42-力帆520偏置碰撞的计算机仿真与结构改进
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力帆 520 偏置碰撞的计算机仿真与结构改进
刘静 索小争 胡玉梅
重庆大学机械传动国家重点实验室 重庆 400030
李青峰 伍奎 陈明珠
重庆力帆乘用车有限公司 重庆 401122
摘要：针对力帆 520 轿车偏置碰撞成绩不理想、车身变形大的问题，采用 CAE 仿真技术，建立了整车偏置碰撞
有限元模型，并按照 C—NCAP 的要求进行了整车偏置碰撞试验的数值仿真，仿真结果与试验结果吻合的较好。根据
仿真计算结果，寻找到问题的真正原因，对纵梁等结构进行了改进，改善了该车前部的吸能能力，保证了乘员空间
的完整。国外权威机构的测试检验表明，改进后力帆 520 轿车偏置碰撞的得分成绩良好，车身变形令人满意。
主题词: 车身 偏置碰撞 计算机仿真 改进设计
The Computer Simulation and Improvement of
LIFAN520 Offset Crash Performance
Liu Jing, Suo Xiaozheng, HU Yumei
The State Key Laboratory of Mechanical Transmission chongqing 400030
Li Qingfeng, Wu Kui, Chen Mingzhu
LI Fan Automotive Company chongqing 401122
Abstract: On account of the un-satisfied offset crash results and the problem of large body deformation of LiFan520, the
complete 40% frontal offset crash finite element model of the car was built using the CAE simulation technique, and the
simulation, which according to the regulations of C-NCAP, was carried out, the simulation results were in good agreement
with the experiment data. Based on the simulation results, the critical reason was found, several improvements of structure
such as longitudinal beam were made out, which improved the energy absorbing ability and ensured the space of passengers.
The test of foreign authoritative institution indicated that the 40% offset crash performance of improved structure was great,
and the deformation of body was satisfying.
1、前言
随着汽车工业的迅速发展，汽车车速的日益
提高，汽车交通事故也越来越多，已经成为制约
汽车产业发展的三大主题之一。在汽车交通事故
中，正面碰撞发生的几率最大，大约占汽车碰撞
的40%[1]，在汽车的正面碰撞中又以偏置碰撞（接
触面积在 30%～70%）所占比率最大 [2]。因此，
研究汽车偏置碰撞安全性能有着重要的现实意
义。特别是随着我国偏置碰撞法规的颁布和国内
C-NCAP、出口车 E-NCAP 的日趋火热，给自主研
发的汽车企业带来了严峻的挑战。
由力帆乘用车有限公司自主研发的力帆
520 轿车，在进行国内 56km/h 偏置碰撞的试验
中，成绩不理想，车身前围变形大，可以推测，
更不能胜任欧洲 E-NCAP64km/h 的偏置碰撞。然
而，力帆 520 在海外有广阔的市场，因此，如何
提高和改善该车偏置碰撞的性能，成为困惑公司
的关键技术难题。
虽然汽车碰撞试验是目前普遍认为最准确
可靠的研究方法，但这种试验是破坏性的试验，
不具有可重复性，且试验费用昂贵，设计与开发
周期长。针对这一问题，本文基于 CAE 仿真技
术再现了力帆 520 轿车进行国内 56km/h 偏置碰
撞的试验的情况，找到了偏置碰撞性能不理想的
主要原因，提出了切实可行的改进方法，极大的
提高了力帆 520 轿车偏置碰撞的性能。
基于 CAE 仿真技术的轿车偏置碰撞性能优
化研究可分为两个部分：原始结构仿真模型的校
验和偏置碰撞性能优化。原始结构仿真模型的有
效性要通过整车的碰撞实验来校验，通过完善结
构仿真模型，使仿真结果与实验结果在一定程度
上达到一致。然后，以提高整车的偏置碰撞性能
为目标对该车的偏置碰撞吸能结构的关键部件
进行修改和微调，通过计算机仿真评价其改进效
果。这样可在较短的时间内给出多个方案并进行
2
对比研究，加强或减弱某些结构的强度，以增强
其对碰撞能量的吸收能力，从而使整车的变形和
对人体的保护达到满意的程度。
2、整车有限元模型的建立
本文采用 ANSA 作为前处理有限元软件，直
接读入 UG 完成的 CAD 模型进行网格划分。整车
模型主要结构包括白车身、副车架、前后车门、
悬架、转向机构、发动机、车轮总成、散热器总
成等主结构。其中发动机、油箱和车轮轮毂考虑
为刚体。悬架考虑为刚度一致的弹簧单元。最后
的整车有限元模型约 57 万单元，如图 1 所示。
为了保证分析结果的精度，整车采用 12mm
网格，局部比较复杂的结构及翻边采用不小于
5mm 的网格。有限元网格以四边形壳单元为主，
三角形壳单元占单元总数的 4.4%(满足通用的
有限元网格划分要求)，以及少数体网格，严格
保证所有单元的质量要求，包括长宽比、雅可比、
倾斜度、翘曲度、锥度、单元内角。
车身连接主要采用点焊连接，且部位非常
多，鉴于没有相应的点焊强度实验数据作为分析
的边界条件，根据长期的实践经验和相关文献参
考，采用梁单元 BEAM9 来模拟点焊连接，车门
和车身、车轮和车桥、转向机构、发动机罩与车
身采用铰链连接，门锁固定。
座椅采用泡沫材料，仪表板采用塑料材料。
车身钢板材料采用多线性弹塑性材料，材料参数
定义密度、弹性模量、泊松比、屈服应力以及有
效应力应变曲线。轮胎的材料考虑为橡胶并在内
胎位置设置气压与实际一致的气囊。可变形壁障
为可压缩的蜂窝铝块，用六面体实体单元离散，
材料为 MODIFIED_HONEYCOMB 材料。可变
形壁障放置在驾驶员一侧，与汽车前端接触面积
为车身的 40%。路面采用刚性墙。
3、模型校验
基于建立的整车模型，利用 LS-DYNA 软
件，根据 C—NCAP 的要求，以 56km/h 的速度
正面碰撞可变形壁障，在双 Xeon 8 核 CPU 服务
器上耗时 24 完成了对该轿车的计算仿真模拟。
整车仿真结构变形如图 2（a）所示，图
2（b）为整车碰撞试验的变形结果，可见在 A
柱、车门、B 柱上端以及发动机罩的变形与碰撞
试验的整车变形结构基本吻合。
仿真计算 B 柱加速度（测量点与碰撞试验
测量的点相同）如图 3（a）所示，图 3（b）为
试验测得的 B 柱加速度，B 柱加速度的仿真最大
值为 33g，碰撞试验的最大值为 31.8g，仿真值
与试验值相差只有 1.2g，误差百分比 3.77%，满
足工程要求。
图 4（a）为仿真计算的驾驶室关键点（前
围上的点为假人脚的放置点，驾驶室地板的点为
正对座椅正中的点，该两点的变形影响假人下肢
的损伤）的变形，图 4（b）为整车碰撞试验驾
驶室该关键点的位置，碰撞结束后仿真值为
60mm，试验值为 54mm，误差百分比 11.1%。
由此可见仿真计算和试验结果吻合较好，证
明了该模型的可靠性。可以在此基础上进一步进
行该车结构改进设计。
图 1 整车有限元模型
(a) 整车碰撞仿真 (b) 整车碰撞试验
图 2 整车碰撞仿真和试验比较
（a） B柱加速度曲线（仿真值）
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4、整车结构改进与仿真
通过仿真和试验结果分析，发现原车结构存
在以下不足：一是前横梁下靠前、下偏，导致前
纵梁在偏置碰中，严重向下弯曲，吸能量严重不
足，把载荷转移给后面的结构；二是前纵梁的诱
导槽安排太稀疏，导致折叠变形不理想，吸能量
不足，也把载荷转移给后面的结构；三是驾驶室
下方的纵梁强度与刚度不足，导致驾驶室变形
大。
针对上述的问题，对原车的吸能结构进行了
改进设计，经多方案比较，发现采用以下措施能
取得比较好的改进效果：（1） 改变原来纵梁的
诱导槽布置位置，以改善纵梁的变形，提高其吸
能效果；（2） 加强驾驶室下方纵梁的刚度，保
证驾驶员的空间不变形。
为了考虑该车国外销售的需要，对改进设计
的模型施加 64km/h 的速度，其它边界条件与原
车相同。改进结构的整车碰撞仿真变形如图 5
所示，A、B 柱基本保持不变形，整个驾驶室的
形状保持完好，整车的发动机仓变形较好，保证
了驾驶室的完整性，使驾驶员和乘员的空间得到
了保证，提高了乘员的安全性。
（b） B柱加速度曲线（试验值）
图 3 B 柱加速度曲线仿真与试验比较
图 6 优化后结构的 B 柱加速度曲线（仿真值）
图 7 优化后整车碰撞驾驶室关键点的变形（仿真）
(a) 整车碰撞仿真
(b) 整车碰撞试验
图 4 整车碰撞仿真和试验驾驶室关键点的变形
图 5 优化后整车碰撞变形（仿真）
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B 柱加速度仿真值如图 6 所示，曲线在峰值
之前的值较原结构有明显的提高，证明汽车前部
的吸能效果明显，进而保证了汽车的降低，优化
后的 B 柱在 64km/h 偏置碰撞中的加速度峰值为
38g；驾驶室关键点的变形如图 7 所示，改进后
结构的最大变形为 53mm，可见前围的变形较原
结构明显改善，有利的保证了驾驶员和乘员的安
全。由此可见，优化后结构的保证了 B 柱加速
度峰值在较低水平的同时，还保证了整个驾驶室
的完整性，对人员的安全形成了有利的保护，证
明优化结构达到了预期的目标。
5、试验验证
根据优化结果，对原车的吸能结构进行了改
进，国外权威机构对该车进行了 64km/h 偏置碰
撞试验，整车碰撞试验的变形结果如图 8 所示，
由图可见，优化后的整车变形良好，A、B、C
柱均保持完好，驾驶室基本不变形，并且与该速
度下的仿真结果（图 5）非常一致，说明基于
CAE 仿真结果所提出的改进方案是十分有效
的，该车在偏置碰撞中获得了 12.5 分的好成绩，
B 柱加速度峰值也较低。
6、结论
通过上述分析研究，可得出以下结论：
（1）基于 CAE 仿真技术，进行吸能结构的
优化，对于改善轿车偏置碰撞的被动安全性有明
显效果，可以取代大部分实验，节约人力、物力
和时间；
（2）本文中仿真结果与碰撞试验结果吻和
较好，证明了所建立的有限元模型的正确性和其
计算结果的可靠性；
（3）与实验相比，通过计算机仿真结果的
分析，更容易发现原结构的问题所在，为结构的
改进与优化指明了方向；
（4）基于 CAE 仿真技术，可以在短时间内
快速实现对多个改进方案的性能评价，从而以最
低的代价最快的速度找到性能好、制造成本低的
最佳改进措施。
参 考 文 献
[1] 王蠡，李宏光，赵航.现代汽车安全[M].北京：人民
交通出版社，1998.
[2] Saha N K, Calso S M, Asjad M U. Simulation of
frontal offset impacts and comparison of intrusions
and decelerations[J]. SAE Transaction,
SAE950647:1204-1220.
[3] 龚友,刘星荣,葛如海.小型客车整车正面碰撞分
析[J].江苏理工大学学报(自然科学版), 2000, 21
(3): 16-21.
[4] Pickett A K，Optimization of the Crashworthiness
of a Passenger Car Using Iterative Simulations SAE
931977 1993
[5] L.Castejonl. Energy Absorption Capability of
Composite Materials Applied to Automotive Crash
Absorbers Design. SAE 980964
[6] Kama1.M.M. Analysis and Simulation of
Vehicle to Barrier Impact. SAE Paper,700414
[7] 王宏雁,肖凡. 带乘员及约束系统汽车正面碰撞的
有限元法仿真研究. 安全与环境学报, 2004
[8] 胡玉梅，李晓红，邓兆祥等. 微型客车正面碰撞仿
真技术.重庆大学学报，2003 年 9 月,vol26,no.9
[9] 胡玉梅 邓兆祥 李晓红 王攀等，微型客车正面碰撞
计算机仿真时间与精度研究，汽车工程 2004 年 12 月，
vol26,no.6
[10] 孙弈，金先龙，张晓云，亓文果.整车-乘员集成系
统正面碰撞的计算机仿真.系统仿真学报，2004.9：
2040-2043
[11] 亓文果，金先龙，张晓云，孙弈.汽车车身碰撞性
能的有限元仿真与改进.上海交通大学学报，2005.9：
1452-1459
作者简介：胡玉梅，女，1964 年出生，教授，
工学博士，主要研究方向为汽车 CAE 与结构优化
设计及汽车被动安全技术。
图 8 优化后整车碰撞变形（试验）
42-力帆520偏置碰撞的计算机仿真与结构改进.pdf
