乘用車內(nèi)部凸出物動態(tài)仿真分析

付榮榮 高鵬飛 閆曉芳

（中國第一汽車股份有限公司天津技術(shù)開發(fā)分公司）

隨著觸摸式中控臺和抬頭顯示功能的興起，人機(jī)交互模塊日益成為各大汽車企業(yè)研究開發(fā)的重點項目，同時升降屏幕和懸浮屏幕也開始出現(xiàn)，這些新功能需求也帶動了儀表區(qū)部件造型上新的變化，這些造型部件很難滿足靜態(tài)試驗方法對內(nèi)部凸出物的限值要求，許多車企在新的內(nèi)部凸出物法規(guī)實施后開始選擇進(jìn)行動態(tài)內(nèi)凸驗證試驗，且成功率（頭部未接觸儀表板）較高。動態(tài)試驗方法用來判斷約束系統(tǒng)是否能有效阻止乘員頭部與儀表板接觸。文章利用CAE模擬碰撞方法確定動態(tài)頭部碰撞區(qū)域，驗證頭部是否會撞擊上儀表板，最終通過滑臺試驗進(jìn)行驗證。

1 動態(tài)方法確定頭部碰撞區(qū)

1.1 動態(tài)方法

近年來，隨著安全帶和安全氣囊等約束系統(tǒng)性能的不斷改進(jìn)，在碰撞過程中頭部撞擊到內(nèi)飾件的概率大幅下降。動態(tài)方法的基本原理是根據(jù)特定的碰撞試驗，研究乘員在約束系統(tǒng)的移動過程中與內(nèi)飾件的位置關(guān)系，以驗證設(shè)計方法的有效性。

GB 11552—2009《乘用車內(nèi)部凸出物》提供了3種動態(tài)確定頭部碰撞區(qū)的方法供廠家選擇[1]。

1）實車碰撞試驗。在實車上安裝不同尺寸的假人，以至少48.3 km/h的碰撞速度，相對于固定的剛性壁障進(jìn)行-30，0，+30°的正面碰撞，在移動過程中確定假人頭部與儀表板的距離。

2）滑車試驗。在特定范圍（加速度-時間圖表參見GB 14166附錄[2]或ECE R16附件[3]）的滑車加速度作用下，安裝在滑臺上的假人相對于車體產(chǎn)生向前的移動，通?；嚳v向中心線與滑軌的夾角為0，-18，+18°，即假人相對于滑車的移動角度為0，-18，+18°，移動過程中研究假人頭部與儀表板的距離。

3）模擬碰撞試驗。模擬方法通常是按照上述2種方法的工況條件進(jìn)行模擬碰撞分析，包含3種不同尺寸的假人，3種不同角度的所有工況。一般情況下，模擬方法需要通過實車碰撞試驗或滑車試驗規(guī)定的3個碰撞條件予以驗證。

文章是通過模擬碰撞對動態(tài)頭部碰撞區(qū)進(jìn)行預(yù)模擬計算，然后通過檢測機(jī)構(gòu)選擇的3個碰撞條件的滑臺試驗進(jìn)行驗證。

1.2 滑臺試驗的形態(tài)選擇

原則上要求廠家事先提供車內(nèi)數(shù)據(jù)，由試驗室判斷其惡劣狀態(tài)進(jìn)行選擇。但是針對不同的廠家和車型，最惡劣狀態(tài)一般都不相同。同時考慮到該判斷的依據(jù)是來源于廠家的數(shù)據(jù)，很難保證最惡劣的準(zhǔn)確性。因此，實際操作中不將惡劣狀態(tài)作為首要選擇依據(jù)。在有限的驗證試驗次數(shù)里，需盡可能地包含最多種類的試驗條件要素（3種碰撞假人、3種碰撞角度）。

1.3 滑臺試驗的判斷方法

滑臺試驗中假人頭部是否與儀表板發(fā)生接觸的判斷分為3個方面：1）試驗前對假人頭部加涂顏料，試驗后通過接觸印跡判斷是否與儀表板發(fā)生接觸。2）通過觀察假人頭部加速度曲線是否存在尖峰，來判斷假人頭部是否透過氣囊與儀表板接觸。一般將頭部加速度曲線在3 ms內(nèi)波峰與區(qū)間起始值相比變化大于5g的判定為尖峰。3）通過對照高速攝像資料，分析尖峰發(fā)生時假人的姿態(tài)位置，來判斷尖峰是否由假人頭部與儀表板接觸而產(chǎn)生。

仿真模擬時也借鑒滑臺試驗判斷方法3個方面中的前2條進(jìn)行判定，一是測量頭部與儀表板的最短距離，二是觀察頭部加速度曲線是否有尖峰。

2 模擬碰撞試驗

隨著LS-DYNA和MADYMO等分析軟件工具在汽車安全虛擬分析及性能集成中的廣泛應(yīng)用，在物理樣車用于驗證的前期，可以針對各個碰撞工況及3種尺寸假人進(jìn)行模擬碰撞分析，通過對動態(tài)頭部碰撞區(qū)的早期預(yù)測制定針對性的約束系統(tǒng)調(diào)整方案，為后續(xù)工作的順利進(jìn)行奠定基礎(chǔ)。

以某車型前排內(nèi)凸為例，根據(jù)文獻(xiàn)[1]的要求，動態(tài)確定頭部碰撞區(qū)，分析軟件使用MADYMO軟件。

2.1 仿真輸入

仿真模型中輸入的滑車加速度曲線，如圖1所示。仿真工況選取了3種不同尺寸（5百分位女性假人、50百分位男性假人、95百分位男性假人）的假人，分別放置在駕駛員和副駕駛員2個位置，進(jìn)行3種不同角度（車頭向左 18°、車頭 0°、車頭向右 18°）的模擬碰撞試驗。該車型的約束系統(tǒng)配置是前排雙氣囊（DAB+PAB）和僅限力式（4 500 N）安全帶。

圖1 模擬碰撞試驗滑車加速度曲線

2.2 仿真結(jié)果

仿真結(jié)果包含兩部分，一部分是頭部與儀表板的距離，另一部分是頭部的加速度曲線，如圖2～圖4所示。圖2～圖4僅展示了駕駛員位置（車頭向左18°）的仿真結(jié)果和頭部加速度曲線，其他位置工況同駕駛員位置。模擬碰撞試驗頭部與儀表板距離的仿真結(jié)果，如表1所示。圖2a、圖3a及圖4a中所示位置是假人距離儀表板最近的位置，從圖2a、圖3a及圖4a可以看出，頭部與儀表板沒有接觸；從圖2b、圖3b及圖4b中可以看出，提取的頭部加速度曲線沒有尖峰。說明在現(xiàn)有約束系統(tǒng)的配置下，該車型的頭部不會接觸儀表板。

圖2 模擬碰撞試驗駕駛員位置5百分位假人仿真結(jié)果

圖3 模擬碰撞試驗駕駛員位置50百分位假人仿真結(jié)果

圖4 模擬碰撞試驗駕駛員位置95百分位假人仿真結(jié)果

表1 模擬碰撞試驗假人頭部與儀表板距離仿真結(jié)果

3 試驗驗證

3.1 3次驗證試驗

在3次驗證試驗里，需要包含3種試驗假人、3種碰撞角度及2個乘坐位置。同時考慮到相對惡劣條件，驗證試驗形態(tài)建議選擇如下：1）駕駛員側(cè)搭載AM95百分位假人進(jìn)行左18°碰撞；2）乘員側(cè)搭載AF5百分位假人進(jìn)行0°正面碰撞；3）乘員側(cè)搭載AM50百分位假人進(jìn)行右18°碰撞。

3.2 滑臺試驗結(jié)果

檢驗中心實際選擇的試驗形態(tài)為：1）駕駛員側(cè)搭載AM95百分位假人進(jìn)行左18°碰撞；2）乘員側(cè)搭載AF95百分位假人進(jìn)行0°正面碰撞；3）乘員側(cè)搭載AM95百分位假人進(jìn)行右18°碰撞。結(jié)果顯示，滑臺試驗中頭部并未與儀表板進(jìn)行接觸，與仿真模擬結(jié)果一致。

4 結(jié)論

文章通過對某車型進(jìn)行模擬碰撞仿真分析與滑臺試驗比較，獲得相似的結(jié)果，得出運用CAE模擬，可以有效地進(jìn)行頭部動態(tài)區(qū)域確定。動態(tài)內(nèi)凸試驗方法通過對車輛安全性能的驗證，給產(chǎn)品設(shè)計開發(fā)以更多的自由度，解決了法規(guī)對產(chǎn)品設(shè)計的限制問題。該方法以CAE技術(shù)的不斷成熟為基礎(chǔ)，可以在產(chǎn)品設(shè)計階段對汽車的結(jié)構(gòu)和性能做出預(yù)先評估，因而大大降低了新產(chǎn)品開發(fā)的風(fēng)險，對提高汽車產(chǎn)品質(zhì)量、縮短開發(fā)周期及降低成本意義重大。

在未來的工作中，需進(jìn)一步利用CAE分析工具，提高模擬分析的準(zhǔn)確性、廣泛性及高效性，盡可能在低成本的基礎(chǔ)上，做到高質(zhì)量的設(shè)計與校核。