基于多沖擊塊侵入的門(mén)護(hù)板側(cè)面碰撞研究

周云

摘 要：通過(guò)對(duì)側(cè)面碰撞試驗(yàn)中出現(xiàn)的門(mén)護(hù)板破裂情況進(jìn)行分析，將整車(chē)側(cè)面碰撞時(shí)車(chē)門(mén)內(nèi)鈑金的變形簡(jiǎn)化，建立了一種可以再現(xiàn)整車(chē)側(cè)面碰撞時(shí)門(mén)護(hù)板破裂的試驗(yàn)方法。對(duì)汽車(chē)門(mén)護(hù)板總成進(jìn)行側(cè)面碰撞CAE分析，并依據(jù)此方法進(jìn)行了實(shí)際的門(mén)護(hù)板試驗(yàn)，其結(jié)果顯示的破裂與整車(chē)試驗(yàn)中出現(xiàn)的門(mén)護(hù)板破裂具有較好的一致性。該門(mén)護(hù)板試驗(yàn)方法易于實(shí)現(xiàn)，可以滿(mǎn)足實(shí)際工程應(yīng)用，為減小門(mén)護(hù)板在側(cè)面碰撞中出現(xiàn)破裂的風(fēng)險(xiǎn)提供了科學(xué)依據(jù)，為驗(yàn)證門(mén)護(hù)板在側(cè)面碰撞中的安全性提供了新的方法。

關(guān)鍵詞：側(cè)面碰撞；CAE；門(mén)護(hù)板破裂；試驗(yàn)方法

中圖分類(lèi)號(hào)：U463.83+4 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：1005-2550（2017）04-0035-05

Abstract： Based on the analysis of the door trim breakage occurred in the side impact test， and simplified the deformation of the inner metal sheet， a door trim side impact test method which could reproduce the breakage of the door trim was established. Simulated the door trim system side impact test by CAE， and then the side impact tests were conducted， the result showed good correlation of the door trim breakage between the door trim test and the full vehicle test. This door trim test method can be easily applied in engineering， and it can provide scientific basis to reduce the risk of the door trim breakage occurring in the side impact， and it is a new way to validate the safety of the door trim in the side impact test.

Key Words： side impact； CAE； breakage of door trim； test method

引 言

汽車(chē)碰撞安全歷來(lái)是各主機(jī)廠關(guān)注的重點(diǎn)內(nèi)容，而汽車(chē)側(cè)面碰撞則是汽車(chē)碰撞安全的重要考核項(xiàng)之一，國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)GB20071-2006[1]制定了專(zhuān)門(mén)的試驗(yàn)規(guī)程和要求來(lái)考核汽車(chē)側(cè)面碰撞的安全性。標(biāo)準(zhǔn)中對(duì)側(cè)面碰撞的安全性分為兩類(lèi)指標(biāo)進(jìn)行衡量，其一是車(chē)內(nèi)乘員的性能指標(biāo)，即頭部、胸部、腹部、骨盆的性能值；其二是特殊要求，主要包含非性能指標(biāo)的一些要求，其中要求“所有內(nèi)部構(gòu)件在脫落時(shí)均不得產(chǎn)生鋒利的突出物和鋸齒邊，以防止增加傷害乘員的可能”[1]。目前，針對(duì)第一種考核指標(biāo)，已有較為深入的研究，針對(duì)門(mén)護(hù)板系統(tǒng)也有成熟的零部件試驗(yàn)方法進(jìn)行考察。董學(xué)勤等[2]通過(guò)計(jì)算機(jī)仿真，對(duì)車(chē)門(mén)內(nèi)飾板相關(guān)部位的結(jié)構(gòu)和側(cè)面氣囊進(jìn)行了改進(jìn)優(yōu)化，并進(jìn)行了零部件試驗(yàn)的驗(yàn)證。曲杰等[3]參照國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)和行業(yè)規(guī)范，對(duì)某企業(yè)門(mén)護(hù)板進(jìn)行了仿真分析和試驗(yàn)，并以此為基礎(chǔ)對(duì)緩沖塊進(jìn)行結(jié)構(gòu)優(yōu)化。但針對(duì)門(mén)護(hù)板破裂時(shí)產(chǎn)生的鋒利突出物和鋸齒邊的研究并不多見(jiàn)，除了在實(shí)車(chē)碰撞試驗(yàn)上進(jìn)行驗(yàn)證外，基于零部件試驗(yàn)的門(mén)護(hù)板系統(tǒng)考察方式還沒(méi)有形成成熟、統(tǒng)一的意見(jiàn)。

本文基于整車(chē)側(cè)面碰撞試驗(yàn)，探索了可能導(dǎo)致門(mén)護(hù)板在側(cè)面碰撞過(guò)程中的發(fā)生破裂的因素。針對(duì)某車(chē)型，進(jìn)行了門(mén)護(hù)板子系統(tǒng)CAE碰撞模擬，對(duì)可能造成門(mén)護(hù)板破裂的原因進(jìn)行了分析，并結(jié)合零部件試驗(yàn)和實(shí)車(chē)碰撞試驗(yàn)，對(duì)在側(cè)面碰撞過(guò)程中發(fā)生的門(mén)護(hù)板破裂問(wèn)題進(jìn)行了研究和驗(yàn)證。

1 整車(chē)側(cè)面碰撞試驗(yàn)結(jié)果分析

所選車(chē)型按照C-NCAP側(cè)面碰撞標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行整車(chē)側(cè)面碰撞試驗(yàn)，圖1為碰撞后的前左門(mén)護(hù)板。從圖1中可以看到碰撞后門(mén)護(hù)板有破裂，破裂處對(duì)著假人腿部，碰撞過(guò)程中裂紋上下部分錯(cuò)開(kāi)可能導(dǎo)致人體被割傷。因?yàn)榇似屏逊秶^大，其位置又處于攝像機(jī)死角，很難從整車(chē)試驗(yàn)過(guò)程中判斷出導(dǎo)致門(mén)護(hù)板破裂的原因，所以有必要在門(mén)護(hù)板試驗(yàn)中重現(xiàn)此破裂，研究導(dǎo)致其破裂的主要原因，便于進(jìn)行有效的改善。

2 側(cè)面碰撞中門(mén)護(hù)板發(fā)生破裂的可能因素

側(cè)面碰撞時(shí)門(mén)護(hù)板受到車(chē)門(mén)鈑金的沖擊發(fā)生變形并撞向乘員，由于車(chē)門(mén)鈑金和乘員身體的加速度不同，車(chē)門(mén)鈑金受到壁障塊的沖擊，產(chǎn)生朝向車(chē)內(nèi)的較高的加速度，而乘員身體在此刻靜止，加速度為零。門(mén)護(hù)板安裝在車(chē)門(mén)鈑金上，跟隨車(chē)門(mén)鈑金一起運(yùn)動(dòng)，在接觸到車(chē)內(nèi)乘員后，由于加速度的不同而受到車(chē)門(mén)鈑金和乘員的擠壓。在此過(guò)程中門(mén)護(hù)板可能發(fā)生局部破裂，形成“鋒利的突出物或鋸齒邊”對(duì)人體產(chǎn)生傷害，最可能造成此問(wèn)題的原因有兩點(diǎn)：

一， 在車(chē)門(mén)內(nèi)鈑金向車(chē)內(nèi)變形過(guò)程中，鈑金在局部發(fā)生劇烈變形，發(fā)生斷裂，斷裂處有較突出的尖銳物刺穿門(mén)護(hù)板而導(dǎo)致門(mén)護(hù)板破裂，例如鈑金局部折彎或斷裂產(chǎn)生的尖角；或者是車(chē)門(mén)內(nèi)的零件本身有較硬且尖銳的角，在碰撞過(guò)程中受到車(chē)門(mén)鈑金的推擠而刺穿門(mén)護(hù)板，例如車(chē)門(mén)內(nèi)電線(xiàn)接頭。

二， 車(chē)門(mén)內(nèi)鈑金變形過(guò)大，導(dǎo)致門(mén)護(hù)板變形很大，同時(shí)門(mén)護(hù)板又受到車(chē)內(nèi)人體或座椅等環(huán)境件的阻礙，使其局部發(fā)生劇烈變形，產(chǎn)生的應(yīng)變可能超出其自身的斷裂極限應(yīng)變值，此時(shí)門(mén)護(hù)板發(fā)生破裂，破裂過(guò)程中可能形成尖銳的突出物或鋸齒邊對(duì)人體產(chǎn)生傷害。

當(dāng)門(mén)護(hù)板因尖銳物刺穿時(shí)，可以很容易的發(fā)現(xiàn)造成破裂的尖銳物，這樣就很容易進(jìn)行改善；但當(dāng)門(mén)護(hù)板因車(chē)門(mén)內(nèi)鈑金變形過(guò)大而造成破裂時(shí)，由于裂紋的擴(kuò)展，很難從實(shí)際樣件上找出導(dǎo)致門(mén)護(hù)板破裂的具體位置，因此，不借助其他工具和方法就很難去進(jìn)行針對(duì)性的改善。

3 門(mén)護(hù)板總成CAE仿真

3.1 門(mén)護(hù)板總成模型建立

基于LS-DYNA建立門(mén)護(hù)板網(wǎng)格模型[4]，模型包含門(mén)護(hù)板總成，車(chē)門(mén)內(nèi)鈑金和沖擊塊。其中車(chē)門(mén)內(nèi)鈑金中部挖空，只保留與門(mén)護(hù)板配合的翻邊和卡扣孔；沖擊塊為變形后的車(chē)門(mén)內(nèi)鈑金局部和車(chē)內(nèi)假人人體和座椅等環(huán)境件。模型均采用殼單元，焊點(diǎn)采用梁?jiǎn)卧?/p>

材料選擇如下：鈑金件與沖擊塊采用金屬，門(mén)護(hù)板各零件采用塑膠材料，根據(jù)LS-DYNA提供的材料模型：

1）沖擊塊和鈑金選用20號(hào)材料（*MAT_RIGID）， 沖擊塊的剛性遠(yuǎn)大于門(mén)護(hù)板，在試驗(yàn)過(guò)程中沖擊塊的變形相較于門(mén)護(hù)板的變形可忽略不計(jì)。

2） 門(mén)護(hù)板各零件采用24號(hào)材料（*MAT_ PIECEWISE_LINEAR_PLASTICITY），該模型可以考慮應(yīng)變率對(duì)材料強(qiáng)度的影響?；贗SO527-2，進(jìn)行不同應(yīng)變率下的拉伸試驗(yàn)，得到各應(yīng)變率下塑膠材料的真實(shí)應(yīng)力-真實(shí)應(yīng)變曲線(xiàn)，轉(zhuǎn)換為有效應(yīng)力應(yīng)變曲線(xiàn)后輸入。

3）焊點(diǎn)采用67號(hào)材料（*MAT_NONLINEAR_ ELASTIC_DISCRETE_BEAM），該模型可以模擬焊點(diǎn)的斷裂行為。焊點(diǎn)試樣在拉伸試驗(yàn)下測(cè)得其拉伸極限值為150N。

在模型中設(shè)置自動(dòng)面面接觸（*CONTACT_ AUTOMATIC_SURFACE_TO_SURFACE）來(lái)模擬沖擊塊與門(mén)護(hù)板的接觸，設(shè)置自動(dòng)單面接觸（*CONTACT_AUTOMATIC_SINGLE_SURFACE）來(lái)模擬門(mén)護(hù)板自身的接觸。

3.2 門(mén)護(hù)板側(cè)侵入CAE分析

在實(shí)車(chē)碰撞中，車(chē)門(mén)鈑金會(huì)發(fā)生變形，但在進(jìn)行門(mén)護(hù)板試驗(yàn)時(shí)，沖擊塊的形狀已經(jīng)考慮了鈑金的變形，因此根據(jù)設(shè)定，車(chē)門(mén)內(nèi)鈑金施加固定約束。沖擊塊分別沿Y方向以恒定速度和預(yù)設(shè)位移沖擊門(mén)護(hù)板，預(yù)設(shè)位移為實(shí)車(chē)碰撞中內(nèi)鈑金相對(duì)門(mén)護(hù)板的變形量，沖擊速度和沖擊塊位移由整車(chē)CAE分析得出，其過(guò)程示意如圖2所示：

通過(guò)LS-DYNA對(duì)模型求解后，觀察沖擊后門(mén)護(hù)板的變形情況是否與整車(chē)碰撞試驗(yàn)一致，驗(yàn)證CAE模型。經(jīng)調(diào)試后，門(mén)護(hù)板CAE分析結(jié)果中的門(mén)護(hù)板變形與整車(chē)碰撞試驗(yàn)中門(mén)護(hù)板變形的主要特征一致，兩者符合性較好，如圖3所示：

3.3 門(mén)護(hù)板破裂原因分析

CAE分析結(jié)果中門(mén)護(hù)板變形狀態(tài)下應(yīng)力分布圖顯示，門(mén)護(hù)板扶手外蓋前端焊接柱根部存在應(yīng)力集中現(xiàn)象，此處應(yīng)變值較高，存在較高的破裂風(fēng)險(xiǎn)。同時(shí)，扶手外蓋中部存在一條應(yīng)力帶，該區(qū)域應(yīng)力值明顯高于其他區(qū)域，且應(yīng)力帶位置與整車(chē)試驗(yàn)中裂痕吻合。此高應(yīng)力區(qū)域分別與車(chē)內(nèi)乘員腿部和鈑金內(nèi)玻璃升降電機(jī)相對(duì)，在碰撞過(guò)程中門(mén)護(hù)板由于沖擊塊的沖擊而向車(chē)內(nèi)變形，而電機(jī)處的變形較大，當(dāng)門(mén)護(hù)板與乘員腿部接觸后，在電機(jī)和成員腿部的作用下，此處門(mén)護(hù)板受到嚴(yán)重的擠壓，使其在局部發(fā)生了劇烈的變形。而門(mén)護(hù)板在此處正好存在焊接柱，由于焊接柱本身較強(qiáng)，難以發(fā)生變形，因此在較弱的焊接柱根部形成了應(yīng)力集中。而同時(shí)由于乘員腿部阻止了扶手外蓋向車(chē)內(nèi)的平移，扶手外蓋形成了繞乘員腿部的翻轉(zhuǎn)，在翻轉(zhuǎn)處變形較大，形成了應(yīng)力帶。因此，門(mén)護(hù)板的破裂可能從扶手外蓋前端焊接柱根部開(kāi)始，然后沿著應(yīng)力帶延伸開(kāi)，如圖4所示：

4 門(mén)護(hù)板總成側(cè)面侵入試驗(yàn)

4.1 試驗(yàn)設(shè)備

門(mén)護(hù)板側(cè)侵入試驗(yàn)夾具和沖擊塊系統(tǒng)分別如圖5所示。其中夾具為中空結(jié)構(gòu)，周邊設(shè)置與門(mén)護(hù)板卡扣固定的安裝孔，用于固定門(mén)護(hù)板；沖擊塊系統(tǒng)分為沖擊頭和沖擊塊支架，其中沖擊頭為鋁合金，其形狀分別與變形的門(mén)內(nèi)鈑金局部和車(chē)內(nèi)環(huán)境件一致，與門(mén)護(hù)板的相對(duì)位置在模型中測(cè)得。將沖擊頭分置于門(mén)護(hù)板兩側(cè)組成沖擊塊模組，用于模擬碰撞過(guò)程中車(chē)門(mén)鈑金和車(chē)內(nèi)假人及其他環(huán)境件；沖擊塊支架用于安裝和固定沖擊頭。

試驗(yàn)通過(guò)液壓系統(tǒng)提供動(dòng)力驅(qū)動(dòng)沖擊塊對(duì)門(mén)護(hù)板進(jìn)行沖擊，通過(guò)控制電腦對(duì)沖擊塊的沖擊行程和沖擊速度進(jìn)行設(shè)定，采用速度傳感器和加速度傳感器對(duì)沖擊塊的速度、位移和反力進(jìn)行測(cè)量和監(jiān)控。

4.2 試驗(yàn)過(guò)程

1） 將夾具通過(guò)螺栓和壓塊固定于試驗(yàn)臺(tái)上。

2） 將沖擊塊系統(tǒng)按預(yù)設(shè)位置分別放置于夾具兩側(cè)并進(jìn)行校準(zhǔn)，再將沖擊塊支架固定于試驗(yàn)臺(tái)上。

3） 將液壓缸推桿與沖擊塊模組進(jìn)行對(duì)接。

4） 將門(mén)護(hù)板安裝到夾具上，按預(yù)設(shè)的速度和順序驅(qū)動(dòng)沖擊塊模組對(duì)門(mén)護(hù)板進(jìn)行沖擊。

5） 觀察沖擊后門(mén)護(hù)板的狀態(tài)。

6） 試驗(yàn)過(guò)程中通過(guò)數(shù)據(jù)采集儀對(duì)沖擊塊的速度和位移進(jìn)行采集和記錄。

7） 因?yàn)樵囼?yàn)中沖擊塊的沖擊速度很快，需要使用高速攝像機(jī)對(duì)實(shí)驗(yàn)過(guò)程進(jìn)行錄影，便于后期進(jìn)行解析。

試驗(yàn)工裝總成如圖6所示：

4.3 試驗(yàn)結(jié)果

門(mén)護(hù)板系統(tǒng)試驗(yàn)結(jié)果顯示，在試驗(yàn)后門(mén)護(hù)板扶手外蓋焊接柱根部破裂，如圖7所示。此破裂位置與整車(chē)試驗(yàn)中門(mén)護(hù)板破裂位置一致，但與整車(chē)試驗(yàn)不同的是，在整車(chē)試驗(yàn)中裂痕的長(zhǎng)度更長(zhǎng)，而在門(mén)護(hù)板系統(tǒng)試驗(yàn)中裂痕僅有一小段。造成此差異的可能原因在于在整車(chē)試驗(yàn)中，門(mén)護(hù)板上的出現(xiàn)破裂后，車(chē)門(mén)的變形還在持續(xù)進(jìn)行，裂痕繼續(xù)擴(kuò)展；而在門(mén)護(hù)板系統(tǒng)試驗(yàn)中，僅能模擬裂痕出現(xiàn)的最初階段，由于受到試驗(yàn)條件的限制，無(wú)法模擬裂痕擴(kuò)展階段。但結(jié)合CAE分析中的應(yīng)力分布情況，可以判斷出裂痕的發(fā)展趨勢(shì)是與整車(chē)碰撞中一致的。這種設(shè)置雖然沒(méi)有完全模擬出整車(chē)碰撞試驗(yàn)中門(mén)護(hù)板的破裂情況，但能夠確定破裂形成的起始點(diǎn)和具體原因，為改善方案提供了準(zhǔn)確的科學(xué)依據(jù)。

5 結(jié)論

以某車(chē)型在整車(chē)側(cè)面碰撞過(guò)程中門(mén)護(hù)板的破裂為例，結(jié)合CAE仿真分析，將車(chē)門(mén)內(nèi)鈑金的變形簡(jiǎn)化為多個(gè)沖擊塊的位移，以此制定門(mén)護(hù)板試驗(yàn)方法并進(jìn)行了有效的驗(yàn)證。該門(mén)護(hù)板試驗(yàn)方法可以再現(xiàn)門(mén)護(hù)板在整車(chē)中出現(xiàn)的破裂情況，而且此方法易于實(shí)現(xiàn)，可以滿(mǎn)足實(shí)際工程應(yīng)用的需要。該方法為在門(mén)護(hù)板系統(tǒng)設(shè)計(jì)工作中降低假人受到的傷害風(fēng)險(xiǎn)提供了科學(xué)的依據(jù)，為進(jìn)一步提升門(mén)護(hù)板在側(cè)面碰撞中的安全性能提供了新的驗(yàn)證途徑和參考。

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