乘用車內(nèi)部凸出物碰撞安全性能研究

唐丙榮 禹慧麗 奠波 史方圓

（重慶長(zhǎng)安汽車股份有限公司，汽車噪聲振動(dòng)和安全技術(shù)國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，重慶 401120）

主題詞：乘用車 內(nèi)部凸出物 碰撞安全性 結(jié)構(gòu)優(yōu)化

1 前言

近年來(lái)，為滿足審美需求及適應(yīng)車輛智能化發(fā)展需要，汽車主機(jī)廠設(shè)計(jì)了豐富多樣的內(nèi)飾造型。根據(jù)GB 11552—2009《乘用車內(nèi)部凸出物》的規(guī)定，車輛內(nèi)部凸出物的碰撞加速度不應(yīng)超過限值，這對(duì)車輛內(nèi)飾結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)方式提出了更高的要求。相比于其他內(nèi)飾零件，儀表板和中控箱作為復(fù)雜的車輛子系統(tǒng)，上述問題最為突出。因此，本文重點(diǎn)研究如何合理設(shè)計(jì)和優(yōu)化儀表板和中控箱系統(tǒng)，從而保證碰撞加速度在限定范圍內(nèi)，通過理論推導(dǎo)、有限元仿真分析結(jié)合試驗(yàn)驗(yàn)證的方法，研究提高乘用車內(nèi)部凸出物碰撞安全性的有效方法。

2 內(nèi)部凸出物吸能性試驗(yàn)方法

GB 11552—2009《乘用車內(nèi)部凸出物》中的靜態(tài)試驗(yàn)法試驗(yàn)程序簡(jiǎn)單、成本低、周期短。靜態(tài)試驗(yàn)法采用剛性球頭對(duì)子系統(tǒng)進(jìn)行碰撞試驗(yàn)，具體方法如圖1所示[1]：當(dāng)擺錘撞擊方向與碰撞點(diǎn)表面法線間的夾角α≤5°時(shí)，試驗(yàn)中應(yīng)使擺錘撞擊中心運(yùn)動(dòng)軌跡切線與實(shí)際測(cè)量的運(yùn)動(dòng)方向重合，此時(shí)擺錘試驗(yàn)速度v=24.1 km/h；當(dāng)α＞5°時(shí)，試驗(yàn)中應(yīng)使擺錘撞擊中心運(yùn)動(dòng)軌跡切線與被測(cè)零件表面法線重合，此時(shí)擺錘試驗(yàn)速度v′=vcosα。試驗(yàn)結(jié)果評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)為：撞擊球頭3 ms 合成加速度不超過80g，并且經(jīng)主觀評(píng)價(jià)，碰撞后不產(chǎn)生任何對(duì)人體造成傷害的尖銳凸出物。

為測(cè)試內(nèi)部凸出物吸能性，碰撞試驗(yàn)點(diǎn)通常為頭部碰撞基準(zhǔn)區(qū)內(nèi)結(jié)構(gòu)強(qiáng)度高或易碎部位[1]，結(jié)構(gòu)強(qiáng)度太高會(huì)導(dǎo)致球頭加速度超標(biāo)，易碎部位會(huì)導(dǎo)致尖銳凸出物的產(chǎn)生，如副駕駛員安全氣囊蓋板及中控箱扶手蓋板位置的結(jié)構(gòu)強(qiáng)度通常非常高。本文選取頭部碰撞基準(zhǔn)區(qū)內(nèi)12個(gè)碰撞點(diǎn)，如圖2所示。

圖1 內(nèi)部凸出物吸能性試驗(yàn)示意

圖2 內(nèi)部凸出物吸能性試驗(yàn)碰撞點(diǎn)

3 理論模型的建立

圖3 和圖4 所示分別為典型的儀表板和中控箱結(jié)構(gòu)，二者撞擊風(fēng)險(xiǎn)點(diǎn)共同特征為：

a.碰撞傳力路徑上存在金屬支架，在發(fā)生碰撞時(shí)，此類金屬零件不易發(fā)生較大變形，吸收碰撞能量占比小[2]；

b.塑料零件在結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)時(shí)沒有充分考慮碰撞吸能性。

圖4 中控箱內(nèi)部結(jié)構(gòu)

為快速指導(dǎo)車體結(jié)構(gòu)的改進(jìn)，可將復(fù)雜的碰撞問題簡(jiǎn)化為基于集中質(zhì)量的動(dòng)力學(xué)模型[3]。本研究中車型的儀表板、中控箱系統(tǒng)可簡(jiǎn)化為單集中質(zhì)量的碰撞動(dòng)力學(xué)模型，如圖5 所示。圖5 中，M為球頭質(zhì)量，C為系統(tǒng)阻尼系數(shù)，P(t)為系統(tǒng)所受外力，k1、k2分別為獨(dú)立部分和與金屬零件空間重疊部分塑料零件的剛度系數(shù)，k3為金屬零件的剛度系數(shù)。

圖5 內(nèi)部凸出物碰撞動(dòng)力學(xué)理論模型

根據(jù)胡克定律，推導(dǎo)出彈簧系統(tǒng)等效剛度系數(shù)K為：

達(dá)朗貝爾動(dòng)力學(xué)原理為：

式中，U″、U′、U分別為撞擊球頭的加速度、速度、位移。

聯(lián)立式（1）和式（3）可得：

式中，t為球頭發(fā)射后某一時(shí)刻；t0為碰撞初始時(shí)刻；Δt為時(shí)間增量。

在瞬態(tài)響應(yīng)過程中，梁?jiǎn)卧?、板單元和板梁組合結(jié)構(gòu)阻尼對(duì)響應(yīng)的影響相當(dāng)小，不考慮阻尼可簡(jiǎn)化求解過程[3]，式（4）中速度項(xiàng)CU′忽略不計(jì)，則：

由式（6）可知，對(duì)于工程上受力較復(fù)雜的內(nèi)部凸出物碰撞點(diǎn)，即圖3 儀表板的4、5、6、11 號(hào)點(diǎn)和圖5 中控箱，|U″|隨著k1、k2、k3的減小而減小。

對(duì)于工程上受力較簡(jiǎn)單的碰撞點(diǎn)，即圖2儀表板的1、2、3、7～10、12 號(hào)點(diǎn)，因下方?jīng)]有車身金屬支架，故k2=k3=0，|U″|隨著k1的減小而減小。

4 內(nèi)部凸出物性能優(yōu)化

4.1 仿真模型的建立

基于GB 11552—2009 中描述的試驗(yàn)方法，采用前處理軟件HyperWorks 14.0搭建內(nèi)部凸出物仿真分析模型，包含車身、內(nèi)飾、擺錘，如圖6 所示。車身和擺錘部分的有限元網(wǎng)格尺寸為8 mm×8 mm，內(nèi)飾網(wǎng)格尺寸設(shè)為5 mm×5 mm，內(nèi)飾與車身的接觸采用自接觸算法模擬，擺錘與內(nèi)飾模型的接觸采用點(diǎn)面接觸算法模擬。

4.2 仿真模型精度分析

圖7 所示為儀表板仿真模型的加速度仿真結(jié)果與試驗(yàn)結(jié)果對(duì)比情況。仿真與試驗(yàn)的3 ms合成加速度分別為55.1g、56.5g，仿真計(jì)算誤差為2.5%，仿真與試驗(yàn)加速度曲線吻合度高。

圖6 儀表板和中控箱仿真分析模型

圖7 儀表板內(nèi)部凸出物分析模型加速度仿真結(jié)果

圖8 所示為中控箱仿真模型的加速度仿真結(jié)果與試驗(yàn)結(jié)果的對(duì)比情況。仿真與試驗(yàn)的3 ms合成加速度分別為82.3g、84.2g，仿真計(jì)算誤差為2.3%，仿真與試驗(yàn)加速度曲線基本吻合，模型可信。

圖8 中控箱內(nèi)部凸出物分析模型加速度仿真結(jié)果

4.3 優(yōu)化方案的制定

根據(jù)式（6），降低球頭加速度的關(guān)鍵是降低k1、k2、k3。因此制定如下結(jié)構(gòu)改進(jìn)方案：方案1，通過增加扶手高度降低系統(tǒng)整體剛度；方案2，通過降低主要吸能件料厚降低系統(tǒng)整體剛度（內(nèi)飾剛度的優(yōu)化被大量應(yīng)用于降低整車碰撞中假人頭部3 ms 加速度[4]）；方案3，通過優(yōu)化金屬支架的結(jié)構(gòu)和調(diào)整中控箱底部卡扣結(jié)構(gòu)降低系統(tǒng)整體剛度。結(jié)構(gòu)改進(jìn)方案如圖9、表1、圖10和表2所示，優(yōu)化結(jié)果如表3所示。

圖9 方案1

由表3 可知，3 個(gè)優(yōu)化方案均可明顯降低3 ms 合成加速度，優(yōu)化效果如圖11～圖13所示。

表1 方案2

圖10 方案3

表2 優(yōu)化方案匯總

表3 3 ms合成加速度優(yōu)化結(jié)果 g

圖11 方案1優(yōu)化效果

圖12 方案2優(yōu)化效果

圖13 方案3優(yōu)化效果

由圖11可知，扶手蓋板高度增加后，系統(tǒng)剛度明顯減小，扶手蓋板呈現(xiàn)更大變形，加速度降低效果明顯。由圖12和表3可知，通過對(duì)零件厚度減薄，達(dá)到了降低加速度的作用。由圖13 可知，中控箱底部區(qū)域的變形程度明顯增加，對(duì)儀表板部分，新的副駕駛員安全氣囊支架結(jié)構(gòu)允許發(fā)生更大的變形，加速度由89g降低至72g，滿足小于80g的目標(biāo)要求。

5 驗(yàn)證試驗(yàn)

根據(jù)表2，方案1需要通過修改造型降低扶手剛度，實(shí)施方案成本較高，副駕駛員安全氣囊的布置、儀表板的造型修改工作量巨大，本文暫不進(jìn)行相關(guān)優(yōu)化；方案2通過降低受力塑料零件的料厚降低其剛度，涉及整個(gè)塑料零件總成模具調(diào)整，成本較高；方案3 主要通過優(yōu)化金屬支架的結(jié)構(gòu)降低其剛度，成本較低，故采用方案3進(jìn)行實(shí)車驗(yàn)證。試驗(yàn)結(jié)果表明，采用方案3后，金屬支架發(fā)生向右傾斜變形，球頭加速度滿足國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)的要求，如圖14、圖15所示。

6 結(jié)束語(yǔ)

由理論推導(dǎo)、仿真及試驗(yàn)驗(yàn)證可知，中控箱扶手高度、內(nèi)飾塑料零件厚度、金屬支架的結(jié)構(gòu)形式對(duì)碰撞加速度均有較大影響。對(duì)塑料和金屬零件剛度進(jìn)行綜合考慮和優(yōu)化，可以達(dá)到降低碰撞加速度的目的，是經(jīng)濟(jì)而有效的手段。

圖14 優(yōu)化前、后中控箱支架變形對(duì)比

圖15 優(yōu)化前、后球頭加速度曲線

采用吸能性試驗(yàn)法優(yōu)化碰撞加速度并不是滿足內(nèi)部凸出物標(biāo)準(zhǔn)的唯一途徑，動(dòng)態(tài)試驗(yàn)法同樣可行。如何對(duì)約束系統(tǒng)參數(shù)、整車布置參數(shù)進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)，從而滿足內(nèi)部凸出物碰撞安全性能要求，有待進(jìn)一步展開研究。