基于正交试验的汽车侧面碰撞结构改进设计

２０１０中国汽车安全技术国际研讨会基于正交试验的汽车侧面碰撞结构改进设计马春生，张金换，胡经耀，黄世霖１（清华大学汽车安全与节能国家重点实验室，北京１０００８４）摘要：通过结构改进设计可以有效提高汽车侧面碰撞乘员保护性能。采用ＰＡＭ—ＣＲＡＳＨ软件建市了某轿车的整车侧面碰撞有限元模璎，并通过仿真计算和试验结果的比较验证了模型的有效性。对原午的侧嘶碰撞特性进行了分析，提出了初步的改进措施，采用试验设计方法对结构参数进行了优化设计。结果表明优化设计后该车的侧面碰撞安全性显著提高。正交试验是进行汽车碰撞结构改进设计的有效方法。关键词：正交试验，侧面碰撞，改进设计，仿真ＳｔｒｕｃｔｕｒｅＩｍｐｒｏｖｅｍｅｎｔＤｅｓｉｇｎｆｏｒＡｕｔｏｍｏｔｉｖｅＳｉｄｅＩｍｐａｃｔＢａｓｅｄ０ｒｔｈｏｇｏｎａｌＥｘｐｅｒｉｍｅｎｔｏｎＭａＣｈｕｎｓｈｅｎｇ，ＺｈａｎｇＪｉｎｈｕａｎ，ＨｕＪｉｎｇｙａｏ，ＨｕａｎｇＳｈｉｌｉｎ（ＳｔａｔｅＫｅｙＬａｂｏｒａｔｏｒｙｏｆＡｕｔｏｍｏｔｉｖｅＳａｆｅｔｙａｎｄＥｎｅｒｇｙ，ＤｅｐａｒｔｍｅｎｔｏｆＡｕｔｏｍｏｔｉｖｅＥｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ，ＴｓｉｎｇｈｕａＵｎｉｖｅｒｓｉｔｙ，Ｂｅｉｊｉｎｇ１０００８４，Ｃｈｉｎａ）ｐｅｒｆｏｒｍａｎｃｅｆｏｒｓｉｄｅｉｍｐａｃｔｃａｎｂｅｉｍｐｒｏｖｅｄｍｕｃｈｂｙｓｔｒｕｃｔｕｒｅｉｍｐｒｏｖｅｍｅｎｔｄｅｓｉｇｎ．Ｔｈｅｗｈｏｌｅｖｅｈｉｃｌｅｆｉｎｉｔｅｅｌｅｍｅｎｔ（ＦＥ）ｍｏｄｅｌｆｏｒｓｉｄｅｉｍｐａｃｔｗａｓｄｅｖｅｌｏｐｅｄｗｉｔｈｔｈｅｓｏｆｔｗａｒｅｏｆＰＡＭ—ＣＲＡＳＨ．ＴｈｅＦＥｍｏｄｅｌｗａｓｖａｌｉｄａｔｅｄｂｙｖｅｈｉｃｌｅ＇ｓｃｏｍｐａｒｉｎｇｔｈｅｓｉｍｕｌａｔｉｏｎａｎｄｔｅｓｔｒｅｓｕｌｔｓ．ＴｈｅｉｍｐｒｏｖｅｍｅｎｔｄｒａｆｔｄｅｓｉｇｎｗａｓｐｒｏｐｏｓｅｄｂａｓｅｄｏｎｔｈｅａｎａｌｙｓｉｓｏｆｔｈｅｏｒｉｇｉｎａｌＡｂｓｔｒａｃｔ：Ｔｈｅｏｃｃｕｐａｎｔｐｒｏｔｅｃｔｉｏｎｐｅｒｆｏｒｍａｎｃｅｉｎｓｉｄｅｉｍｐａｃｔ．Ｔｈｅｓｔｒｕｃｔｕｒｅｐａｒａｍｅｔｅｒｓｗｅｒｅｏｐｔｉｍｉｚｅｄｕｓｉｎｇｏｎｈｏｇｏｎａｌｅｘｐｅｒｉｍｅｎｔｄｅｓｉｇｎ．Ｔｈｅｒｅｓｕｌｔｓｉｎｄｉｃａｔｅｃｒａｓｈｓａｆｅｔｙｐｅｒｆｏｒｍａｎｃｅｆｏｒｓｉｄｅｉｍｐａｃｔｉｓｐｒｅｔｔｙｉｍｐｒｏｖｅｄ．Ｔｈｅｏｎｈｏｇｏｎａｌｅｘｐｅｒｉｍｅｎｔｉｓａｎｅｆｆｅｃｔｉｖｅｍｅｔｈｏｄｆｏｒｓｔｒｕｃｔｕｒｅｉｍｐｒｏｖｅｍｅｎｔｄｅｓｉｇｎｉｎｖｅｈｉｃｌｅｉｍｐａｃｔ．ｃｒａｓｈｔｈａｔｔｈｅＫｅｙｗｏｒｄｓ：ｏｒｔｈｏｇｏｎａｌｅｘｐｅｒｉｍｅｎｔ；ｓｉｄｅｉｍｐａｃｔ；ｉｍｐｒｏｖｅｍｅｎｔｄｅｓｉｇｎ；ｓｉｍｕｌａｔｉｏｎ汽车侧面碰撞是发生频率高、致死率和致伤率都较大的交通事故形式，事故统计数据表明世界上大约３０％的严重交通事故都与侧面碰撞有关【ｌ】。为增加侧面碰撞发生时对乘员的保护，各国相继制定了侧面碰撞法规和高于法规要求的新车评价程序（ＮＣＡＰ），我国于２００６年开始实施《ＧＢ２００７１．２００６汽车侧面碰撞的乘员保护》法规【２１，同年中国汽车技术研究中心推出了国内的新车评价程序—Ｃ．ＮＣＡＰ，侧撞乘员保护性能是其主要评价项目之一ｌｊＪ。为了提高侧面碰撞中对乘员的保护水平，可以从侧面结构和约束两个方面进行。近年来，国内外已经多位研究者基于仿真分析进行了汽车侧面碰撞结构的改进设计，取得了较好的实际应用效果【删，但未见采用正交试验进行改进设计。正交试验设计（Ｏｒｔｈｏｇｏｎａｌｅｘｐｅｒｉｍｅｎｔａｌｄｅｓｉｇｎ）是研究多因素多水平问题的主要设计方法，根据正交性从全面试验中挑选出部分有代表性的点进行试验，是一种高效率、快速、经济的试验设计方法【＿７１。侧面碰撞的结构安全性设计设计到的结构因素较多，试验设计是方案优化组合的合适方法。模型建立和验证整车侧面仿真模型采用ＰＡＭ．ＣＲＡＳＨ软件建立，整车结构模型由某汽车公司提供。侧撞移动可变形障碍壁和侧撞ＥＳ．ＩＩ假人使用ＰＡＭ—ＣＲＡＳＨ提供的模型，模型经过零部件和整体级别的标定和验证。模型总单元数约为１１７万，对于模型的调整和假人伤害指标的计算对标在文献中已经有详细说明，此处不再赘述，仅就结构变形进行仿真计算和试验结果的比较。仿真计算得到的车辆侧面变形和试验过程的比较如表ｌ所示。基金项目：国家“八六三”高技术项目（２００６ＡＡｌｌ０１０２）作者简介：马春生（１９７９－），男【汉），河南，助理研究员，Ｅ－ｍａｉｌ：ｍａｃｈｕｎｓｈｅｎｇ＠ｆｆｉｉｎｇｈｕａ．ｅｄｕ．ｃｒｔ．８８．２０１０ｔ…ｑ“１霞十牲水ｌｑｍⅢＨ会托Ｉ矾蝙和仍“ＩＩ一１‘辆侧【ｆｌ『娈肥ｊ＝上“Ｉ比较试验结小ｆ』』ｒＬ纠一粜孤鹣鹣鹣鹣ｎ挺Ｉ｛一分别比较ｒ佛推』｜姘７盯ｏｍｓ、２０Ｆｒ，ｓ、４０吣，６０ｍｓ和８０ｍｓ时乍辆的侧…，芷ＪＢｆｌ．Ｉ眦，从比较站粜ＩⅡ吼再Ⅲ，ｆ』Ｊ“计竹ｔｌｌｌ辆，竖彤情批，ｆｉＢ试驰｝＾小坫奉烈。仿“Ｌｌ＂褂刊的穆础ｌ｜Ｊ，竖ＪＢ障Ｗ‘ｔ（ＭＤＢ）质心剌＾ｆＩｌ，粜－＿ｎ恻｝ｍ过Ｆ－’ｒｊ・的述鹰变化㈣线＿ｌ试螗结氍的刘比如Ｈ１目ｌ刳２所小，试验ｃｌ－迷膻变化曲线通过肌逑Ｊ蜓私１分ｉｌ诈褂刘。２０１０中国汽车安全技术国际研讨会信童簧图ｌ仿真和试验中ＭＤＢ质心加速度曲线图２仿真和试验中车门上某点加速度曲线从上图可以看出，仿真模型计算结果和试验测试结果吻合良好。因此，所建立的侧面碰撞仿真模型正确有效，可以用于侧面碰撞结构改进设计。２原车结构碰撞性能分析从碰撞试验和仿真分析可以看出，该轿车侧面结构各部分刚度匹配基本合理，但部分传递路径存在缺陷。假人伤害方面，胸部伤害指标较大。现有侧面结构载荷传递路径的缺陷主要有以下几点：（１）Ｂ柱中间部位变形过大车门Ｂ柱变形中间部位没有出现明显的弯曲，但向内的变形依然过大，这对假人胸部胸部保护效果有不利影响。（２）车顶横梁和Ｂ柱连接部位变形较大车顶横梁是侧面碰撞能量传递的主要路径之一，目前碰撞过程中车顶横梁在与Ｂ柱连接部位出现明显的弯曲变形。（３）车辆门槛部位变形较早较大在侧撞过程中，车辆门槛部位强度偏弱，较早出现了较大变形，未能有效吸收和传递碰撞能量。（４）车辆底板中通道变形较大车辆底板横梁是侧面碰撞载荷传递的另一主要路径，现有底板横梁和中通道连接部位结构刚度较弱，在碰撞后出现明显弯曲、变形过大。３正交试验设计为提高侧面碰撞性能，在结构改进方面主要从消除传力路径缺陷和整体刚度匹配入手，具体技术路线上先根据结构改进设计方面的Ｔ程经验及实际的加工工艺可能性，针对相关的不足提出可能的改进措施，然后通过正交试验设计方法分析各个改进措施的效果，最后确定最优化的改进方案。为了下一步的试验设计，将可能的改进措施作为７个因子，依次为Ａ、Ｂ、Ｃ、Ｄ、Ｅ、Ｆ、Ｇ，每个因子２个水平一水平０和水平ｌ，具体如下。（１）因子Ａ：车项横梁加强件针对车顶载荷传递路径，考虑增加车顶横梁加强件，实现横梁和Ｂ柱结构有效连接，如图３所示。因子Ａ的两个水平为：水平０，无车辆横梁加强件；水平ｌ，增加车辆横梁加强件。．９０．２０１０州Ｊｑｒ～个吐十性术Ⅲ‰州讨台Ｉ雩Ｉ（２）嘲ｆｍＢ柱外板３ｊ二顶横粱加强件Ⅲ于Ｂ的岍个水’ｒ为・水、ｐ０．厚度１５ｍｍ（原厚度）：永平Ｉ，厚度增加为２（３）因子Ｃ：Ｂ¨内板０ｍｍ。１月了Ｃ的州个水，Ｆ为：水平０，厚度１５ｍｍ（原厚度）：水中Ｉ．厚度增加为２．５ｍｍ．１叫时材料…Ｂ４６０ＮＱ变为Ｂ５００。（４）ＩＮｆＤ：门槛内小横蘩觚米门槛内小横粱科：侧撞叶总体的侧ｍ刚度偏小，考虑换为刚度较大的结构形式。因于Ｄ的两个水甲为：水平０，原有形式的小｛】！｛粱结构：水平】．新形式的小横粱结构。（５）因子Ｅ：地扳横梁加强件原来的地板横粱加强件未完全延忡到临近部件，考虑将原米的地板横粱内加强件（罔４中绿色部件）延长争与相邻部件相接。园子Ｅ的两个水甲为：水平０，原打形式的地板横粱加强件；水甲Ｉ，将原束的地板横粱觚】强件延伸节临近部件。图４地板横！｛ｌ加强件延长（６）Ⅲ，Ｆ：地板横ｌ廷内侧加强件网，Ｆ的两个水平为：水平０，无地板横粱内侧加强件：水平１．增加地板横粱内侧加强什。（７）冈ｆＯ：巾通道马鞍犁横粱因子Ｇ的两个水甲为：水甲０，七一１－通道屿鞍１９横梁；水’ＦＩ．增３１Ｐｌｒ通道‘｛鞍型横｝《５。为全而分析备结构闻崇的改进敏粜．进｝ｆＪＥ堂试验址计分析，构造７刚ｒ２水平的试骑设汁袁，批需要进｛ｒ８改试验。按照正叟试验设计农的Ｗｒ水，Ｆ分布建牡相成的ＣＡＥ楔’“提受计剪分析，提取相应的假人脚部伤害指标并｝ｌ算ＮＣＡＰ得分做为响心威．然后』越用统计分析软什分析再囡ｒ的ｐ效应，如罔５所示。！ｉ．－一ｈＩ＿Ｈ５备结构凼ｆ的ｌ撒应２０】０中田汽车安全技术目际研讨台从各结构因，的士效应看，因子Ａ、Ｂ、Ｄ、Ｅ和Ｇ的丰效应都为正值，即对假人伤害值有改善，其巾网子Ｄ和【；ｑ子Ｅ改善最为显著。冈子Ｃ和田子Ｆ的主效应为负值，其ｑ－因７Ｆ的负效应较为显著。为进步确定因子Ｃ和因子Ｆ的取值，进步分析两个困子的交互效应．如劁６所示．效应值实际为负值，刚中蛸标显示为效应值的绝对值。Ｈ６因ｒＣ和因ｆＦ的交互效应从陶中可以看出，∞：州ｒＣ水平为０、ＷｒＦ水平为０时，阿圳于主效应和盘且效应绝对值相加最小（即负值的绝埘值虽小．对似人伤害的负作用最小）。最后确定的结构优化组台为：闻子Ｃ、Ｆ取０水平，其它各凼ｒｌ醴１水，Ｆ。４改进设计结果结构优化吐计后，１『】内板ｘｔ席假人胸部似置的速度曲线明艟降低，最人速度由原来的１１４ａ／ｓ降低到１０２ｍ／ｓ左右．降低１２ｍ／ｓ．Ｂ柱中部位置速Ｊ童也仃定程度降低。蛙优方案假人在侧面碰撞的得分山原柬的１２分增加为１３１４分，侧面乘抽保护效果得到明显提高。致谢奉硷文ｃⅢｉ行使刷的ＰＡＭＣＲＡＳＨ２Ｇ轼什教育版授权由ＥＳｉ公司提供．特此敛谢。参考文献（Ｒｅｆｅｒｅｎｃｅｓ）【Ｉ】ＭｃＮｅｉｌＡ，ＨａｂｅｒｉＪＣｕｒｒｅｎｔｗｏｒｌｄｗｉｄｅｓｉｄｅｉｍｐａｅｌａｃｔｉｖｉｔｉｅｓｄｉｖｅｒｇｅｎｃｅｖｅｒｓＨｓｈａｒｍｏｎｉｚａｔｉｏｎａｎｄｔｈｅｐｏｓｓｉｂｌｅｅｆｆｅｃｔｏｎｆｕｔｕｒｅｃａｒｄｅｓｉｇｎ［Ｃ］／／Ｐｒｏｃ１９ｔｈＩｎｔＴｅｃｈｎｉｃａｌｃｏｎｆｏｌｌｔｈｅＥｎｈａｎｃｅｄＳａｆｅｔｙｏｆＶｅｈｉｃｌｅｓ（ＥＳＶ）ＷａｓｈｉｎｇｔｏｎＤＣ，２００５：ｐａｐｅｒｎｕｍｈａｒ０５—００７７［２】『３１【４】精光址年犁删血磁捕安伞悱结构改进设计【Ｄ】北京清华人学，２００７ｔｐ闭汽１擞术研究ｒ｛・心中【ｑ新年评价垭样（Ｃ．ＮＣＡＰ）．２００９Ｃｈｉｅｎ—Ｈｓｌｌ『１Ｗｕ，ＣｈｉｎｇＰｅｉＬｉａｎｇ，Ｊａｗ－ＨａｗＬｅｅＳＡＥｐａｐｅｒ＃２００６－Ｏｌ－０２４５Ｏｐｔｉｍｉｚａｔｉｏｎｏｆｓｉｄｅｉｍｐａｃｔｂａｔｆｏｒｃｒａｓｈｗｏｒｌｈｉｎｅｓｓ；ｆ５】［６】ｉ：祥汽乍侧面碰樟安全忡设引与优化［Ｄ】长沙湖南大学，２００９唐洪斌蕈轿车侧面碰撞车体结构性能研究［硕士论文］汽车工程学院，吉林大学，长春，２００６【７】【８］刘文卿试验设计【Ｍ】ｆｉｇＳ．：清华大学出版社，２００５马謇生．胡经耀，张金换等墓于仿真分析的汽车侧面安全气■参数优化设计．中国汽车工程学会安全技术国际研讨会．２００９．武汉【９】９２００７ＰＡＭ—ＣＲＡＳＨＳＡＦＥ一２００７一ＳｏｌｖｅｒＲｅｆｅｒｅｎｅｅＭａｎｕａｌＥＳＩＧｒｏｕｐ，ＪｕｌｙＥＳＩＧｒｏｕｐ．Ｊｕｌｙ２００７【１０】ＰＡＭ・ＣＲＡＳＨＳＡＦＥ－２００７ＳｏｌｖｅｒＮｏｔｅｓＭａｎｕａｌ