某輕型卡車(chē)正面A柱撞擊仿真與改進(jìn)

王良模，陳東益，鄒小俊，張湯赟，張遵智

(1.南京理工大學(xué)機(jī)械工程學(xué)院，江蘇南京210094;2.南京依維柯汽車(chē)有限公司，江蘇南京210028)

隨著我國(guó)汽車(chē)工業(yè)的迅速發(fā)展，商用車(chē)的產(chǎn)銷(xiāo)量不斷提高，但安全性能明顯落后.歐美以及日本等國(guó)的商用車(chē)碰撞事故統(tǒng)計(jì)結(jié)果顯示:傷亡最重的事故為正面碰撞和滾翻，導(dǎo)致乘員傷亡的主要原因就是駕駛室結(jié)構(gòu)強(qiáng)度較差，在沖擊和擠壓的作用下，駕駛室結(jié)構(gòu)被壓潰，無(wú)法保證乘員生存空間［1］.

國(guó)外很多汽車(chē)廠商和研究機(jī)構(gòu)對(duì)商用車(chē)碰撞安全性研究中的建模方法、生存空間檢驗(yàn)以及駕駛室結(jié)構(gòu)改進(jìn)等方面進(jìn)行了大量的研究［2-5］.近年來(lái)，國(guó)內(nèi)基于ECER29等碰撞標(biāo)準(zhǔn)也開(kāi)展了相關(guān)的研究，如王登峰等［6］按ECE R29-02進(jìn)行了商用車(chē)駕駛室頂蓋準(zhǔn)靜壓和正面擺錘動(dòng)態(tài)撞擊試驗(yàn)仿真分析和改進(jìn)，并通過(guò)實(shí)車(chē)試驗(yàn)驗(yàn)證了改進(jìn)方案.陸善彬等［7］對(duì)某商用車(chē)駕駛室進(jìn)行ECE R29碰撞仿真，發(fā)現(xiàn)最小生存空間小于碰撞完成后的生存空間，提出了利用碰撞過(guò)程中的最小生存空間來(lái)進(jìn)行生存空間評(píng)價(jià).筆者以某輕型卡車(chē)為研究對(duì)象，對(duì)駕駛室進(jìn)行模態(tài)分析和整車(chē)100%正面碰撞仿真分析和試驗(yàn)研究，同時(shí)，參照 ECE R29-03 標(biāo)準(zhǔn)［8］，提出減小碰撞能量的方法，進(jìn)行正面A柱擺錘撞擊試驗(yàn)仿真分析，以提升該車(chē)的碰撞安全性.

1 有限元模型建立

1.1 網(wǎng)格劃分

輕卡駕駛室由大面積的鈑金件組成，各零件之間通過(guò)焊接、鉚接等方式進(jìn)行連接.因此，以四邊形殼單元為主，允許少量三角形單元，對(duì)駕駛室進(jìn)行離散化.在碰撞仿真分析中，采用顯式積分法，求解時(shí)間決定于模型的最小時(shí)間步，故確定單元的尺寸為10 mm，最小為3 mm［9］.利用批處理網(wǎng)格劃分軟件Batchmesher，根據(jù)設(shè)置好的網(wǎng)格標(biāo)準(zhǔn)，對(duì)車(chē)身鈑金件進(jìn)行網(wǎng)格劃分，并利用Hypermesh進(jìn)行網(wǎng)格修正，最終整車(chē)模型包括537 348個(gè)四邊形單元和17 115個(gè)三角形單元，其中三角形單元比例為2.9%.

1.2 材料選擇

在整車(chē)模型中，用36號(hào)彈塑性分段線性材料模型，設(shè)置線性部分的彈性模量、密度和泊松比;非線性部分導(dǎo)入不同應(yīng)變率下的高速拉伸試驗(yàn)真實(shí)應(yīng)力-應(yīng)變曲線.對(duì)于風(fēng)窗玻璃，使用27號(hào)脆性材料模型，除線性參數(shù)外，設(shè)置塑性應(yīng)變失效，以模擬碰撞過(guò)程中玻璃的碎裂［10］.以冷軋低碳鋼 DC03為例，其線性部分參數(shù):彈性模量為210 GPa，密度為7.89 ×10-6kg·mm-3，泊松比為 0.3.圖 1 為其不同應(yīng)變率下的塑性應(yīng)力-應(yīng)變曲線.

圖1 DC03不同應(yīng)變率下塑性應(yīng)力-應(yīng)變曲線

1.3 焊接及其他連接方式模擬

在整車(chē)模型中，使用截面直徑為6 mm的彈塑性梁?jiǎn)卧O(shè)置其6向剛度，對(duì)焊接進(jìn)行模擬，駕駛室焊點(diǎn)數(shù)目為3 756個(gè)［11］.對(duì)于螺栓連接與鉚接，使用一維剛性單元rbe2進(jìn)行模擬.對(duì)于前擋風(fēng)玻璃與車(chē)身的膠粘使用實(shí)體單元模擬，并融合兩側(cè)節(jié)點(diǎn).

1.4 接觸處理

在本次碰撞分析中，采用Type7通用型點(diǎn)對(duì)面接觸，模型中的主要接觸對(duì)有2對(duì):整車(chē)自接觸以及擺錘與駕駛室接觸.其間隙值在指定范圍內(nèi)變化，為0.7～0.8 mm;使用的摩擦力方程為庫(kù)倫摩擦法則，摩擦因數(shù)為0.2，并調(diào)整網(wǎng)格消除初始穿透與干涉.

2 駕駛室試驗(yàn)?zāi)B(tài)與仿真模態(tài)研究

為驗(yàn)證駕駛室模型的準(zhǔn)確性，進(jìn)行了試驗(yàn)?zāi)B(tài)與仿真模態(tài)研究.根據(jù)模態(tài)試驗(yàn)要求，去掉駕駛室模型的翼子板、發(fā)動(dòng)機(jī)艙蓋板、前大燈支撐架和風(fēng)窗玻璃等零件，并將點(diǎn)焊彈塑性梁?jiǎn)卧鎿Q為acm單元.最終駕駛室模型共有單元307 031個(gè)，節(jié)點(diǎn)數(shù)為317 951個(gè)，總質(zhì)量為164.8 kg，試驗(yàn)時(shí)駕駛室采用懸吊安裝，模擬自由-自由邊界條件［12］.駕駛室模態(tài)結(jié)果對(duì)比如表1所示，兩者具有較好的一致性.

表1 駕駛室模態(tài)結(jié)果對(duì)比

3 100%正面碰撞分析驗(yàn)證

根據(jù)《汽車(chē)正面碰撞的乘員保護(hù)(征求意見(jiàn)稿)》標(biāo)準(zhǔn)的要求，對(duì)該車(chē)進(jìn)行50 km·h-1正面100%碰撞仿真.正面碰撞試驗(yàn)結(jié)果與仿真結(jié)果的比較如圖2所示，車(chē)身前部引擎蓋與翼子板變形情況基本吻合，前擋風(fēng)玻璃沒(méi)有破裂，車(chē)門(mén)基本沒(méi)有變形，生存空間足夠，該車(chē)順利通過(guò)了正面碰撞試驗(yàn).同時(shí)，證明了整車(chē)有限元模型的準(zhǔn)確性，為進(jìn)行正面A柱撞擊仿真建立了一個(gè)可靠的基礎(chǔ).

圖2 試驗(yàn)結(jié)果與仿真結(jié)果比較

4 正面A柱擺錘撞擊仿真

4.1 試驗(yàn)方法

ECE R29-03標(biāo)準(zhǔn)中對(duì)于最大允許質(zhì)量大于7 500 kg的N2與N3類(lèi)車(chē)型增加了正面A柱擺錘撞擊試驗(yàn)，而對(duì)于最大允許質(zhì)量小于7 500 kg的N2與N1類(lèi)車(chē)型不需要進(jìn)行此項(xiàng)試驗(yàn).此項(xiàng)試驗(yàn)是考察車(chē)輛發(fā)生90°側(cè)翻后撞擊到樹(shù)或防欄桿等圓柱物導(dǎo)致A柱變形，對(duì)乘員生存空間的影響［13］.

為了更全面地檢驗(yàn)輕型卡車(chē)的碰撞安全性能，參照ECE R29-03標(biāo)準(zhǔn)，對(duì)輕型卡車(chē)進(jìn)行正面A柱擺錘撞擊試驗(yàn).由于ECE R29-03中正面A柱擺錘撞擊的能量為29.4 kJ，這是針對(duì)最大允許質(zhì)量大于7 500 kg的車(chē)型所確定的.為了確定合適的撞擊能量，參考ECE R29-02與ECE R29-03標(biāo)準(zhǔn)中正面擺錘撞擊試驗(yàn)中，最大允許質(zhì)量小于7 500 kg與大于7 500 kg的撞擊能量比例分別為0.67與0.53，為更嚴(yán)格地考驗(yàn)輕型卡車(chē)，故選取比例值為0.67，即撞擊能量為19.6 kJ.

利用殼單元模擬擺錘，使用rbe2單元連接擺錘模型所有節(jié)點(diǎn)，在主節(jié)點(diǎn)上附加集中質(zhì)量，使擺錘質(zhì)量達(dá)到1 000 kg，求得擺錘的角速度為1.787 rad·s-1時(shí)，直徑為600 mm，長(zhǎng)度為2 500 mm，懸掛高度為3 500 mm，懸掛寬度為1 000 mm，約束擺錘懸掛橫梁除軸向轉(zhuǎn)動(dòng)外的其他5個(gè)自由度.

4.2 正面A柱擺錘撞擊仿真結(jié)果

正面A柱擺錘撞擊仿真使用求解器為RADIOSS，設(shè)置強(qiáng)制時(shí)間步為5×10-7s，整車(chē)質(zhì)量變化為1.16%，能量變化為24.70%，沙漏能比例小于1.00%.下面將分別從整體能量變化、整車(chē)變形以及生存空間方面進(jìn)行分析.

正面A柱擺錘撞擊仿真如圖3，4所示，在162 ms時(shí)，系統(tǒng)的內(nèi)能達(dá)到最大，駕駛室最大動(dòng)態(tài)變形為307.3 mm.在240 ms時(shí)，系統(tǒng)中的動(dòng)能與內(nèi)能保持穩(wěn)定，回彈完成后最大變形為260.1 mm，故認(rèn)為檢驗(yàn)碰撞過(guò)程中最小生存空間的方法更能保證乘員的安全.

圖3 正面A柱擺錘撞擊仿真能量變化圖

圖4 正面A柱擺錘撞擊仿真駕駛室變形圖

在162 ms時(shí)，整車(chē)變形最大，將五十百分位男性假人模型導(dǎo)入此時(shí)刻整車(chē)模型檢驗(yàn)生存空間，使假人與座位貼合.發(fā)現(xiàn)方向盤(pán)與假人腿部發(fā)生接觸，轉(zhuǎn)向管柱與膝部發(fā)生接觸，生存空間無(wú)法滿(mǎn)足要求，該車(chē)不能通過(guò)正面A柱碰撞試驗(yàn).

5 駕駛室結(jié)構(gòu)改進(jìn)設(shè)計(jì)

碰撞仿真結(jié)果表明:原車(chē)在正面A柱擺錘試驗(yàn)中假人觸碰駕駛室內(nèi)非彈性零件，所留生存空間不足，且駕駛室被完全壓潰損壞，無(wú)法保護(hù)乘員安全.對(duì)駕駛室結(jié)構(gòu)進(jìn)行了改進(jìn)，使改進(jìn)后車(chē)型能夠順利通過(guò)正面A柱擺錘撞擊試驗(yàn).

5.1 結(jié)構(gòu)改進(jìn)方案

觀察碰撞過(guò)程中駕駛室各零件的變形情況可以發(fā)現(xiàn)較嚴(yán)重的變形3處:第1處是A柱，其直接與擺錘接觸，在162 ms時(shí)A柱在碰撞過(guò)程中塌陷嚴(yán)重，最大x向動(dòng)態(tài)變形為288.9 mm，且最大變形位于A柱中部，而與頂蓋連接的部分x向動(dòng)態(tài)變形為260 mm左右，無(wú)法有效地將能量由頂蓋傳遞到后圍與地板部分吸收;第2處是后圍橫梁部分，其中部最大x向動(dòng)態(tài)變形為307.3 mm，且凹陷明顯，但同時(shí)后圍縱梁并沒(méi)有明顯變形，橫梁早于縱梁被壓潰，在橫梁壓潰后不能充分發(fā)揮縱梁的吸能作用;第3處是后圍與B柱以及地板橫梁的連接部分，后圍板中部最大x向動(dòng)態(tài)變形為295.9 mm，且變形趨勢(shì)整體過(guò)渡不均勻，兩側(cè)底部偏弱.針對(duì)上述問(wèn)題，在A柱內(nèi)填充結(jié)構(gòu)泡沫，材料為陶氏化學(xué)生產(chǎn)的雙組分聚氨酯，密度為384 kg·m-3，壓縮模量為85 MPa，泊松比為0.35［14］，從而提高A柱的抗撞性，所處的位置為與擺錘接觸且變形較大的部分.另外，在后圍兩側(cè)各添加1條縱梁與橫梁，使整個(gè)后圍構(gòu)成一個(gè)完整封閉的框架，板厚為1.0 mm;在橫梁中部添加1塊加強(qiáng)板，范圍覆蓋凹陷較嚴(yán)重部分，板厚為1.2 mm.使用材料均為屈服強(qiáng)度340 MPa的HSA340.

5.2 改進(jìn)后正面A柱擺錘撞擊仿真

改進(jìn)前后能量變化比較如圖5所示，改進(jìn)方案內(nèi)能達(dá)到最大值的時(shí)間為151 ms，而原方案為162 ms，相比減少11 ms，說(shuō)明改進(jìn)方案的吸能速度更快.另外在40 ms時(shí)，改進(jìn)方案的內(nèi)能上升速度明顯加快，此時(shí)正是A柱與擺錘接觸的時(shí)刻，說(shuō)明A柱內(nèi)結(jié)構(gòu)泡沫的存在對(duì)A柱吸能速度的提升有較好效果.同時(shí)，在240 ms時(shí)，改進(jìn)方案的內(nèi)能總量小于原方案的內(nèi)能總量，說(shuō)明改進(jìn)方案在碰撞過(guò)程中的接觸摩擦更大，更多的駕駛室零件對(duì)吸能做出了貢獻(xiàn).

圖5 改進(jìn)前后能量變化比較

改進(jìn)前后駕駛室變形比較如圖6所示，改進(jìn)方案整車(chē)最大變形為259.2 mm，而原方案整車(chē)最大變形為 307.3 mm，相比減少 48.1 mm.

圖6 改進(jìn)前后駕駛室變形比較

改進(jìn)前后A柱變形比較如圖7所示，改進(jìn)方案A柱保持較完整，并沒(méi)有像原方案一樣被壓潰.改進(jìn)方案最大變形為252.1 mm，而原方案最大變形為288.6 mm，相比減少36.5 mm，且改進(jìn)方案 A 柱變形階梯狀分布明顯，能夠更好地將撞擊能量由頂蓋傳遞到后圍及地板.

圖7 改進(jìn)前后A柱變形比較

比較后圍橫梁變形可得出:改進(jìn)方案的后圍橫梁由于內(nèi)加強(qiáng)板的存在，最大變形為278.5 mm，而原方案為307.3 mm，減少了28.8 mm，且改進(jìn)方案橫梁與縱梁變形均勻，能夠更好地將撞擊力量傳遞到后圍及地板.

比較后圍與B柱以及地板橫梁連接處變形得出:改進(jìn)方案后圍板最大變形為249.4 mm，而原方案為295.9 mm，減小了 46.5 mm，改進(jìn)方案后圍板與加強(qiáng)梁變形均勻，能量吸收均勻.

將假人模型導(dǎo)入151 ms時(shí)整車(chē)模型，測(cè)得方向盤(pán)與假人胸部最近距離L1為64.3 mm，方向盤(pán)與腿部最近距離L2為12.3 mm，轉(zhuǎn)向管柱與膝蓋最近距離L3為28.9 mm，頂蓋與頭部最近距離L4為161.8 mm.初始狀態(tài)時(shí)，L1，L2，L3，L4分別為 201.9，99.1，165.7，230.4 mm.由此可以看出:改進(jìn)方案雖然通過(guò)了正面A柱碰撞試驗(yàn)，但是在最大動(dòng)態(tài)變形時(shí)刻假人所留生存空間較少.

最終原方案整車(chē)內(nèi)能為13.329 kJ，改進(jìn)方案內(nèi)能為12.515 kJ.由表2可以看出:地板對(duì)內(nèi)能的吸收作用最大，原方案占總內(nèi)能比為19.98%，改進(jìn)后為19.47%，其次是A柱，原方案內(nèi)能占總內(nèi)能比為16.32%，改進(jìn)后為17.38%.后圍對(duì)能量的吸收也起了較大的作用，其吸能比分別達(dá)到了10.09%和8.53%.

表2 改進(jìn)前后各部件吸能比較 %

綜上所述，改進(jìn)方案中主要零件的吸能比與原方案基本持平，而改進(jìn)方案的變形普遍比原方案小，說(shuō)明駕駛室內(nèi)各零件能量吸收的分布更加均勻，而不像原方案中某些零件嚴(yán)重變形從而吸收能量.

6 結(jié)論

1)卡車(chē)駕駛室的試驗(yàn)?zāi)B(tài)和仿真模態(tài)具有較好的一致性，有限元模型精度較高.

2)整車(chē)100%正面碰撞仿真與正面碰撞試驗(yàn)結(jié)果表明:車(chē)身前部引擎蓋與翼子板變形情況基本吻合，前擋風(fēng)玻璃沒(méi)有破裂，車(chē)門(mén)基本沒(méi)有變形，生存空間足夠，該車(chē)順利通過(guò)了正面碰撞試驗(yàn).

3)參照ECE R29-03標(biāo)準(zhǔn)，提出了輕型卡車(chē)正面A柱擺錘撞擊仿真方法，并進(jìn)行了正面A柱擺錘撞擊試驗(yàn)仿真分析，發(fā)現(xiàn)假人觸碰駕駛室內(nèi)非彈性零件，不滿(mǎn)足生存空間要求.

4)采取在A柱填充結(jié)構(gòu)泡沫、增加后圍加強(qiáng)梁和后圍橫梁加強(qiáng)板等改進(jìn)措施，改進(jìn)后正面A柱擺錘撞擊仿真結(jié)果表明:駕駛室生存空間滿(mǎn)足要求，整體結(jié)構(gòu)剛度得到加強(qiáng)，優(yōu)化了力的傳遞路徑，各零件對(duì)碰撞能量的吸收更充分更均勻，提高了整車(chē)抗撞性.

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