強小文 侯路

摘? 要：以在產(chǎn)某輕卡駕駛室進行正面撞擊和雙A柱撞擊仿真與試驗對標分析，對碰撞后駕駛室外形進行掃描，將掃描的點云導(dǎo)入軟件與仿真碰撞后模型進行三維重合度對比。同時對關(guān)鍵零部件的變形模式、門框變形量及生存空間等多項指標進行對標，其總體對標結(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)計階段，對正面撞擊、雙A柱撞擊和頂部強度進行了多輪次仿真迭代，深入研究，找到了影響性能達成的關(guān)鍵部位和結(jié)構(gòu)，在傳力路徑上進行結(jié)構(gòu)加強和優(yōu)化，其碰撞性能達到了開發(fā)目標。

關(guān)鍵詞：輕卡駕駛室；正面撞擊；雙A柱撞擊；頂部強度

中圖分類號：U463.8? ? ? 文獻標識碼：A? ? ? 文章編號：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，研究員級高級工程師，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

美國和歐洲對商用車被動安全性問題關(guān)注較早，目前，國際上關(guān)于商用車駕駛室強度試驗的法規(guī)體系有歐洲經(jīng)濟委員會法規(guī)UN R29、瑞典國家法規(guī)VVFS 2003：29、美國工程師協(xié)會標準SAE標準。國外許多商用車生產(chǎn)廠家和研究機構(gòu)都已深入開展商用車被動安全性的仿真分析和試驗研究工作，其中包括商用車駕駛室的抗撞性分析、前后防護裝置分析和碰撞過程中駕駛室內(nèi)乘員傷害分析[1-4]。國內(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安全性[5-8]。我國法規(guī)JT/T 1178.1-2018營運貨車安全技術(shù)條件的第1部分，其中對商用車駕駛室乘員保護做了規(guī)定。本公司在研發(fā)新一代輕卡駕駛室設(shè)計階段，對基礎(chǔ)車進行正面撞擊和雙A柱撞擊摸底試驗，了解基礎(chǔ)車的性能表現(xiàn)，同時也為建立碰撞仿真與試驗結(jié)果之間的聯(lián)系。以基礎(chǔ)車為研究對象，設(shè)計正面撞擊和雙A柱撞擊試驗方案，并將試驗結(jié)果與仿真結(jié)果進行詳細的對標，驗證模型的有效性，保證CAE分析精度，從而為新一代駕駛室開發(fā)提供幫助，對標流程如下圖1。

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

2.1? ?碰撞試驗工況設(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進行試驗，其變形非常嚴重，預(yù)估車身多處會發(fā)生撕裂，增加對標難度和對標的不準確性。在仿真中將雙A柱撞擊能量降低一半進行仿真，其變形可接受；特此在設(shè)計對標工況時，雙A柱撞擊能量為14.7kJ，正面撞擊能量為29.4kJ，進行試驗設(shè)計和CAE對標分析。

為了方便試驗觀測及對標方便，試驗車輛根據(jù)試驗要求，保留必要總成及零件，其他非必要的零件全部拆除。在正面撞擊試驗中，試驗要求整車車輛，其中把車廂、傳動軸、前保險杠、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，所以在試驗中，拆除兩車的車門護板、地毯、頂棚、A柱護板、側(cè)圍護板及后圍護板，保持兩者一致。在試驗前，對輪胎氣壓做了標定，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? ?試驗數(shù)據(jù)采集

為了使仿真與試驗對標變形有一個更為量化及直觀的對比，本文采用掃描儀對駕駛室外形及內(nèi)飾（包括儀表板、方向盤、座椅、地板）進行掃描，得到掃描三維數(shù)據(jù)，便于變形的直接對比，和生存空間的直接測量。在試驗前，將試驗車的駕駛室通過掃描儀建立點云模型，將試驗車掃描的點云數(shù)據(jù)與有限元模型進行對比，其中灰色為掃描點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，說明試驗車狀態(tài)與仿真一致。同時，正面撞擊及雙A柱撞擊試驗完成后，再對車輛再進行一次掃描，得到變形后的掃描點云模型。

3? ? 基礎(chǔ)車碰撞試驗與仿真對標分析

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，焊接都有相對應(yīng)的有限單元進行模擬。通過有限元前處理軟件，對CAD幾何模型進行單元劃分，所有零件采用平均尺寸為10mm的殼單元來劃分，并控制最小單元尺寸為5mm。

3.2? ?正面撞擊對標分析

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

仿真模型車輛約束參照試驗方式固定即：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，使仿真與試驗約束一致，見圖3：

采用ls-dyna顯式求解器進行仿真計算，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、生存空間等方面進行對比分析。

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

前懸置對比：在左懸置中，其中一個螺栓將鈑金拉豁口，另外三個螺栓斷裂發(fā)生失效，懸置本體未發(fā)生損壞；在右懸置中，三個螺栓為失效，只有一個螺栓發(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。通過這些設(shè)置，有限元中懸置斷裂和螺栓斷裂跟實際吻合較好，見圖5：

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

門框變形量對比：選取門框兩對角線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，進行仿真和試驗采集數(shù)據(jù)對比；門框變形量仿真誤差在10mm內(nèi)，見表1。

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

3.3? ?雙A柱撞擊對標分析

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

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

將雙A柱撞擊試驗后的掃描模型與仿真變形后的模型放在同一坐標下，選取車架上不變形的基準使兩者重合，對比兩模型的重合度，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。試驗后左側(cè)車門后上角試驗外翹嚴重，仿真表現(xiàn)不明顯，右側(cè)車門右上角外翹較為吻合。

駕駛室整體變形對比：駕駛室整體向后傾斜，門框由矩形變?yōu)榱庑?，A柱被撞擊出凹坑，車門變形嚴重，見圖10：

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

3.4? ?碰撞對標總結(jié)

在正面撞擊和雙A柱撞擊兩項試驗對標中，其生存空間指標仿真與試驗誤差都在10%內(nèi)，精度水平較高，同時其生存空間距離仿真與試驗誤差都控制在20mm內(nèi)，此數(shù)據(jù)為仿真目標設(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? ?碰撞性能目標設(shè)定

基于基礎(chǔ)車碰撞試驗與仿真對標分析，其仿真精度較高，驗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行駕駛室結(jié)構(gòu)設(shè)計和優(yōu)化。新一代輕卡車型GVW按18噸設(shè)計，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，進行側(cè)拍撞擊后頂部強度需承載6.5噸。

4.2? ?正面撞擊性能研究及設(shè)計

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，需要加強前懸、地板以及車身后橫梁等部件，以此來提高駕駛室強度。

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行了前后加強，提升抵抗前后沖擊力，同時將料厚從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：

通過以上結(jié)構(gòu)設(shè)計改進，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，其生存空間指標有了很大提升，滿足法規(guī)要求，見圖14。

同時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，保證螺栓強度，避免在碰撞中發(fā)生斷裂。

4.3? ?雙A柱撞擊及頂部強度性能研究及設(shè)計

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B柱上下角、門檻處前角、車門及后圍發(fā)生嚴重的變形，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)拍后再進行頂部強度仿真，圖19為未加強型駕駛室側(cè)拍及頂部強度的變形圖，A、B柱在Y向發(fā)生了折彎變形，導(dǎo)致承載力沒有達到要求。

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)過多輪的CAE仿真分析計算，針對車身結(jié)構(gòu)傳力路徑和薄弱點，制定了以下設(shè)計方案，用以提高車身強度。1）設(shè)計了三層板強化結(jié)構(gòu)的側(cè)圍系統(tǒng)；2）設(shè)計了帶封閉腔結(jié)構(gòu)的輪罩；3）設(shè)計了A柱和門檻大剛度L型連接結(jié)構(gòu)（四層板）；4）設(shè)計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)圍加強板和地板前后橫梁采用了HC420-780高強度鋼板，提升了車身結(jié)構(gòu)關(guān)鍵部位的強度，見圖22。

通過以上車身和車門加強，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；在頂部強度中，其承載達到6.5噸且頂部生存空間還有43mm，見圖24。通過以上關(guān)鍵部位進行加強，其雙A柱撞擊和頂部強度性能都達到開發(fā)目標。

4.3? ?試驗驗證

在樣車試驗驗證中，整車GVW大于7.5噸，按照法規(guī)JT/T 1178.1-2018中碰撞試驗要求進行試驗，其正面撞擊和雙A柱撞擊試驗假人生存空間完全滿足要求，在頂部強度試驗中，承載力達到了6.5噸，且頂蓋未侵入人體頭部，三項試驗項目全部滿足法規(guī)要求，一次性通過法規(guī)試驗，見圖25。

5? ? 結(jié)束語

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

1.首次將逆向掃描技術(shù)用于碰撞對標技術(shù)中，并在電腦中進行三維重合度對比，使碰撞對標更立體和直觀；

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

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

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專家推薦語

楊? ?斌

國家汽車質(zhì)量檢驗檢測中心（襄陽）

被動安全? 研究員級高級工程師

新版的商用車駕駛室乘員保護標準的三個試驗項目——正面撞擊、雙A柱撞擊、頂部強度，較老標準或是增加項目或是變更項目。作者針對以上三個項目，以基礎(chǔ)車為研究對象，借助仿真手段，根據(jù)碰撞傳力路徑，對相關(guān)薄弱部位或結(jié)構(gòu)進行加強和優(yōu)化，以滿足新版標準要求的商用車駕駛室結(jié)構(gòu)強度和生存空間的要求，并通過試驗進行了效果驗證。本文從工程實際出發(fā)，表述條理清晰，從碰撞性能目標設(shè)定、車型建模、仿真迭代到試驗驗證，分析論證比較完整，相關(guān)結(jié)構(gòu)件的加強和優(yōu)化合理，對商用車領(lǐng)域的開發(fā)和試驗人員有較重要參考價值和借鑒意義。