环境污染和能源消耗已经成为当今世界亟待解决的社会问题，通过车身轻量化降低汽车质量是一种降低汽车油耗的有效手段，车身轻量化是目前汽车工业的重要发展方向。
而另一方面，随着汽车保有量和驾驶员数量的剧增，以及路况复杂多样、城乡环境差异大等问题，对车辆自身的安全性能以及驾驶员和公众的交通安全意识提出了更高的要求，并且更为严苛的 C-NCAP（中国新车评价规程）管理规则已开始实施。
为了促进汽车企业开发出更高安全标准的新车型，NCAP 要求在市场上可购买到的新车型按照更严格和更全面的标准进行碰撞安全性能测试，评价结果按星级划分，从而能有效的减少安全事故的发生及损失。在保证车身安全性能的前提下进行轻量化设计是新车型开发过程中的主要任务，结合新车型轻量化需求，本文将 A 柱加强板、车身前纵梁内外板进行材料质量降低及强度升级，参考 C-NCAP 50 km/h 正面 100%重叠刚性墙碰撞要求，应用 ABAQUS 软件对白车身进行正面碰撞分析。获取各参考点的碰撞分析结果，对比优化材料前后的碰撞分析结果，利用有限元分析数据，为白车身轻量化设计及安全性能分析提供参考。
2 有限元模型建立
准确的白车身有限元模型是保证分析结果正确的前提。有限元模型的建立包括几何建模、网格划分、材料赋予、载荷施加等。图 1 为新车型的正面碰撞仿真分析数模，其中模型质量为 307.9 kg，单位制采取 mm、TON、s、N、MPa。其中组件数量为296个，节点数量为553 354个，网格数量为 498 793 个，网格基本尺寸 10 mm。焊点为 Hexa 多边形焊点，焊缝采用二维面网格焊缝，REB2刚性螺栓。
图 1 白车身的正面碰撞仿真分析数模
3 轻量化材料
针对新车型进行车身轻量化优化，选取部分零部件进行材料升级替换。分别选取保险杠横梁、前纵梁内外板、A 柱加强板，见图 2，新车型的 A 柱的原始材料为 HC340LA，厚度为 1.8 mm，优化材料为热成形钢 PHS1500，厚度为 1.2 mm；前纵梁内外板原始材料为 B410LA，厚度 2.0 为 mm，优化材料为 DP780，厚度 1.5 为 mm；保险杠横梁的原始材料为 QSTE500TM，厚度 2.5 为 mm，优化材料为 QP980，厚度为 2 mm；零件优化前后质量对比见表 1。
图 2 材料升级零件示意
表 1 零件优化质量对比
实验室中利用 Zwick 100 kN 电子拉伸试验机测得6 种材料的基本力学参数见表 2。
表 2 单向拉伸力学性能指标测试值
4 材料正碰优化
依据 C-NCAP（2018 版）管理规则，正面碰撞速度 50 km/h，设置刚性地面和刚性壁障，接触方式为*Surface-to-Surface contact。设定边界条件和求解控制参数后，导入到 ABAQUS 软件中进行求解。用Hyperview 和HyperGraph 后处理器分别对材料优化前后的整车的正面碰撞情况进行分析，从整车能量变化曲线、加速度曲线、部件侵入量对整体进行评价。
4.1 可信性验证
计算的仿真模型需进行可信性分析，确认计算结果是否具备使用价值。本文的考察重点为计算过程中的能量变化和沙漏能占比。
白车身结构质量增量如图 3 所示，最大质量增量为 4.6%，且质量增量稳定，因此模型质量增量检验合格。碰撞过程中能量变化是评判仿真结果是否可信的重要依据。白车身结构在碰撞过程中的动能、内能、沙漏能和总能量曲线如图 4 所示。图 4 表明，在碰撞过程中满足能量守恒定律，白车身零部件系统的动能与内能相互转化，沙漏能的变化较小。能量曲线无异常，总能量守恒，动能转换为白车身势能的过程曲线平滑无缺陷，沙漏能占比低于 3%，表明计算结果具备可信性。
图 3 质量增量
图 4 碰撞能量曲线
4.2 加速度曲线
对乘员来说受到的力与加速度呈正相关，因此正碰过程中需考察整车的加速度。为充分地反映出整车的加速度变化情况，选取 B 柱下方的某个点作为整车加速度计算点。B 柱下端参考点加速度曲线如图 5 所示，在正面碰撞过程中原始参考点最大加速度为 71.3 g，优化材料后最大加速度为 63.9 g，B 柱加速度有了显著降低，这是因为前保横梁及前纵梁优化后选料强度更高，因此在变形过程中吸收能量更加充分。
图 5 B 柱下端考察点加速度曲线
4.3 入侵量
对于汽车碰撞仿真和试验来说，车身变形量的大小反映了车体被损坏的程度与车身的抗碰撞能力。在整车正面碰撞过程中，考虑到乘员舱的被动安全，需重点关注的部件为 A 柱以及前围板。
选择碰撞左侧 A 柱加强板上的点作为测点，以 B柱上相应位置作为参考对象，测量 A 柱加强板入侵量，如图 6 所示，在正面碰撞过程中 A 柱加强板随着时间推移开始入侵乘员舱，并在 0.049 s 时入侵量达到最大值，随后车身结构产生回弹，A 柱侵入量减小。A 柱加强板材料优化后入侵量降低 8.97%，优化效果明显。
图 6 A 柱加强板考察点侵入量曲线
同时，前排驾驶员与乘客的腿部需依靠前围板进行保护，因此选取驾驶员腿部及足部区域为参考点，前围板入侵量曲线如图 7 所示，可以看出将原有材料优化后目标车型对应驾驶员腿部，脚上部及脚下部的前围板部分侵入量有所降低，降幅分别为 15.9%、9.9%、8.8%，因此优化后的白车身碰撞安全性更佳。
(a)优化前
(b)优化后
图 7 前围板入侵量曲线
综上所述，零件轻量化前后结构耐撞性变化表见表 3，材料优化后的正碰性能大幅提高。
表 3 材料优化前后耐撞性变化表
4 结束语
以新车型为例，建立了正面碰撞的有限元分析模型，并进行了模型的可信性验证，分析结果表明：
a.正碰模型的最大质量增量为 4.6%，沙漏能占比低于 3%，表明计算结果具备可信性。
b. A 柱加强板热成形钢 PHS1500 替代传统高强钢、前纵梁内外板使用 DP780 替代 B410LA、保险杠横梁使用 QP980 替代 QSTE500TM 后，入侵量降低 8.97%，优化效果明显。前围板部分各参考点的侵入量有所降低，降幅分别为 15.9%、9.9%、8.8%，因此优化后的白车身碰撞安全性更佳。
c.优化后总质量降低 6.224 kg，既达到轻量化目的，又能够有效提高白车身碰撞安全性。
资料来源：达索官方
