，改进后该车的结构耐撞性得以增强，为通过正面碰撞法规试验打下了良好的基础。
参考文献
1 黄世霖，张金换，王晓冬等. 汽车碰撞与安全. 北京:清华大学出版社, 2000
2 刘凤梧，张金换，龚剑等. 微型客车的耐撞性分析和改进设计研究. 中国汽车工程学会第六届汽车安全技术学术会议论文集, 2001, 14~26
3 John O.Hallquist. LS -DYNA3D THEORETICAL MANNUAL. Livermore Software Technology Corporation, 1997
4 王大志，孔凡忠，刘凤梧等. 轻型客车结构耐撞性改进设计. 中国汽车工程学会第七届汽车安全技术学术会议论文集, 2002, 43~47 6/29/2005

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