某輕卡駕駛室碰撞性能仿真研究

強(qiáng)小文 侯路

摘? 要：以在產(chǎn)某輕卡駕駛室進(jìn)行正面撞擊和雙A柱撞擊仿真與試驗(yàn)對(duì)標(biāo)分析，對(duì)碰撞后駕駛室外形進(jìn)行掃描，將掃描的點(diǎn)云導(dǎo)入軟件與仿真碰撞后模型進(jìn)行三維重合度對(duì)比。同時(shí)對(duì)關(guān)鍵零部件的變形模式、門框變形量及生存空間等多項(xiàng)指標(biāo)進(jìn)行對(duì)標(biāo)，其總體對(duì)標(biāo)結(jié)果誤差在10%以內(nèi)，仿真精度高。在新一代輕卡碰撞性能開發(fā)中，利用仿真技術(shù)，在設(shè)計(jì)階段，對(duì)正面撞擊、雙A柱撞擊和頂部強(qiáng)度進(jìn)行了多輪次仿真迭代，深入研究，找到了影響性能達(dá)成的關(guān)鍵部位和結(jié)構(gòu)，在傳力路徑上進(jìn)行結(jié)構(gòu)加強(qiáng)和優(yōu)化，其碰撞性能達(dá)到了開發(fā)目標(biāo)。

關(guān)鍵詞：輕卡駕駛室；正面撞擊；雙A柱撞擊；頂部強(qiáng)度

中圖分類號(hào)：U463.8? ? ? 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A? ? ? 文章編號(hào)：1005-2550（2023）02-0064-09

Simulation Study on Crash Performance of a Light Truck Cab

QIANG Xiao-wen，Hou Lu

（ Commercial Product R&D Institute， Dongfeng Automobile Co.， Ltd.， Wuhan 430057， China）

Abstract： The front impact and double A pillar impact simulation and test benchmarking analysis were carried out for the cab of a light truck in production， the cab shape after the collision was scanned， and the scanned point cloud was imported into the software to compare the three-dimensional coincidence with the model after the simulation collision. At the same time， the deformation mode， door frame deformation， living space and other indicators of key components were compared. The overall error of the calibration results was within 10%， and the simulation accuracy was high. In the development of new generation light truck crash performance， using simulation technology， in the design phase， we carried out multiple rounds of simulation iterations for frontal impact， double A-pillar impact and top strength. Through in-depth research， we found the key parts and structures that affect the performance， strengthened and optimized the structure on the force transfer path， and its crash performance reached the development goal.

Key Words： A Light Truck Cabin; Front Impact; Double A Pillar Impact; Top Strength

強(qiáng)小文

畢業(yè)于武漢理工大學(xué)，研究生學(xué)歷，現(xiàn)就職于東風(fēng)汽車股份有限公司，任商品研發(fā)院院長(zhǎng)，研究員級(jí)高級(jí)工程師，一直從事于整車及駕駛室開發(fā)技術(shù)工作。已發(fā)表論文數(shù)篇。

1? ? 前言

美國(guó)和歐洲對(duì)商用車被動(dòng)安全性問(wèn)題關(guān)注較早，目前，國(guó)際上關(guān)于商用車駕駛室強(qiáng)度試驗(yàn)的法規(guī)體系有歐洲經(jīng)濟(jì)委員會(huì)法規(guī)UN R29、瑞典國(guó)家法規(guī)VVFS 2003：29、美國(guó)工程師協(xié)會(huì)標(biāo)準(zhǔn)SAE標(biāo)準(zhǔn)。國(guó)外許多商用車生產(chǎn)廠家和研究機(jī)構(gòu)都已深入開展商用車被動(dòng)安全性的仿真分析和試驗(yàn)研究工作，其中包括商用車駕駛室的抗撞性分析、前后防護(hù)裝置分析和碰撞過(guò)程中駕駛室內(nèi)乘員傷害分析[1-4]。國(guó)內(nèi)許多商用車生產(chǎn)廠家及高校都已開始關(guān)注和研究商用車的被動(dòng)安全性[5-8]。我國(guó)法規(guī)JT/T 1178.1-2018營(yíng)運(yùn)貨車安全技術(shù)條件的第1部分，其中對(duì)商用車駕駛室乘員保護(hù)做了規(guī)定。本公司在研發(fā)新一代輕卡駕駛室設(shè)計(jì)階段，對(duì)基礎(chǔ)車進(jìn)行正面撞擊和雙A柱撞擊摸底試驗(yàn)，了解基礎(chǔ)車的性能表現(xiàn)，同時(shí)也為建立碰撞仿真與試驗(yàn)結(jié)果之間的聯(lián)系。以基礎(chǔ)車為研究對(duì)象，設(shè)計(jì)正面撞擊和雙A柱撞擊試驗(yàn)方案，并將試驗(yàn)結(jié)果與仿真結(jié)果進(jìn)行詳細(xì)的對(duì)標(biāo)，驗(yàn)證模型的有效性，保證CAE分析精度，從而為新一代駕駛室開發(fā)提供幫助，對(duì)標(biāo)流程如下圖1。

2? ? 基礎(chǔ)車碰撞試驗(yàn)工況設(shè)定及數(shù)據(jù)采集

2.1? ?碰撞試驗(yàn)工況設(shè)定

現(xiàn)生產(chǎn)某款車型開發(fā)較早，其GVW小于7.5噸，在設(shè)計(jì)之初未考慮雙A柱撞擊，且在CAE碰撞模擬中，如果按法規(guī)規(guī)定能量29.4kJ進(jìn)行試驗(yàn)，其變形非常嚴(yán)重，預(yù)估車身多處會(huì)發(fā)生撕裂，增加對(duì)標(biāo)難度和對(duì)標(biāo)的不準(zhǔn)確性。在仿真中將雙A柱撞擊能量降低一半進(jìn)行仿真，其變形可接受；特此在設(shè)計(jì)對(duì)標(biāo)工況時(shí)，雙A柱撞擊能量為14.7kJ，正面撞擊能量為29.4kJ，進(jìn)行試驗(yàn)設(shè)計(jì)和CAE對(duì)標(biāo)分析。

為了方便試驗(yàn)觀測(cè)及對(duì)標(biāo)方便，試驗(yàn)車輛根據(jù)試驗(yàn)要求，保留必要總成及零件，其他非必要的零件全部拆除。在正面撞擊試驗(yàn)中，試驗(yàn)要求整車車輛，其中把車廂、傳動(dòng)軸、前保險(xiǎn)杠、前面罩、車架兩側(cè)掛件等部件全部拆除。在雙A柱撞擊試驗(yàn)中，僅僅保留駕駛室及車架。

仿真中，駕駛室模型未考慮內(nèi)飾，所以在試驗(yàn)中，拆除兩車的車門護(hù)板、地毯、頂棚、A柱護(hù)板、側(cè)圍護(hù)板及后圍護(hù)板，保持兩者一致。在試驗(yàn)前，對(duì)輪胎氣壓做了標(biāo)定，方向盤位置及座椅位置都設(shè)定到法規(guī)要求中間位置。

2.2? ?試驗(yàn)數(shù)據(jù)采集

為了使仿真與試驗(yàn)對(duì)標(biāo)變形有一個(gè)更為量化及直觀的對(duì)比，本文采用掃描儀對(duì)駕駛室外形及內(nèi)飾（包括儀表板、方向盤、座椅、地板）進(jìn)行掃描，得到掃描三維數(shù)據(jù)，便于變形的直接對(duì)比，和生存空間的直接測(cè)量。在試驗(yàn)前，將試驗(yàn)車的駕駛室通過(guò)掃描儀建立點(diǎn)云模型，將試驗(yàn)車掃描的點(diǎn)云數(shù)據(jù)與有限元模型進(jìn)行對(duì)比，其中灰色為掃描點(diǎn)云模型另外兩色為仿真模型，見圖2，兩者從外到內(nèi)基本重合，說(shuō)明試驗(yàn)車狀態(tài)與仿真一致。同時(shí)，正面撞擊及雙A柱撞擊試驗(yàn)完成后，再對(duì)車輛再進(jìn)行一次掃描，得到變形后的掃描點(diǎn)云模型。

3? ? 基礎(chǔ)車碰撞試驗(yàn)與仿真對(duì)標(biāo)分析

3.1? ?有限元模型

正面撞擊仿真模型包括駕駛室、轉(zhuǎn)向系統(tǒng)、儀表板系統(tǒng)、車架、懸架、車橋、車輪及輪轂等。雙A柱撞擊模型在正面撞擊仿真模型基礎(chǔ)上去掉懸架、車橋、車輪及輪轂。車身中的大部分零部件都是采用金屬薄板沖壓而成的，通常用殼體單元就能較好的描述其變形特性，而其他零部件比如鉸接，焊接都有相對(duì)應(yīng)的有限單元進(jìn)行模擬。通過(guò)有限元前處理軟件，對(duì)CAD幾何模型進(jìn)行單元?jiǎng)澐?，所有零件采用平均尺寸?0mm的殼單元來(lái)劃分，并控制最小單元尺寸為5mm。

3.2? ?正面撞擊對(duì)標(biāo)分析

正面撞擊試驗(yàn)裝置主要由擺錘和擺臂組成，在仿真軟件中，根據(jù)試驗(yàn)裝置的結(jié)構(gòu)、外形尺寸及重量等參數(shù)進(jìn)行仿真建模，使其仿真能量為29.4kJ，與試驗(yàn)?zāi)芰恳恢隆?/p>

仿真模型車輛約束參照試驗(yàn)方式固定即：a.左右前吊耳位置處鋼索約束，b.第五橫梁吊耳位置處鋼索約束，c.第五橫梁吊耳位置處鋼索約束，d.駕駛室后懸置車架位置處墊木和織帶約束，使仿真與試驗(yàn)約束一致，見圖3：

采用ls-dyna顯式求解器進(jìn)行仿真計(jì)算，從車身整體變形模式、車身懸置支架變形模型、車身后懸置托架變形模式、地板縱梁變形模型、門框變形量、生存空間等方面進(jìn)行對(duì)比分析。

將正面撞擊試驗(yàn)后的掃描點(diǎn)云模型與仿真變形后的模型放在同一坐標(biāo)下，選取車架上不變形的基準(zhǔn)使兩者重合，對(duì)比兩模型的重合度，見圖4，從圖中可以看出，兩者基本重合，試驗(yàn)?zāi)Ｐ蜕韵蚝蟆?/p>

前懸置對(duì)比：在左懸置中，其中一個(gè)螺栓將鈑金拉豁口，另外三個(gè)螺栓斷裂發(fā)生失效，懸置本體未發(fā)生損壞；在右懸置中，三個(gè)螺栓為失效，只有一個(gè)螺栓發(fā)生斷裂，懸置本體撕裂。在有限元模型中，懸置材料為QT450，在本構(gòu)模型中設(shè)置FS為0.15，螺栓連接采用beam梁模型，設(shè)置螺栓的剪切力和拉伸力大小模擬其失效。通過(guò)這些設(shè)置，有限元中懸置斷裂和螺栓斷裂跟實(shí)際吻合較好，見圖5：

后懸置托架發(fā)生明顯折彎變形，仿真與試驗(yàn)變形較為一致；在正面撞擊過(guò)程中，地板縱梁向后移動(dòng)，在Z字型處發(fā)生輕微折彎變形，仿真與試驗(yàn)變形較為一致，見圖6：

門框變形量對(duì)比：選取門框兩對(duì)角線A和B；選取門框上、下鉸鏈安裝孔到門鎖處距離J和K，見圖7，進(jìn)行仿真和試驗(yàn)采集數(shù)據(jù)對(duì)比；門框變形量仿真誤差在10mm內(nèi)，見表1。

生存空間對(duì)比：選取方向盤與靠背X向距離，方向盤與座墊Z向距離，以及三個(gè)人體所對(duì)應(yīng)的儀表面板和座墊之間X向距離，見圖8；進(jìn)行仿真與試驗(yàn)后距離對(duì)比，見表2，誤差都在10%以內(nèi)。

3.3? ?雙A柱撞擊對(duì)標(biāo)分析

雙A柱撞擊試驗(yàn)裝置主要由圓柱和擺臂組成，在仿真軟件中，根據(jù)試驗(yàn)裝置的結(jié)構(gòu)、外形尺寸及重量等參數(shù)進(jìn)行仿真建模，使其仿真能量為14.7kJ，與試驗(yàn)?zāi)芰恳恢隆?/p>

參照試驗(yàn)固定方式，在仿真中，前后吊耳固定點(diǎn)位置完全約束，第三橫梁位置處車架為約束。

將雙A柱撞擊試驗(yàn)后的掃描模型與仿真變形后的模型放在同一坐標(biāo)下，選取車架上不變形的基準(zhǔn)使兩者重合，對(duì)比兩模型的重合度，見圖9。模型重合度整體較好，左右門洞后上方彎折變形仿真與試驗(yàn)較一致性較好，車門外板變形一致性較好；仿真模型后傾量較大，A柱變形大。試驗(yàn)后左側(cè)車門后上角試驗(yàn)外翹嚴(yán)重，仿真表現(xiàn)不明顯，右側(cè)車門右上角外翹較為吻合。

駕駛室整體變形對(duì)比：駕駛室整體向后傾斜，門框由矩形變?yōu)榱庑危珹柱被撞擊出凹坑，車門變形嚴(yán)重，見圖10：

生存空間對(duì)比：選取方向盤與靠背X向距離，方向盤與座墊Z向距離，以及三個(gè)人體所對(duì)應(yīng)的儀表面板和座墊之間X向距離，進(jìn)行仿真與試驗(yàn)后距離對(duì)比，見下表3，其誤差都在10%以內(nèi)。

3.4? ?碰撞對(duì)標(biāo)總結(jié)

在正面撞擊和雙A柱撞擊兩項(xiàng)試驗(yàn)對(duì)標(biāo)中，其生存空間指標(biāo)仿真與試驗(yàn)誤差都在10%內(nèi)，精度水平較高，同時(shí)其生存空間距離仿真與試驗(yàn)誤差都控制在20mm內(nèi)，此數(shù)據(jù)為仿真目標(biāo)設(shè)定提供了數(shù)據(jù)支撐。

4? ? 新一代輕卡碰撞性能仿真研究

4.1? ?碰撞性能目標(biāo)設(shè)定

基于基礎(chǔ)車碰撞試驗(yàn)與仿真對(duì)標(biāo)分析，其仿真精度較高，驗(yàn)證了碰撞仿真分析方法的可信度。在新一代輕卡碰撞性能開發(fā)中，利用此碰撞仿真分析方法進(jìn)行駕駛室結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)和優(yōu)化。新一代輕卡車型GVW按18噸設(shè)計(jì)，根據(jù)JT/T 1178.1-2018法規(guī)要求，其正面撞擊能量為55kJ，雙A柱撞擊能量為29.4kJ，進(jìn)行側(cè)拍撞擊后頂部強(qiáng)度需承載6.5噸。

4.2? ?正面撞擊性能研究及設(shè)計(jì)

在正面撞擊中，如圖11所示，仿真擺錘為1.5噸，尺寸為2500mm×800mm×80mm，將正面撞擊能量轉(zhuǎn)化為角速度，其中55kJ撞擊能量對(duì)應(yīng)的角速度為2.375rad/s。

正面撞擊載荷傳遞路徑如圖12所示，駕駛室沖擊載荷經(jīng)前圍傳遞給車身縱梁和地板，經(jīng)前懸傳遞給車架，經(jīng)門框前端向后傳遞。在正面撞擊分析中，是否危害乘員的安全的關(guān)鍵因素為前懸是否斷裂，若前懸斷裂，則切斷了載荷在Z方向的傳遞路徑，導(dǎo)致駕駛室后移，整體下落，危害乘員。因此保證正面擺錘撞擊要求，需要加強(qiáng)前懸、地板以及車身后橫梁等部件，以此來(lái)提高駕駛室強(qiáng)度。

原方案前懸置在正面擺錘撞擊仿真中，因沖擊力大，其懸置本體結(jié)構(gòu)單薄，碰撞過(guò)程中發(fā)生斷裂，導(dǎo)致駕駛室前端壓縮后移，生存空間受到壓縮，不滿足生存空間要求。本文從前懸置受力方向上進(jìn)行了前后加強(qiáng)，提升抵抗前后沖擊力，同時(shí)將料厚從10mm提升至14mm，材料從QT400提升到ZGD410-700，保證前懸置本體不發(fā)生斷裂，見圖13：

通過(guò)以上結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)改進(jìn)，其懸置支架有效阻止了擺錘向后撞擊駕駛室，減輕了駕駛室前圍向后端的侵入，其生存空間指標(biāo)有了很大提升，滿足法規(guī)要求，見圖14。

同時(shí)仿真中提取懸置與車架螺栓連接處的受力，見圖15和圖16，根據(jù)受力大小選取螺栓直徑和等級(jí)，保證螺栓強(qiáng)度，避免在碰撞中發(fā)生斷裂。

4.3? ?雙A柱撞擊及頂部強(qiáng)度性能研究及設(shè)計(jì)

在雙A柱撞擊仿真中，設(shè)置仿真能量為29.4kJ，圖17為未加強(qiáng)型駕駛室雙A柱撞擊后變形圖，A柱發(fā)生凹坑變形吸能，同時(shí)B柱上下角、門檻處前角、車門及后圍發(fā)生嚴(yán)重的變形，導(dǎo)致駕駛室向后傾斜，儀表及轉(zhuǎn)向系統(tǒng)侵入人體生產(chǎn)空間，不滿足法規(guī)要求。

在側(cè)拍后再進(jìn)行頂部強(qiáng)度仿真，圖19為未加強(qiáng)型駕駛室側(cè)拍及頂部強(qiáng)度的變形圖，A、B柱在Y向發(fā)生了折彎變形，導(dǎo)致承載力沒(méi)有達(dá)到要求。

根據(jù)圖18和圖20力傳遞路徑，預(yù)設(shè)從抗彎區(qū)域和支持區(qū)域提升剛度。即提升A柱和B柱上下承載能力，同時(shí)在A柱下角、B柱上下角提升前后抵抗變形能力，在車門里增加斜支撐，見圖21。

經(jīng)過(guò)多輪的CAE仿真分析計(jì)算，針對(duì)車身結(jié)構(gòu)傳力路徑和薄弱點(diǎn)，制定了以下設(shè)計(jì)方案，用以提高車身強(qiáng)度。1）設(shè)計(jì)了三層板強(qiáng)化結(jié)構(gòu)的側(cè)圍系統(tǒng)；2）設(shè)計(jì)了帶封閉腔結(jié)構(gòu)的輪罩；3）設(shè)計(jì)了A柱和門檻大剛度L型連接結(jié)構(gòu)（四層板）；4）設(shè)計(jì)了帶斜向支撐的車門防撞梁系統(tǒng)，提升了車身結(jié)構(gòu)在關(guān)鍵方向上的剛度；5）在材料方面，側(cè)圍加強(qiáng)板和地板前后橫梁采用了HC420-780高強(qiáng)度鋼板，提升了車身結(jié)構(gòu)關(guān)鍵部位的強(qiáng)度，見圖22。

通過(guò)以上車身和車門加強(qiáng)，在雙A柱撞擊中，B柱上下角、地板前后橫梁、A柱下端與門檻處等變形有了明顯的減少，其生存空間都滿足要求，見圖23；在頂部強(qiáng)度中，其承載達(dá)到6.5噸且頂部生存空間還有43mm，見圖24。通過(guò)以上關(guān)鍵部位進(jìn)行加強(qiáng)，其雙A柱撞擊和頂部強(qiáng)度性能都達(dá)到開發(fā)目標(biāo)。

4.3? ?試驗(yàn)驗(yàn)證

在樣車試驗(yàn)驗(yàn)證中，整車GVW大于7.5噸，按照法規(guī)JT/T 1178.1-2018中碰撞試驗(yàn)要求進(jìn)行試驗(yàn)，其正面撞擊和雙A柱撞擊試驗(yàn)假人生存空間完全滿足要求，在頂部強(qiáng)度試驗(yàn)中，承載力達(dá)到了6.5噸，且頂蓋未侵入人體頭部，三項(xiàng)試驗(yàn)項(xiàng)目全部滿足法規(guī)要求，一次性通過(guò)法規(guī)試驗(yàn)，見圖25。

5? ? 結(jié)束語(yǔ)

本文基于正面撞擊和雙A柱撞擊兩個(gè)工況進(jìn)行碰撞對(duì)標(biāo)分析，利用三坐標(biāo)掃描儀對(duì)駕駛室碰撞前后進(jìn)行掃描，建立碰撞前后的點(diǎn)云模型，并與有限元模型對(duì)比，其整體重合度較高，同時(shí)對(duì)門框變形量和生存空間進(jìn)行了誤差分析，其誤差在10%以內(nèi)，仿真精度高，同時(shí)生存空間仿真與試驗(yàn)誤差在20mm內(nèi)，為生存空間目標(biāo)設(shè)定提供了數(shù)據(jù)支撐。在新一代輕卡開發(fā)中，對(duì)正面撞擊、雙A柱撞擊和頂部強(qiáng)度進(jìn)行了大量仿真分析，深入研究，根據(jù)碰撞傳力路徑，在關(guān)鍵部位進(jìn)行結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)加強(qiáng)和優(yōu)化，碰撞性能達(dá)成了開發(fā)目標(biāo)。本文研究意義有以下幾點(diǎn)：

1.首次將逆向掃描技術(shù)用于碰撞對(duì)標(biāo)技術(shù)中，并在電腦中進(jìn)行三維重合度對(duì)比，使碰撞對(duì)標(biāo)更立體和直觀；

2.在正面撞擊和雙A柱撞擊兩個(gè)工況中，其生存空間仿真與試驗(yàn)誤差在10%內(nèi)，精度較高；同時(shí)生存空間誤差在20mm以內(nèi)，為碰撞安全仿真目標(biāo)設(shè)定提供數(shù)據(jù)支撐；

3.通過(guò)研究，找到了正面碰撞、雙A柱撞擊和頂部強(qiáng)度性能達(dá)成的關(guān)鍵因素，通過(guò)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)加強(qiáng)和優(yōu)化，其性能有了大幅提升，驗(yàn)證了結(jié)果的有效性，為同類車型碰撞性能設(shè)計(jì)提供了借鑒意義。

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楊? ?斌

國(guó)家汽車質(zhì)量檢驗(yàn)檢測(cè)中心（襄陽(yáng)）

被動(dòng)安全? 研究員級(jí)高級(jí)工程師

新版的商用車駕駛室乘員保護(hù)標(biāo)準(zhǔn)的三個(gè)試驗(yàn)項(xiàng)目——正面撞擊、雙A柱撞擊、頂部強(qiáng)度，較老標(biāo)準(zhǔn)或是增加項(xiàng)目或是變更項(xiàng)目。作者針對(duì)以上三個(gè)項(xiàng)目，以基礎(chǔ)車為研究對(duì)象，借助仿真手段，根據(jù)碰撞傳力路徑，對(duì)相關(guān)薄弱部位或結(jié)構(gòu)進(jìn)行加強(qiáng)和優(yōu)化，以滿足新版標(biāo)準(zhǔn)要求的商用車駕駛室結(jié)構(gòu)強(qiáng)度和生存空間的要求，并通過(guò)試驗(yàn)進(jìn)行了效果驗(yàn)證。本文從工程實(shí)際出發(fā)，表述條理清晰，從碰撞性能目標(biāo)設(shè)定、車型建模、仿真迭代到試驗(yàn)驗(yàn)證，分析論證比較完整，相關(guān)結(jié)構(gòu)件的加強(qiáng)和優(yōu)化合理，對(duì)商用車領(lǐng)域的開發(fā)和試驗(yàn)人員有較重要參考價(jià)值和借鑒意義。