车门侧面柱碰仿真分析

2009年2月Euro-NCAP发布了新的新车安全评价体系，侧面碰撞使用了移动变形壁障的垂直碰撞试验，但是其分值由原来的16分降为了8分，并增加了侧面柱碰试验（Pole Side Impact Test），占据整个侧碰试验的另外8分。目前我国还没有将侧面柱碰实验纳入C-NCAP当中，鉴于侧面碰撞是汽车被动安全性能中的重要研究内容，特别是在一些特殊侧面碰撞形式（侧面柱碰等）方面的研究较少，因此针对汽车在侧面柱碰条件下的安全性能展开研究具有重要的意义［1］。

文中对某小型纯电动汽车车门及刚性壁障柱进行建模，根据Euro-NCAP（Pole Side Impact）的要求，对该汽车车门的侧面柱碰实验进行仿真，验证该车门模型在侧面柱碰情况下的被动安全性能。

1 车门有限元模型建立

某小型纯电动汽车车身骨架采用铝合金材质、车身外覆盖件ABS材料，电动机和2挡变速器后置驱动，电池位于单排座位下方，是一款单排双座紧凑型纯电动汽车。车门壳体是由厚度为0.7mm钢板冲压而成的外板及其外加强板、厚度为0.8mm钢板冲压而成的内板及其内加强板和厚度为1.6mm的超强钢板冲压的防撞梁以及车窗、门锁加强板焊接而成。外板外形与整车协调，外板包着内板，沿着门的边缘形成刚性箍。内板是车门的主要零件，在内板上冲有各种形状的窝穴、加强筋和孔洞，以便安装附件。鉴于研究目的和现有条件的限制，在整体上对模型进行简化处理［2］：1）仅考虑车门自身零部件的建模，忽略车门与车身的连接部分；2）忽略车门内饰板、粘性材料和车窗玻璃部件；3）省略车门铰链和车锁的建模，在相应位置用简化的约束进行代替。

⑦为研究生长素类似物2，4-D对某植物插条生根的影响，一实验小组按表1进行了实验。该小组的实验结果见图1。

根据上述条件建立左侧车门有限元模型，并采用壳单元来划分。其主要以四边形单元为主、三角形单元为辅，采用计算高效的面内单点积分Belytschko-Tsay算法。对于整车的连接多采用刚性单元模拟，实现可变形体之间的连接，尽量使建立焊点单元的2个节点位置比较接近，并在部分需要加强位置考虑加密焊点。

在大学阶段，宽松的环境使大学生被压抑的自我意识猛然反弹，容易陷入自负与自卑两种误区，自我认识片面单一，难以妥善处理自己与外部环境之间的关系。尤其是在缺乏真正有效的社会实践活动的情况下，由于很难切身体验职场的真实状态，因此，一旦直接面对社会的激烈竞争，就觉得自己学无所长，立身无本。

车门共有17 171个单元，三角形约占总单元数的8.32%，满足行业要求。

根据Euro-NCAP［4］侧面圆柱碰撞试验要求如表1所示，建立符合法规要求的刚洗壁障柱有限元模型。刚性壁障柱下端高出车门外板最低点127mm，顶端高于汽车车顶，直径为260mm；整体采用六面体为主、四面体为辅的实体单元来划分，并用刚性材料处理；用来模拟实车发生与地桩及路边树木侧面碰撞的情况。如图3所示。

  

图1 Euro-NCAP侧面圆柱碰撞试验

金岩柏等[20]研究指出：将中医针灸方法应用于腹腔镜下大肠癌根治术后，可有效提高病人生活质量。针灸过程中可取大肠腧、天枢等为主穴，取三阴交、足三里等与之配合以起到健脾、益气、止泻功效。王莎莎等[21]以腹腔镜下大肠癌根治术后化疗病人为研究对象，研究结果与金岩柏等[20]基本一致。

根据整车零部件实际情况赋予属性和材料，对车门等金属采用MAT24号弹塑性材料，其中车门内/外板和外加强板的材料为普通钢，防撞梁为超强钢；根据不同的材料型号赋予相应的应力-应变曲线，完善材料的真实性，保证模型的准确性。

  

图2 车门有限元模型

2 刚性壁障柱有限元模型建立

参照如图1所示Euro-NCAP侧面柱壁障碰撞试验及整车侧面柱碰撞试验中的约束方式确定其边界条件。车门与车身侧框结构主要有用于转动车门的2个铰链，在关门状态时有门锁的约束和车身对车门边框的约束。对于2个铰链和门锁的约束仅保留绕z轴的转动自由度；由于模拟车门碰柱，车门边框保留沿柱方向的平动和绕柱的旋转自由度。在实车侧面碰撞中，车门与作为其支撑的侧框结构都要参与变形，并相互影响，但在极短的时间内以外物冲撞车门时，侧框结构的位移量是很小的，不予考虑［3］。

 

表1 欧美侧面柱碰撞试验法规

  

碰撞速度/（km·h-1）碰撞角度/（°）碰撞柱直径/（mm）使用的假人Euro-NCAP 29 FMVSS201 29 FMVSS214NPRM 32 90±390±375 254±3 1个Euro-SID 254±3 1个SID-3 254±6 2个ES-2re或SIDIIs FRG

  

图3 刚性壁障柱有限元模型

参照Euro-NCAP侧面圆柱碰撞试验，确定车门以29 km·h-1（8 055.556mm·s-1）的速度沿-y方向与刚性壁障柱碰撞［5］。

3 侧面柱碰分析

侵入量和侵入速度分析是评价车门结构被动安全性能好坏的重要指标之一，因为过大的侵入量和过快的侵入速度会对人体造成直接伤害，引起伤亡事故。车门碰撞过程是一个高度非线性的过程，车门各点的数据情况在同一时刻也存在着很大的差异，而车门内板在碰撞过程中往往会与人体发生直接接触，因此在车门内板处截取3个关键节点分别对应人体腿部、盆骨和胸部（肋骨），测出对应节点的侵入量和侵入速度，如图9所示，对关键节点进行分析也更为直观。由图9 a能够明显看到车门内板上对应腿部、盆骨和胸部的最大侵入量均未超过90mm，而该紧凑型纯电动汽车的乘员离侧面结构有150mm左右的间隙，所以在该仿真测试过程中车体未与人体的关键部位发生直接的接触，但由于车体本身内部空间较小，仍不利于乘员逃生。如图9 b所示，在侧碰过程中车门内板对应盆骨处节点的最大侵入速度为2.76 m·s-1，对应胸部节点的最大侵入速度为2.66 m·s-1，对应腿部节点处的最大侵入速度为1.4 m·s-1；相较于法规中B柱对应节点处的极限侵入速度小很多，那是由于B柱刚性大且瞬时侵入速度大，车门内板的刚性要小很多，导致侵入速度较小，但是整个侵入时间拉长；仿真测试结果如表4所示。

  

图4 侧面柱碰仿真模型

3.1 仿真结果分析

文中刚性壁障柱在y方向上与车门外板的间距为8.05mm，即碰撞发生时间为1mm，整个碰撞过程持续时间约为50 ms，为了更好地体现碰撞过程的能量装换，将计算终止时间设为100 ms。碰撞仿真过程的能量曲线如图5所示，可以看出：整车侧面柱碰仿真能量曲线满足能量守恒，车门初始动能与仿真总能量相同，沙漏能随着碰撞过程逐渐增大，最高占比为3.8%，不超过总能量的5%，说明计算结果是可信的。

  

图5 侧面柱碰能量曲线

由于车门约束的简化方式，使得变形过程中约束部位有着明显的撕裂现象。碰撞发生后车门外板发生明显的内凹变形，在4 ms左右与防撞杆接触；防撞杆向内侧弯曲变形，并在12 ms左右与车门内板接触，随后整个车门向内侧发生较大的变形。在侧面碰撞中，既有整体结构的大变形，又有局部结构的“皱折”现象；表3为车门及车窗对角线距离变化表，从表中可以看出车窗变化较小，而车门对角线变化明显，4号对角线变化量峰值达到14.5mm，与实车试验中车门的变形情况较为一致，说明有限元模型可靠。

  

图6 车门主要吸能部件内能变化图

主要吸能部件吸能占比如表2所示，由于碰撞初始速度不大，内能主要集中在车门外板、内板和车门窗框上，内/外加强板和防撞梁所吸收的能量占比相对较低。

在100 ms的分析过程中，碰撞过程持续时间为60 ms，图7为车门在15 ms、30 ms、45 ms、60 ms时刻的变形图；图8为车门及车窗对角线标示图。

完成车门的有限元建模，如图2所示，车门有限元模型的质量为18.36 kg，根据该纯电动汽车对车门进行配重，使用Mass配重单元将等同于整车及驾驶员的质量添加到整车的质心位置，配重后整车质量为980.36 kg，实车质量为924.19 kg，在合理范围内。

碰撞过程表征了一个能量守恒、动量交换的瞬态过程，在实际碰撞过程中动能大部分快速转变为变形能，小部分以声能、热能等其它能量耗散掉。在柱碰仿真中车门与刚性壁障柱对应的位置受到冲击而塌陷变形，吸收冲击能量，系统内能增加，随着车门变形的增大，内能也在增大；在50 ms后碰撞终止，能量形式趋于平稳。主要吸能部件内能变化如图6所示［6］。

本研究采用 UPLC-MS/MS 法同时测定慢性不可预见性温和应激模型大鼠脑脊液样品中 5-羟色胺和 5-HIAA 的浓度，该方法简单、快速，可用于脑脊液中 5-羟色胺和 5-HIAA 的含量测定。

 

表2 车门主要吸能部件吸能及占比

  

吸能部件车门外板车门内板外加强板内加强板防撞梁车门窗框总计吸收能量/kJ 11.6737.36 4.7815.30 1.605.12 0.872.78 1.183.78 4.0512.96 24.15能量占比/%77.30

  

图7 车门分时变形图

  

图8 车门及车窗对角线标示图

 

表3 车门及车窗对角线距离变化表 m

  

对角线1234 0 ms 0.00 0.00 0.00 0.00 15 ms 0.08-0.01-1.65-2.68 30 ms 0.32-0.70-6.56 4.80 45 ms-1.89 4.30-10.31 14.24 60 ms-3.43 3.60-9.95 14.43

3.2 柱碰模拟关键节点处数据分析

按照法规要求调整车门和刚性壁障柱有限元模型的位置，刚性壁障柱正对于门宽度3/4的位置与车门碰撞。定义车门的自接触和车门碰撞面与刚性柱的面接触，设置车门初始速度为29 km·h-1，仿真时间为0.10 s，侧面柱碰仿真模型如图4所示。

  

图9 内板关键节点的侵入量和速度

 

表4 仿真侵入速度与侵入量

  

对应节点胸部盆骨腿部侵入速度/（m·s-1）2.66 2.76 1.40侵入量/mm 83.09 83.69 35.84

3.3 优化与分析

由上述结果表明在侧面刚性壁障柱碰撞中，车门内板不会与人体关键部位发生接触，但入侵量分布差异较大，胸部与盆骨处的关键节点入侵量均在83mm左右，腿部的入侵量只有32.6mm；由表2可以看出，防撞梁在柱碰撞情况下的吸能作用不明显，只占总能量的3.78%；由车门分时变形图可以看出车门窗框右侧在碰撞过程中出现了应变量过大的现象；根据上述情况，对该车门提出提高侧面碰撞性能的结构改进措施［7-8］：1）防撞梁的材料由超强钢换为普通钢；2）车门窗框右侧边材料普通钢的厚度由0.8mm增加到1.0mm。

优化后的车门在侧面刚性壁障柱碰撞后，胸部与盆骨处的侵入量基本保持不变，腿部入侵量增加3.24mm，而防撞梁所吸收的能量增加28%，各关键节点处的侵入速度略有减小；窗框侧面变化如图10所示，在y方向上最大变形处位移减小了13.4mm。

隐喻翻译的要点是充分释放原诗中隐喻的文化负载情结,表达诗人的高尚情怀、美政理想和爱国情操。翻译时,应根据隐喻的不同目的使用不同的翻译方法,为达成所指目的,可以采用认知的翻译策略,使用等喻或换喻的翻译方法;为达成语用目的,可以采用贴合语境的语用翻译策略,使用省略喻体或意译的翻译方法。

  

图10 右侧车窗变化图

4 结论

此次仿真主要研究某纯电动汽车车门在发生侧面柱碰情况下的安全性能。文中分析了车门内板对应的3个关键节点处的侵入速度和侵入量，以及车门主要部件的吸能情况、车门变形量等有关车门耐撞性能等主要因素的影响，结果表明在侧面刚性壁障柱碰撞中，车门内板不会与人体关键部位发生直接接触，但由于该紧凑型车身内部空间较小，碰撞过程压缩了乘员的逃生空间。针对车门窗框薄弱及防撞梁吸能情况较差这2种情况进行了优化，结果表明：1）增加窗框厚度提高刚度，可以改善局部变形过大的情况；2）防撞梁刚度过大的情况下，降低防撞梁刚度，能够改善车门各部件能量吸收的分布情况，能够降低侵入量，防止局部侵入量过大对人体造成直接损伤。

参考文献：

［1］余波.基于MDB与柱壁障的轿车侧面碰撞仿真研究［D］.重庆：重庆交通大学，2010.

［2］张继伟.轿车车门侧面碰撞性能仿真研究［D］.武汉：武汉科技大学，2007.

［3］全国汽车标准化技术委员会.汽车侧面碰撞的乘员保护：GB 20071-2006［S］.北京：中国标准出版社，2006.

［4］Euro-NCAP test protocol-Pole Side Impact［Z］.Version 2.0，1999.

［5］吴宇杰.汽车侧面柱碰撞的仿真分析及结构改进［D］.重庆：重庆大学，2016.

［6］胡远志.基于LS-DYNA和HyperWorks的汽车安全仿真与分析［M］.北京：清华大学出版社，2011.

［7］黄俊泽.轿车侧面柱撞车身结构安全性研究［D］.长沙：湖南大学，2013.

［8］黄峥，王继先.某轿车侧面碰撞安全性改进设计［J］.湖北汽车工业学院学报，2011，25（4）：24-27.