1. 引言
汽车作为人们出行中重要的选择对象，汽车安全问题也越来越受到人们的关注 [1] ，国家相关部门也在逐步完善相关汽车的安全法规。在汽车受到侧面碰撞时，车门不能开启，否则车内人员会受到二次伤害。其中法规GB20071-2006就是明确规定，在试验过程中车门不得开启，否则无法通过法规要求 [2] 。
侧面作为汽车的薄弱区域，在受到冲击时，通常会造成车身侧围的大变形，对车内的乘客造成伤害，鉴于此，很多学者对车身的侧围结构展开研究，旨在提高车辆的被动安全性。卢永胜 [3] 为了探究某款新能源车型在侧碰工况中的耐撞性能，对其进行了仿真分析，并以B柱、车门等部件的侵入量和侵入速度为考察目标，仿真结果符合法规要求。操英冬 [4] 基于侧碰法规，对车辆的B柱进行优化设计，在保证车身侧围耐撞性的前提下，使B柱的质量降低了11.3%。杨军等人 [5] 通过试验与仿真相结合的方法，找出了侧碰工况中车门开启的原因，并根据车门的变形模式针对薄弱环节设计出一种优化方案，优化后，门把手区域变形量明显降低。马承聪等人 [6] 为了提高某款车型在侧碰工况中的耐撞性能，提出在门槛梁内填充泡沫铝的方案，通过对车辆进行不同速度的侧碰仿真分析，结果表明，泡沫铝复合结构能够有效降低侧碰工况中车辆的侵入量和加速度峰值。
本文针对某款正在开发的乘用车侧面碰撞工况，使用显式有限元分析方法，参照GB20071-2006汽车侧面碰撞的乘员保护的试验要求搭建有限元模型进行仿真分析，对仿真分析结果发现的风险给予优化，并按优化方案造车进行试验验证。
2. 搭建有限元计算模型
在有限元计算中科学合理的模型化是仿真计算成功与否的关键。针对不同的求解类型，有限元模型建立的侧重点也略有差异 [7] 。一般应在保证计算精度的前提下，为了提高工作效率尽可能缩短建模和求解计算的时间。
1) 在HyperMesh软件中导入车身部门提供的STEP数据模型，按照建摸规范要求对白车身、车门、动力总成和座椅骨架等进行几何网格划分，基准尺寸8 mm，确保模型网格正交性好，无网格交叉和渗透 [8] 。
2) 门锁进行精细化建模 [9] 。
3) 根据钣金厚度及材料牌号信息对车身进行材料属性的定义，为保证计算精度及计算效率，部件采用2#积分定义，材料曲线为真实应力应变曲线。
4) 车身焊点采用六面体实体单元模拟，材料为MAT100材料 [10] ；车身螺栓采用刚性连接模拟。
5) 壁障模型为供应商提供，只需调整位置即可。
6) 根据整车和壁障模型之间的实际接触情况，在仿真模型里定义相应的接触关系 [11] ：包括整车之间的自接触、焊点与钣金间的点面接触、玻璃与粘胶间的点面接触、壁障与车身的面面接触。
3. 载荷边界条件
根据法规要求，车辆位于水平地面上，移动变形壁障以50 ± 1 km/h的速度撞击车辆驾驶员侧，其中，移动变形壁障的纵向中垂面与试验车辆上通过碰撞侧前排座椅“R”点的横断垂面之间的距离应在±25 mm内。调整好的有限元计算模型如图1所示。将模型保存为K文件并提交到LS-DYNA中进行计算。
4. 计算结果分析
模型计算完成后，通过对计算结果进行必要检查以确保计算的准确性，其中包括：查看动画是否出现异常，模型总能量、动能、内能、接触能及沙漏能曲线是否平稳；同时，为了提高仿真的精度和稳定性质量增加要求小于5% [12] 。根据上述检查原则，对本次计算结果进行检查，能量曲线如下图2所示，各能量曲线平稳变化；质量增加曲线如图3所示，质量增加为3.31%小于5%。说明仿真计算模型满足检查要求，可进行下一步的研究。
Figure 2. Energy curve of simulation model
图2. 仿真模型能量曲线图
在整车侧碰工况中，B柱和车门起到了抵抗冲击和传递碰撞载荷的作用，其性能好坏会直接影响车辆的耐撞性能和车内乘员的安全性 [13] ，所以需要测量B柱各位置的侵入量以及车门的侵入速度，并与以往车型开发积累的经验设计出的目标值进行对比分析。B柱和车门的侵入量及侵入速度如表1所示，满足开发目标要求。
Table 1. B pillar and door intrusion and intrusion speed
表1. B柱和车门的侵入量及侵入速度
但是，在查看后门门锁区域时，发现侧门外板对应门锁外开拉杆区域，出现深V凹陷变形 [4] ，如图4所示，通过剖视图查看，外板已经挤压到门锁拉杆，如图5所示。
经测量拉杆位移，拉杆向下移动量为9.3 mm，如图6所示，根据门锁设计图纸，拉杆下移8~12 mm为解锁行程，如图7所示。因此若按此状态进行试验，存在车门开启风险，需要进行优化。
Figure 4. Deformation diagram of door panel
图4. 车门外板变形图
5. 结构优化及试验验证
根据仿真结果已知B柱及车门侵入量已经满足开发目标要求，因此，只需要将车门开启的风险优化即可。优化改进方向是通过提高门锁区域的刚度阻止其发生凹陷变形后挤压到拉杆。通过分析确定了在车门内增加一个从左到右的加强板的设计思路 [9] ，如下图8所示，定义为方案1；以及仅在门锁周边增加加强板的设计思路，如下图9所示，定义为方案2。方案1及方案2对比如下表2所示。
Table 2. Optimization scheme description
表2. 优化方案描述
根据以上方案，重新建立仿真模型进行计算，结果对比如下图10、图11所示：方案1及方案2均无凹陷变形，车门外板与拉杆未发生接触，车门开启风险均得到解决。结合成本考虑，方案2结构更紧凑，重量更低，成本占优，因此按照方案2进行造车试验验证。
根据法规要求，调整整车及MDB壁障位置，如图12所示，之后将壁障小车牵引至50 km/h的速度撞击车辆驾驶员侧。
最终试验后，车门未开启，结果满足设计要求，如图13所示，且试验后车身碰撞区域的变形与仿真结果一致，说明了模型的有效性。
6. 结论
本文通过有限元仿真分析解决了某车型在开发过程中车门开启的问题，避免了试验不满足目标而需要重新造车进行验证的繁琐流程，并得出以下结论：
1、基于法规要求所搭建的有限元模型与试验结果具有较高的吻合度，可按照该建模方法分析其他车型。
2、侧面碰撞中防止车门开启的方案，在门锁周边加加强板，能有效改善车门外板的变形，效果较好，同时成本低。
3、本文的建模方法和优化思路同样可应用于其他车型开发当中，以提高研发效率减低开发成本。
基金项目
柳州市科技计划项目资助(2021AAA0103)。
参考文献