轿车侧面柱碰撞车身结构安全性研究

龚广喜 陈立锋

摘要：轿车侧面碰撞事故中一般分为另种碰撞形式，即车对障碍物和车对车碰撞两种形式。在交通事故中，侧面碰撞是导致人员重伤与死亡的主要事故形态。为提高和改善汽车侧面碰撞安全性，降低汽车交通事故中乘员的伤亡，国家与2016年7月推出强制性标准GB 20071-2006《汽车侧面碰撞的乘员保护》，对提高M1类车辆的侧面碰撞安全性，促进汽车被动安全技术的向前发展产生了积极影响。然而，越来越多的交通事故表明，汽车侧面与狭长物（柱状物）发生碰撞会造成较高的乘员伤亡率，而这种事故形态是 GB 20071-2006 无法考量的。针对车辆侧撞试验方面的研究，我国起步较晚，国内对于汽车侧撞的研究主要集中在车对车的研究上，而对于车与障碍物之间侧撞的研究几乎空白，目前国内开展的移动壁障碰撞测试试验，可以很好的模拟两车碰撞，却不能体现侧面与狭长物碰撞给乘员带来的潜在威胁。因此，进行侧面柱碰撞的研究，对提高轿车侧撞结构安全性有重大的意义。

关键词：轿车；侧面柱碰撞；车身结构；安全性

中图分类号：U461.6文献标志码：A

1、现状分析和传递性

1.1轿车侧面柱碰撞车身结构安全性研究现状分析

近些年随着广大民众对汽车整体安全性的要求越来越高，去年一起自主品牌汽车的侧面撞树，导致车身断裂最终造成驾乘人员3死1伤的事故之后，民众对侧面柱碰撞的成员保护的关注度空前高涨，国家适时地发布GB/T 37337-2019《汽车侧面柱碰撞的乘员保护》，给轿车生产企业带来了很大压力和挑战，面对这种严峻的形势，使得轿车生产企业不得不对汽车设计理念、制造技术进行提升。然而，关于轿车侧面柱碰撞方面的实验设施建设并不完善，对轿车发生侧面柱碰撞方面的研究还不够重视[3]。但是，国外已经开始对这方面进行了综合、深入的研究，主要侧重于轿车整体安全性与轿车发生侧面柱碰撞事故统计这两个重要方面，在一定程度上能为轿车发生侧面侧面柱碰撞仿真提供重要依据。

1.2碰撞力的传递性

在轿车的实验过程中，对于碰撞过后车内假人的评价则包括头部伤害指数、肋骨变形量、腹部力和骨盆加速度、脊柱加速度、耻骨力。通过这些数据分析来得出车辆的柱碰安全性。而相比于普通的移动壁障碰撞测试，侧面柱碰由于碰撞点更集中，所以对于驾驶者的头部和肋骨的伤害会更为严重。所以必须采用相应的措施来降低侧面柱碰对于人体的伤害。相比于移动壁障的碰撞测试，柱碰在纵向空间内的碰撞位置要比移动壁障碰撞更大，这个碰撞的位置涵盖了车辆的车顶、B柱、车门以及地板的几乎所有区域，而且碰撞面积更小，虽然时速不高，但是在单位面积内的碰撞力更大。由于碰撞面积更小，碰撞力的分散会更难，对车辆会产生强大的“切割力”，如果车辆速度高的话，那对车身的破坏力将是“几何级”增长。也就是说，如果速度过快，车辆在强大的“切割力”下极有可能发生“断裂”。

重要的结构部件对车辆的整体性、安全性与舒适性等问题有着直接的影响。轿车的车身结构从前往后依次为A柱、B柱、C柱或CD柱。轿车结构中的这些立柱有一定的支撑作用，这些立柱组成轿车的门框。侧向冲击力传递的路径大致有四种：(1)车门所受侧向冲击力向车门框传递。车门布置防撞梁，前门受到的侧向冲击力将主要被传递到铰链柱和B柱；后门受到的侧向冲击力将主要被传递到B柱和C柱。(2)铰链A柱端侧向力往上，向风窗横梁和仪表板管梁传递，往下向车身底部的横向结构梁传递。C柱受到侧向力时，情况与此类似。 (3)对B柱向车内变形的抵抗，主要来自其自身刚度和B柱上、下端接头的刚度。通过上接头，作用在B柱上的部分力通过车顶边梁、车顶横梁和相关的接头结构向另侧传递。通过下接头，作用在B柱上的部分力被传递给门槛梁。 (4)作用在门槛梁上的侧向力，一方面来自外部的直接冲击；另一方面来自B柱的传递。门槛梁受到的侧向力通过车身底部的横向结构被传递到另一侧。

2、汽车侧面碰撞研究方法

2.1实车碰撞试验法

实车碰撞试验是在法规要求的基础上对以及生产的成品车进行碰撞试验，来鉴定能否符合试验法规的要求，车辆变形和人员损伤是否在法规要求范围之内。实车碰撞试验有固定和移动壁障碰撞试验、两车碰撞试验和翻车试验四种方法。实车侧面碰撞试验是同真实世界中的交通事故最为接近的碰撞试验方法，是综合评价车辆的结构安全性能(尤其在法规检查时)的最基本、最直接的方法。国家于2019年3月25日推出GB/T 37337-2019《汽车侧面柱碰撞的乘员保护》，它是GB 20071-2006 的完善和补充，该标准中规定的试验方法能有效模拟汽车侧面撞击柱状物的事故形态，它的推出将进一步提高和改善汽车侧面碰撞安全性，降低汽车交通事故中乘员的伤亡。新的标准的提出对各大汽车生产企业也是一个全新的挑战。

2.2移动壁障碰撞测试

移动壁障碰撞测试是一种模拟实车试验的一种创新的试验方法，用是一个刚性体台车代替车辆，而不必损坏真实的车辆，在试验台车与刚性墙中间安装了吸能筒，通过台车的吸能变形与车辆发生侧面碰撞，台车能够通过调整吸能筒的力学特性，并获得可重复的、接近于实车碰撞试验的减速度波形。台车侧碰撞试验可以用于乘员的防护装置的有效性性能评价和汽车零部件的动力学试验，它能够反映在试验过程中部件的载荷变化和分布情、吸能情况、结构变形情况、以及抵抗冲击变形等情况，目前国内开展的移动壁障碰撞测试试验，可以很好的模拟两车碰撞，却不能体现侧面与狭长物碰撞给乘员带来的潜在威胁。因此，进行侧面柱碰撞的研究，对提高轿车侧撞结构安全性有重大的意义。侧面柱碰撞时车辆已32KM/h的速度碰撞刚性柱，碰撞一瞬间车辆与速度矢量的垂直面与车辆纵向中心线之间形成75°碰撞角度。

2.3 CAE分析法

近年来，随着计算机技术的飞速发展，计算机仿真碰撞技术得到了不断的发展，在汽车车身结构安全性设计、乘员的损伤和防护研究，开发试验假人等研究等到了广泛地应用。它的优点在于可以减少碰撞试验的次数、在汽车概念设计阶段可以大大减少开发时间并减低开发经费。它的缺点就是不能像车碰撞试验那样更加真实的模拟碰撞，但是她模拟的碰撞试验得到的试验结果更加全面而且可以改变参数进行重复试验。最后CAE分析法的应用比较广，而且可以分析结构大变形问题，尤其对汽车碰撞有限元分析问题。可见，CAE分析法以及成为当今汽车碰撞的主流分析法。

3、轿车侧面柱撞车身结构安全性分析

3.1轿车碰撞损伤中生物力学理论分析

碰撞生物力逐渐成为车辆碰撞安全领域当中的重要研究内容，并且这种生物力也是车辆在发生碰撞安全研究的主要方向，车辆在受到碰撞之后驾驶员在内部会受到各种机械部件的承受载荷带来的冲击，另外，车辆由于受惯性驱使，人体将会受到来自外力作用的冲击。假设外来的力量超过驾驶员自身所承受的极限，就可能会造成驾驶员失去某些身体方面的生理功能。与此同时还能有效全面了解人员损伤机理与各种不同损伤形式。车辆在发生碰撞之后造成人体受到伤害的因素可以通过汽车外部载荷对人体造成的损害模型来表示。

当轿车发生碰撞之后，人的身体由于受到来自外部的压力影响在载荷作用下对整个人体造成的伤害。外部载荷在通过车身过滤之后会进一步加载到人体的其他部位，如果发生的冲击外力超过人体承受的极限时，在很大程度上就会造成人体受到伤害。

3.2提高整车柱碰安全性的结构优化设计

(1) 车门：单纯增加板厚的方法不合理，更合理的方法是设置防撞梁，将车门受到的载荷分散给两侧的立柱，减小车门受撞击区域的变形。如布置空间允许，可布置上下两道防撞梁或防撞杆，可以有效及时的将车门所受的冲击力传递到两次立柱。

(2) B柱：对于大部分车辆来说，其遭受侧面撞击时B柱几乎没有可以用于缓冲吸能的空间，因此对于车辆来说，理想的侧面柱碰撞特性是车门和立柱具有足够大的刚性，从而保证在受到撞击后不发生大的变形，也就是说不会由于侧面侵入量过大而对乘员造成损伤。对于B柱来说，对其刚度的需求远大于对其吸能性能的需求，因此B柱应优先采用热成型高强钢。对于B柱的上下端接头设计，要通过加强设计提高刚度，以便在冲击过程中，有效抵抗及传递冲击力。

(3)门槛梁：侧面柱碰的门槛梁的变形主要是向车内侧的弯曲变形。为防止种变形，门槛梁中部受到侧向冲击力后向车内变形的弯曲刚度大小和分布很重要，增强措施包括增加承载面积、在梁内增加加强板以及填充发泡树脂等。

(4) 地板横梁结构：在侧面碰撞中，地板横梁结构对白车身刚度起到了支撑作用，其中起主要作用的是横向的梁结构，应当提高它们的刚度并防止其在受到轴向载荷时发生弯曲失稳。

(5) 顶盖横梁：适当加宽顶盖横梁与车顶边梁的接触连接面积，以增大部件受力的传递强度，保证车顶不发生向外的弯曲变形。

3.3关于侧面碰撞结构的耐撞性研究

由于我国的大部分轿车车身侧面结构设计的合理性不高，特别是在缓冲空间的设计等方面考虑不周全，因此侧面碰撞时乘员伤亡严重，想要降低这种事故发生，就必须采用一系列的防护装置来提高乘员的安全保障性能。例如，安全气囊、侧面安全气帘和防护衬垫几种方式，这些装置起到了一定的防护作用，这样来讲，要想提高车辆侧面碰撞安全性，首先要从根本上找，也就是首先要提高车辆结构设计与实用过程中的安全性。在结构设计时，可以增加缓冲吸能区两侧的变形空间或增强侧面结构的刚度，以此能够使碰撞力有效地传递到具有保护和吸能作用的柱、地板、梁、车顶及其他部件，从而达到分散、吸收撞击力；最大限度地降低损害程度等作用。一般而言可以采用以下措施：（1）增加车门的强度或增加车身的横向横梁（车顶横梁、地板横梁等）强度；（2）增加A柱、B柱、C柱等侧围部物的强度或者增加门槛梁的强度；（3）合理的设计门锁及铰链，在防止汽车发生侧面碰撞的时候，车门自动打开的同时促使碰撞后车门开启的容易度，以便于对乘员进行及时的车外救护。

结束语：

轿车侧面发生碰撞的方式种类有很多种，比较常见的有轿车侧面碰撞和障碍物之间发生的碰撞，另外是两种碰撞侧面的形式。在轿车发生交通事故过程当中，轿车侧面发生碰撞在很大程度上对车内乘员人身伤害会造成很大影响。因此，对轿车侧面柱进行研究就显得非常有必要性。在对轿车发生碰撞之后产生的作用力经过深入分析之后就可以得出轿车侧面柱在发生碰撞之后对整个轿车车身的安全性结构产生的重要影响。经过研究分析，在进行轿车结构安全性设计时应该综合各方面影响因素，并且对轿车侧面发生碰撞之后的事故进行全面调查和分析，从而制定出来一套更加完整的预防人身安全的方案。

参考文献：

[1]唐涛.汽车侧围结构抗柱撞设计理论与方法研究[D].湖南大学,2016.

[2]李翼德.轿车侧面柱碰撞的耐撞性优化设计研究[D].湖南大学,2011.

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

[4]覃祯员.轿车侧面碰撞车身结构安全性和乘员损伤保护研究[D].湖南大学,2009.

[5]张永召.汽车车体多种载荷条件下侧面抗撞性研究[D].吉林大学,2007.