商用車駕駛室正面碰撞安全性研究

李夢霞，王 濤，閆瑞鑫，孫亞衛(wèi)，郝慧強(qiáng)，衛(wèi)閣強(qiáng)

(大運(yùn)汽車股份有限公司 技術(shù)中心，山西 運(yùn)城 044000)

0 引言

隨著我國經(jīng)濟(jì)的快速發(fā)展，商用車產(chǎn)銷量也得到了迅速的發(fā)展，但由此帶來的乘員安全問題日益突出，導(dǎo)致乘員傷亡率居高不下的重要原因是商用車駕駛室結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)單薄，在碰撞和滾翻事故中，駕駛室受到撞擊力和擠壓力的作用時(shí)，其整體結(jié)構(gòu)嚴(yán)重變形，導(dǎo)致乘員因無足夠的生存空間而傷亡。車輛駕駛室安全性設(shè)計(jì)技術(shù)的提高對(duì)減少乘員因車輛碰撞等事故而造成的傷亡起到了重要的作用。

我國近幾年商用車的出口量有了較大的增長，出口市場也由東南亞、非洲、拉美等區(qū)域拓展到了海灣地區(qū)、歐美等經(jīng)濟(jì)發(fā)達(dá)的地區(qū)。發(fā)達(dá)地區(qū)對(duì)車輛安全性都有強(qiáng)制的要求，一般來說國外主要以歐洲的ECE R29—03為強(qiáng)制標(biāo)準(zhǔn)，國內(nèi)主要以GB26512—2011為強(qiáng)制標(biāo)準(zhǔn)。因此，近年來國內(nèi)主流的卡車廠商如一汽、東風(fēng)、重汽等紛紛仿照歐美技術(shù)，引進(jìn)奔馳(BENZ)、沃爾沃(VOLVO)、雷諾(RENAULT)等技術(shù)，駕駛室多采用框架式結(jié)構(gòu)，其強(qiáng)度和剛度較好，在碰撞及滾翻事故中變形小，能給乘員提供足夠的生存空間，也能夠滿足歐美及國內(nèi)的法規(guī)要求。

本文通過對(duì)車輛安全性相關(guān)法規(guī)的解析，以某款商用車駕駛室為依托，運(yùn)用Hypermesh軟件建立正面擺錘撞擊駕駛室的模型，然后采用LS_Dyna軟件對(duì)模型進(jìn)行仿真計(jì)算。

1 車輛安全性相關(guān)法規(guī)解析

1.1 國內(nèi)外車輛安全性的相關(guān)法規(guī)

目前國內(nèi)外法規(guī)中用來考核車輛正面被動(dòng)安全性能的試驗(yàn)有兩種：正面100%重疊剛性壁障碰撞試驗(yàn)以及40%重疊可變形壁障(ODB)碰撞試驗(yàn)。代表法規(guī)有歐洲的ECE R94、美國的FMVSS 208及我國的GB 11551。

對(duì)于商用車碰撞及翻滾駕駛室結(jié)構(gòu)強(qiáng)度的法規(guī)體系主要有：歐洲 ECE R29、瑞典VVFS 2003:29、美國SAE J2420及SAE J2422。其中，我國及ECE成員國如日本、俄羅斯、南非、歐盟等采用ECE R29；瑞典汽車斯堪尼亞(SCANIA)和沃爾沃(VOLVO)等執(zhí)行VVFS 2003:29；美國汽車執(zhí)行SAE J2420和SAE J2422。我國國內(nèi)對(duì)商用車駕駛室碰撞安全的強(qiáng)制性法規(guī)主要是GB 26512—2011以及針對(duì)2.5 t以下的微型卡車100%重疊正面剛性壁障的GB 11551—2014。

1.2 歐洲的ECE R29—02/03及我國GB26512—2011法規(guī)解析

由于GB26511—2011是我國國內(nèi)的強(qiáng)制法規(guī)，國內(nèi)產(chǎn)品必須滿足GB26511—2011的要求，而產(chǎn)品出口到歐盟或海灣地區(qū)需要滿足ECE R29，其他區(qū)域滿足ECE R29也基本可行，所以在此將ECE R29—02/03及GB26512—2011的要求進(jìn)行解析。

由于商用車實(shí)際碰撞事故的情況與ECE R29—02的試驗(yàn)相差比較遠(yuǎn)，因此歐洲對(duì)商用車駕駛室強(qiáng)度法規(guī)進(jìn)行了修改，形成了ECE R29—03。相比于ECE R29—02，ECER29—03正面擺錘撞擊試驗(yàn)對(duì)于總質(zhì)量大于7.5 t的車輛擺錘撞擊駕駛室的能量由原來的44.1 kJ增大到55 kJ，原因是44.1 kJ的碰撞能量已經(jīng)不能真實(shí)地模擬出車輛的追尾情況。

綜上所述，截至目前國內(nèi)產(chǎn)品需滿足GB 26511—2011，海外產(chǎn)品需滿足ECE R29—03，由于ECE R29—03的標(biāo)準(zhǔn)較國內(nèi)的GB26511—2011更加苛刻，因此產(chǎn)品在滿足ECE R29—03的基礎(chǔ)上是可以滿足GB26511—2011的。

2 模型建立

2.1 駕駛室模型

駕駛室大部分由鈑金件構(gòu)成，運(yùn)用Hypermesh軟件 建立模型時(shí)前圍、后圍、側(cè)圍等鈑金件采用10 mm的四邊形網(wǎng)格劃分，對(duì)均布有小特征且在碰撞關(guān)鍵部位的部件進(jìn)行細(xì)化，但最小尺寸控制在2 mm以上；鑄件及個(gè)別支架類零件采用四面體單元?jiǎng)澐郑?jì)算時(shí)solid單元的外層建立一層薄殼單元，以避免計(jì)算中出現(xiàn)錯(cuò)誤；點(diǎn)焊、縫焊均采用beam單元模擬，材料為mat100，焊接接觸類型采用contact spotweld，靜摩擦因數(shù)與動(dòng)摩擦因數(shù)均取0.1；粘膠采用六面體單元模擬，粘膠接觸類型選用CONTACT_TIED_SHELL_EDGE_TO_SURFACE_CONSTRAINED_OFFSET；轉(zhuǎn)向系統(tǒng)各個(gè)連接副按實(shí)際情況建立；擺錘與車身的碰撞部件采用CONTACT_AUTOMATIC_SURFACE_TO_SURFACE接觸類型，車身其他部件間的接觸類型為CONTACT_AUTOMATIC_SINGLE_SURFACE。

按上述原則建立起來的白車身碰撞模型共1 107 506個(gè)單元、4 997 165各節(jié)點(diǎn)，如圖1所示。

2.2 擺錘撞擊模型

我國的GB26512—2011基本等同于ECE R29—02，都包含了正面碰撞試驗(yàn)、頂部壓強(qiáng)強(qiáng)度試驗(yàn)和后圍強(qiáng)度試驗(yàn)。正面碰撞試驗(yàn)主要模擬兩車追尾的情況，其中剛性擺錘為矩形，重量為1 500 kg±200 kg，寬度為2 500 mm、高度為800 mm，其幾何尺寸相當(dāng)于被追尾車輛貨箱的平均尺寸，擺錘的重心位置低于駕駛員座椅R點(diǎn)(即座椅設(shè)計(jì)參考點(diǎn)，理論上和汽車設(shè)計(jì)參考點(diǎn)重合，即人體軀干與大腿交接點(diǎn)，俗稱胯點(diǎn))50 mm，加載能量為44.1 kJ。 本文按照歐洲最新標(biāo)準(zhǔn)ECE R29—03進(jìn)行模擬分析，加載能量為55 kJ。運(yùn)用Hypermesh軟件建立的正面擺錘撞擊駕駛室模型如圖2所示。

3 ECE R29—03及GB26512—2011規(guī)范仿真分析

3.1 正面擺錘碰撞試驗(yàn)仿真分析

3.1.1 載荷

駕駛室車身為N3類卡車，根據(jù)規(guī)范要求，正面擺錘碰撞的能量E=55 kJ，擺錘的質(zhì)量m=1 500 kg，擺錘的旋轉(zhuǎn)半徑r=3 590 mm。碰撞時(shí)擺錘的初始角速度ω的計(jì)算公式為：

v=ωr.

(1)

(2)

其中：v為碰撞時(shí)擺錘的線速度。將數(shù)值代入式(1)、式(2)得：ω=0.002 168 rad/ms。

圖1 白車身及部分車架模型 圖2 正面擺錘撞擊駕駛室的模型

3.1.2 約束

約束前懸置板簧支架及車斷面的6方向自由度。

3.1.3 評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)

試驗(yàn)中，要求駕駛室和車架保持連接；車門不應(yīng)打開。 完成試驗(yàn)后，駕駛室應(yīng)存在足夠的乘員生存空間，即座椅上可以容納法規(guī)所規(guī)定的人體模型；而駕駛室固定于車架上的部件允許變形和損壞；不要求車門能打開。

3.1.4 結(jié)果分析

完成試驗(yàn)后，將經(jīng)過調(diào)整的模型提交求解中心，經(jīng)過計(jì)算最終得出了正面擺錘碰撞的仿真計(jì)算結(jié)果。駕駛室正面擺錘碰撞的求解信息及能量曲線如圖3所示。

圖3 駕駛室正面擺錘碰撞的求解信息及能量曲線

由圖3可以看出，初始動(dòng)能為55 kJ,初始內(nèi)能為0，求解過程中，沙漏能和質(zhì)量增量極小，動(dòng)能、內(nèi)能及滑移能與總能量保持相等，整個(gè)求解過程能量守恒，求解結(jié)果可靠。

在駕駛室的主、副駕駛座椅上導(dǎo)入50百分位的男性假人，測量假人的生存空間，結(jié)果如圖4及表1所示。

由圖4及表1可以看出，駕駛室在R29-03正面擺錘試驗(yàn)中，假人始終有足夠的生存空間。

正面擺錘碰撞左右車門門框變形量測量位置如圖5所示，正面擺錘碰撞左右車門門框最大變形量如表2所示。

由表2可以看出，正面擺錘碰撞過程中車門門框的最大變形量為27.02 mm，碰撞中應(yīng)該不會(huì)發(fā)生車門開啟或卡死現(xiàn)象。

表1 正面擺錘碰撞駕駛室相對(duì)侵入量及假人生存空間

圖5 左右車門門框變形量測量位置

經(jīng)過仿真計(jì)算可以看出，駕駛室滿足ECE R29—03正面擺錘碰撞試驗(yàn)要求。

4 結(jié)語

本文對(duì)國內(nèi)外商用車駕駛室碰撞安全法規(guī)進(jìn)行了分析，并根據(jù)分析結(jié)果運(yùn)用有限元仿真的方法對(duì)某商用車駕駛室進(jìn)行仿真分析，從仿真分析結(jié)果可以看出該駕駛室符合ECE R29—03及GB26512—2011的要求。

表2 正面擺錘碰撞左右車門門框最大變形量

參考文獻(xiàn)：

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