某車型轉(zhuǎn)向機構(gòu)碰撞仿真建模方法

郝海舟，符 志

（中國汽車工程研究院 汽車安全技術(shù)中心，重慶 401122）

轉(zhuǎn)向機構(gòu)是汽車必備的關(guān)鍵系統(tǒng)之一，它的主要作用是通過接收駕駛員作用在轉(zhuǎn)向盤上的轉(zhuǎn)矩，將其傳遞到轉(zhuǎn)向器，使轉(zhuǎn)向盤的轉(zhuǎn)動轉(zhuǎn)化成齒條的移動，從而控制車輪按照預(yù)期方向運動[1]。隨著汽車安全技術(shù)的發(fā)展，轉(zhuǎn)向機構(gòu)已經(jīng)成為汽車乘員約束系統(tǒng)的構(gòu)成要素之一。在汽車發(fā)生正碰時，駕駛員由于慣性作用會有沖向轉(zhuǎn)向盤的運動。為了使駕駛員減少或免受傷害，這部分能量需要約束系統(tǒng)加以吸收，如果人體動能較大，部分能量還需要轉(zhuǎn)向盤和轉(zhuǎn)向管柱系統(tǒng)加以吸收，以耗散人體前沖的能量，防止超出人體的承受界限。轉(zhuǎn)向管柱的潰縮還增加了駕駛員的生存空間，從而能夠保護駕駛員安全，這也是吸能轉(zhuǎn)向機構(gòu)的安全作用所在[2-3]。

引用格式：

目前，雖然潰縮吸能轉(zhuǎn)向機構(gòu)已經(jīng)在車輛上得到普遍應(yīng)用，但很多車型轉(zhuǎn)向機構(gòu)的潰縮性能并沒有與約束系統(tǒng)的其它子系統(tǒng)進行很好的匹配，轉(zhuǎn)向機構(gòu)并沒能有效吸能，尤其是轉(zhuǎn)向管柱沒有實現(xiàn)潰縮吸能[4]。CAE仿真技術(shù)已經(jīng)成為當(dāng)今汽車開發(fā)過程中不可或缺的工具，關(guān)于轉(zhuǎn)向機構(gòu)碰撞仿真分析的文獻已經(jīng)有很多，但文獻中或未能詳細給出轉(zhuǎn)向機構(gòu)的建模方法[1,5-6]，或?qū)D(zhuǎn)向機構(gòu)建模做了大量的簡化[3,7-8]，研究對象主要是轉(zhuǎn)向機構(gòu)的設(shè)計或者轉(zhuǎn)向機構(gòu)潰縮吸能效果，而要系統(tǒng)地仿真轉(zhuǎn)向機構(gòu)與約束系統(tǒng)中其它各子系統(tǒng)的匹配，僅有這些是不夠的，還需在轉(zhuǎn)向機構(gòu)碰撞仿真模型中加入對轉(zhuǎn)向機構(gòu)潰縮機制的控制。本文將根據(jù)轉(zhuǎn)向機構(gòu)的碰撞壓潰機制，合理應(yīng)用LS-DYNA軟件的相關(guān)關(guān)鍵字，詳細介紹某車型轉(zhuǎn)向機構(gòu)的有限元建模方法，并通過對比案例的仿真與試驗結(jié)果，驗證轉(zhuǎn)向機構(gòu)建模方法的可靠性。

1 轉(zhuǎn)向機構(gòu)有限元模型建立

1.1 轉(zhuǎn)向機構(gòu)的構(gòu)成

汽車轉(zhuǎn)向機構(gòu)通常由以下幾部分組成，分別為轉(zhuǎn)向盤總成、轉(zhuǎn)向管柱總成、中間軸總成、轉(zhuǎn)向機總成、轉(zhuǎn)向拉桿總成以及轉(zhuǎn)向助力零部件等，如圖1所示。

圖1 某車型轉(zhuǎn)向機構(gòu)示意圖

轉(zhuǎn)向管柱是轉(zhuǎn)向機構(gòu)中主要的變形吸能零部件之一。圖2為某車型套筒式轉(zhuǎn)向管柱結(jié)構(gòu)示意圖。轉(zhuǎn)向管柱由上下兩部分組成，下轉(zhuǎn)向管柱的上端套在上轉(zhuǎn)向管柱的下端內(nèi)，兩者通過下轉(zhuǎn)向管柱上端凸起的筋條過盈配合而連接，如圖3所示。軸類零件通過軸承安裝在管柱里面，上轉(zhuǎn)向軸下端與下轉(zhuǎn)向軸上端通過花鍵結(jié)構(gòu)連接。轉(zhuǎn)向管柱總成通過上、下安裝支架固定在CCB管梁總成上，轉(zhuǎn)向管柱上、下安裝支架分別連接在上轉(zhuǎn)向管柱與下轉(zhuǎn)向管柱上。

圖2 某套筒式轉(zhuǎn)向管柱結(jié)構(gòu)示意圖

圖3 上下轉(zhuǎn)向管柱過盈配合示意圖

上安裝支架滑出塊是轉(zhuǎn)向管柱總成的重要零件。當(dāng)碰撞發(fā)生時，管柱系統(tǒng)受力超過某一閥值，管柱的上安裝支架能從滑出塊中分離，使上、下管柱潰縮成為可能。圖4為上安裝支架與滑出塊連接關(guān)系示意圖，通常共有兩個滑出塊卡在轉(zhuǎn)向管柱上安裝支架上，并通過注塑銷將滑出塊固定在轉(zhuǎn)向管柱上安裝支架上。

圖4 上安裝支架與滑出塊連接關(guān)系示意圖

1.2 轉(zhuǎn)向機構(gòu)吸能原理

當(dāng)汽車發(fā)生正面碰撞，駕駛員撞擊轉(zhuǎn)向盤時，轉(zhuǎn)向盤（或安全氣囊）吸收沖擊能量，同時部分能量傳遞至轉(zhuǎn)向管柱上安裝支架。當(dāng)沖擊載荷超過一定限值，轉(zhuǎn)向管柱上支架與滑出塊連接處的注塑銷被剪斷，釋放了上轉(zhuǎn)向管柱沿軸向向下運動的約束，上轉(zhuǎn)向管柱將沿著下轉(zhuǎn)向管柱向下滑動。因上、下管柱之間通過過盈壓力連接，所以在上、下管柱相對運動時，上、下管柱過盈部分將通過摩擦阻力做功而吸收沖擊能量，從而分擔(dān)人體的部分碰撞能量[3]。

1.3 轉(zhuǎn)向機構(gòu)有限元模型建立

在發(fā)生正面碰撞時，乘員艙外由一次碰撞引起的轉(zhuǎn)向器位移通常能由轉(zhuǎn)向機構(gòu)的萬向節(jié)運動與中間軸自身的花鍵滑動位移吸收[1]，不會影響轉(zhuǎn)向管柱總成與轉(zhuǎn)向盤的狀態(tài)。因此，在本文的轉(zhuǎn)向機構(gòu)有限元模型中將忽略轉(zhuǎn)向拉桿的建模，此外，對于轉(zhuǎn)向盤總成，僅需用實體單元劃分轉(zhuǎn)向盤骨架，并賦予相應(yīng)的材料與屬性即可，本文不予詳述。下面將以某車型為例，主要介紹轉(zhuǎn)向機構(gòu)中用于碰撞吸能的轉(zhuǎn)向管柱總成的有限元建模方法，仿真軟件為LS-DYNA。根據(jù)轉(zhuǎn)向管柱吸能工作原理，該車型轉(zhuǎn)向管柱有限元仿真模型建立的關(guān)鍵在于以下幾點。

1.3.1 滑出塊注塑銷釘剪斷機制的模擬

注塑銷釘?shù)募魯嗯c否以及何時被剪斷決定了轉(zhuǎn)向管柱能否實現(xiàn)潰縮吸能，所以對注塑銷釘剪斷機制的模擬對整個轉(zhuǎn)向機構(gòu)吸能機制的仿真至關(guān)重要。由于注塑銷釘?shù)某叽绫戎車悴考男?，且供?yīng)商通常給出的注塑銷釘失效參數(shù)是極限剪切力，這些因素都不利于直接用有限元方法模擬注塑銷釘?shù)募羟袛嗔研袨椋酝ㄟ^LS-DYNA軟件中可設(shè)置剪切力失效的點面固連接觸關(guān)鍵字*CONTACT_TIEBREAK_NODES_ONLY_ID[9]模擬注塑銷的剪切斷裂。

為了用該關(guān)鍵字模擬注塑銷釘?shù)臄嗔褭C制，在建立轉(zhuǎn)向管柱上支架有限元模型時，刪除了注塑銷釘安裝孔，而在其孔心位置建立了有限元節(jié)點，用于代替注塑銷釘，因此可用建立的節(jié)點與滑出塊的固連接觸模擬上安裝支架與滑出塊之間的注塑銷釘連接。所以在關(guān)鍵字卡片設(shè)置中，將上支架上用于模擬注塑銷釘?shù)墓?jié)點設(shè)定為接觸從節(jié)點，將滑出塊設(shè)定為接觸主面，并設(shè)定注塑銷釘靜斷裂載荷閥值為1 500 N，即當(dāng)從節(jié)點與主面之間的剪切力小于設(shè)定的閥值時，管柱上支架保持與儀表板管梁連接，當(dāng)兩者間的剪切力大于設(shè)定的閥值時，滑出塊與上支架失去連接。

1.3.2 轉(zhuǎn)向管柱過盈配合模擬

轉(zhuǎn)向管柱是轉(zhuǎn)向機構(gòu)的主要吸能零部件之一，轉(zhuǎn)向管柱上、下套管通過過盈壓力連接在一起。當(dāng)從轉(zhuǎn)向盤傳遞至上轉(zhuǎn)向管柱的力足以克服上、下管柱之間的靜摩擦力時，上管柱將產(chǎn)生沿下管柱軸向的位移，即轉(zhuǎn)向管柱開始潰縮。所以如何將上、下管柱之間的過盈在仿真過程中轉(zhuǎn)化為上、下管柱之間的靜摩檫力至關(guān)重要。利用LS-DYNA軟件中關(guān)鍵字*CONTACT_NODES_TO_SURFACE_INTERFERENCE_ID[9]模擬上、下管柱之間的過盈連接。仿真過程中，LS-DYNA軟件首先通過動態(tài)釋放將上、下管柱的過盈配合轉(zhuǎn)變?yōu)樯?、下管柱之間的預(yù)應(yīng)力以及相應(yīng)的變形，然后再進行顯式瞬態(tài)計算。該車型上、下管柱之間的過盈量為0.3 mm，可實現(xiàn)的最大相對潰縮量約為55 mm。

1.3.3 潰縮機制的模擬

為了模擬滑出塊注塑銷釘剪斷與轉(zhuǎn)向管柱潰縮的先后順序，利用了LS-DYNA軟件中剛?cè)狍w轉(zhuǎn)換關(guān)鍵字*DEFORMABLE_TO_RIGID_AUTOMATIC[9]。在連接轉(zhuǎn)向管柱上支架與滑出塊的注塑銷釘被剪斷前，將上、下轉(zhuǎn)向管柱混合為同一剛性體，確保上、下管柱不能相對運動，并設(shè)置上、下管柱轉(zhuǎn)換為柔性體的觸發(fā)開關(guān)為注塑銷釘與上支架接觸力為0，使上、下管柱在注塑銷釘斷裂瞬間轉(zhuǎn)換為柔性體。

在對轉(zhuǎn)向機構(gòu)完成上述建模設(shè)定后，根據(jù)轉(zhuǎn)向機構(gòu)BOM表，對各零部件賦予相應(yīng)的材料與屬性。轉(zhuǎn)向機構(gòu)中主要吸能結(jié)構(gòu)件所用的材料參數(shù)、材料模型以及單元模型見表1。

根據(jù)轉(zhuǎn)向機構(gòu)的實際工作狀況，對轉(zhuǎn)向機構(gòu)有限元模型中安裝轉(zhuǎn)向機構(gòu)的CCB管梁以及轉(zhuǎn)向器進行了全約束，最終建立的轉(zhuǎn)向機構(gòu)有限元模型如圖5所示。

表1 主要吸能構(gòu)件有限元模型信息

圖5 轉(zhuǎn)向機構(gòu)有限元模型

2 仿真工況以及仿真結(jié)果

為了驗證上述轉(zhuǎn)向機構(gòu)仿真建模方法的有效性，根據(jù)GB 11557—2011附錄C[10]中的試驗程序，以建立的轉(zhuǎn)向機構(gòu)有限元模型為基礎(chǔ)，仿真人體模塊撞擊轉(zhuǎn)向機構(gòu)試驗。

2.1 仿真工況

本研究使用的人體模塊有限元模型經(jīng)過了對標(biāo)，人體模型各參數(shù)滿足GB 11557—2011的要求。該人體模塊模型質(zhì)量為34 kg，代表50百分位的人體軀干模塊。按照試驗要求，人體模塊以25 km/h的水平速度沖擊轉(zhuǎn)向操縱裝置，撞擊時人體模塊模型的H點與駕駛員座椅R點保持在同一水平平面[10]。根據(jù)該轉(zhuǎn)向機構(gòu)在車輛上的安裝姿態(tài)，轉(zhuǎn)向機構(gòu)布置在人體模塊的縱向?qū)ΨQ面內(nèi)，并使轉(zhuǎn)向管柱與水平面成32.7°夾角。仿真轉(zhuǎn)向機構(gòu)轉(zhuǎn)向盤處于回正狀態(tài)的試驗工況。仿真工況如圖6所示。

圖6 仿真工況示意圖

2.2 仿真結(jié)果

從結(jié)果數(shù)據(jù)中提取的轉(zhuǎn)向操縱裝置作用在人體模塊上的水平力最大值為10 583 N，該水平力隨時間變化的曲線如圖7所示。

圖7 轉(zhuǎn)向裝置作用于人體模塊的水平力曲線

由碰撞過程中剪切銷受力曲線圖（圖8）可知，在人體模塊撞擊轉(zhuǎn)向機構(gòu)6 ms后，注塑銷受力達到1 500 N，并突變?yōu)?，即注塑銷被剪切斷裂。隨著傳遞到轉(zhuǎn)向管柱的軸向力迅速增大，上、下管柱開始產(chǎn)生相對滑動，但由于上管柱壓入下管柱后，上、下管柱的摩擦部位首先會增加，所以人體模塊所受水平力還會有一定的增大，如圖7中①至②。然后該水平力隨著上管柱壓入下管柱量的增加而迅速減小，如圖7中②至③。在上、下管柱潰縮量用盡后，該水平力又有一個迅速的反彈，如圖7中③至④。

圖8 碰撞過程中剪切銷受力曲線圖

3 試驗結(jié)果與仿真結(jié)果對比

為了驗證仿真結(jié)果的準(zhǔn)確性，將仿真結(jié)果與相同工況的試驗結(jié)果進行比較。人體模塊撞擊轉(zhuǎn)向機構(gòu)試驗如圖9所示。通過將試驗結(jié)果與仿真結(jié)果中的碰撞水平力-時間歷程置于同一坐標(biāo)下進行比較（圖10）可知，試驗與仿真曲線的波形、相位與峰值基本一致，仿真結(jié)果與試驗結(jié)果比較符合，基本能驗證該有限元模型的準(zhǔn)確性和仿真方法的有效性。

需要說明的是，在圖10中10～20 ms之間，試驗曲線的波形與仿真有一些差別。通過對比試驗錄像與仿真動畫發(fā)現(xiàn)，造成這個差別的原因在于試驗過程中，當(dāng)轉(zhuǎn)向管柱開始潰縮后，轉(zhuǎn)向管柱上端用于安裝雨刮操縱桿的支架碰到了試驗臺架，阻擋了管柱的下潰，從而使人體模塊所受水平力迅速增大，而當(dāng)上管柱完全從滑出塊脫出后，試驗曲線與仿真又趨于一致。

圖9 人體模塊撞擊轉(zhuǎn)向機構(gòu)試驗

圖10 試驗與仿真碰撞水平力-時間曲線

4 結(jié)論

本文對某車型轉(zhuǎn)向機構(gòu)，尤其是對轉(zhuǎn)向管柱部分的仿真建模方法進行了詳細說明，充分運用LSDYNA軟件中的相關(guān)關(guān)鍵字卡片模擬轉(zhuǎn)向機構(gòu)的工作機制。通過對仿真與測試結(jié)果的對比分析，明確得出該轉(zhuǎn)向機構(gòu)仿真建模方法可以有效并準(zhǔn)確地模擬潰縮式吸能轉(zhuǎn)向機構(gòu)的碰撞安全工作機制。本研究為轉(zhuǎn)向機構(gòu)碰撞仿真提供了一種實用且簡單有效的建模方法，為基于有限元方法模擬正碰中約束系統(tǒng)與假人的相互作用奠定了基礎(chǔ)。

本文僅介紹了套筒式轉(zhuǎn)向管柱的仿真方法，而對于其它型式轉(zhuǎn)向管柱（譬如鋼珠套管式、變形支架式等）的潰縮機制能否采用類似方法進行仿真模擬還需要進一步的深入研究。

參考文獻（References）：

[1]劉海峰. 汽車轉(zhuǎn)向管柱與人體模塊碰撞吸能研究 [D].廣州：華南理工大學(xué)，2013.LIU Haifeng. Steer Column of Automobile and Body Block Impact Research [D]. Guangzhou：South China University of Technology，2013. (in Chinese)

[2]張金換，杜匯良，馬春生，等. 汽車碰撞安全性設(shè)計 [M].北京：清華大學(xué)出版社，2010.ZHANG Jinhuan，DU Huiliang，MA Chunsheng，et al. Automotive Design for Crash Safety [M]. Beijing：Tsinghua University Press，2010. (in Chinese)

[3]林小哲. 汽車吸能轉(zhuǎn)向機構(gòu)的設(shè)計與碰撞仿真 [D]. 杭州：浙江大學(xué)，2008.LIN Xiaozhe. Design and Impact Simulation of Automotive Energy-absorbing Steering Assembly [D]. Hangzhou：Zhejiang University，2008. (in Chinese)

[4]李曉明，李紅，張向磊. 正面碰撞試驗中轉(zhuǎn)向管柱運動與假人頭部傷害指標(biāo)研究 [J]. 交通標(biāo)準(zhǔn)化，2014，42(11)：45-47.LI Xiaoming，LI Hong，ZHANG Xianglei. Steering Column Displacement and HIC in Frontal Crash Test [J].Transportation Standardization，2014，42(11)：45-47. (in Chinese)

[5]顏長征，王欣，覃禎員，等. 汽車轉(zhuǎn)向機構(gòu)對駕駛員傷害的試驗與仿真分析 [J]. 汽車科技，2011(2)：38-42.YAN Changzheng，WANG Xin，QIN Zhenyuan，et al.Experimental and Simulation Analysis of Driver’s Injury Caused by Steering Gear [J]. Automobile Technology，2011(2)：38-42. (in Chinese)

[6]畢騰飛，王陽，孔軍. 基于防止轉(zhuǎn)向機構(gòu)對駕駛員傷害的頭型試驗仿真分析 [J]. 武漢理工大學(xué)學(xué)報，2013，37(1)：205-208.BI Tengfei，WANG Yang，KONG Jun. Simulation of Headform Test in Protecting Drivers from Being Injured by Motor Vehicle Steering Mechanism [J]. Journal of Wuhan University of Technology，2013，37(1)：205-208. (in Chinese)

[7]王登峰，曾迥立. 汽車吸能轉(zhuǎn)向機構(gòu)與駕駛員碰撞的仿真與試驗 [J]. 汽車工程，2003，25(1)：20-21.WANG Dengfeng，ZENG Jiongli. Simulation and Experiment of Frontal Crash Between Automotive Energyabsorbing Steering Assembly and Driver [J]. Automotive Engineering，2003，25(1)：20-21. (in Chinese)

[8]唐寧，周廷明，陳志剛，等. EPS轉(zhuǎn)向管柱總成碰撞性能分析 [J]. 邵陽學(xué)院學(xué)報，2011，8(1)：41-43.TANG Ning，ZHOU Tingming，CHEN Zhigang，et al.Collision Analysis of Steering Column Assembly on EPS[J]. Journal of Shaoyang University，2011，8(1)：41-43. (in Chinese)

[9]LS-DYNA Keyword User’s Manual(Version 971)[Z].Livermore，Calif.：Livermore Software Technology Corporation(LSTC)，2007.

[10]GB 11557—2011.防止汽車轉(zhuǎn)向機構(gòu)對駕駛員傷害的規(guī)定 [S]. 北京：中國標(biāo)準(zhǔn)出版社，2011.GB 11557—2011.The Stipulation Protecting Drivers from Being Injured by Motor Vehicle Steering Mechanism [S].Beijing：China Standard Press，2011. (in Chinese)