輕卡正面碰撞安全性優(yōu)化研究

牛思杰，黃 偉，全 威，郭秋紅，姜 鑫

（廣西大學(xué)機(jī)械工程學(xué)院，廣西 南寧530004）

0 前言

已有研究表明，正面碰撞是所有卡車事故形式中發(fā)生頻次最高的，占到卡車事故總數(shù)的70%左右[1]，因此提升卡車的正面碰撞安全性可以有效地降低卡車駕駛員傷亡率。隨著薄壁梁壓潰理論的發(fā)展日漸成熟，部分學(xué)者開始嘗試將該理論應(yīng)用到提升卡車正面碰撞安全性的研究上，并取得了一定的成果。文獻(xiàn)[2]參考奔馳公司在ACTROS重卡前圍加裝吸能部件并取得良好優(yōu)化效果的成功經(jīng)驗(yàn)，研制出一款由一塊迎撞板和四塊潰縮板焊接而成的新型吸能結(jié)構(gòu)，其中四塊潰縮板均為內(nèi)凹結(jié)構(gòu)，對(duì)安裝了新型吸能結(jié)構(gòu)的樣車分別進(jìn)行正面碰撞仿真試驗(yàn)與實(shí)車試驗(yàn)，變形情況基本一致，同時(shí)顯著地改善了該卡車的正面碰撞安全性。文獻(xiàn)[3]將矩形截面薄壁梁理論拓展延申至多直角截面情形，推導(dǎo)出了相應(yīng)的表達(dá)式，并設(shè)計(jì)出一款十二直角截面梁吸能結(jié)構(gòu)，經(jīng)正面碰撞仿真驗(yàn)證，新型吸能結(jié)構(gòu)展現(xiàn)了極佳的吸能效果。本文針對(duì)輕卡正面碰撞仿真中暴露出的問題，采用方形截面薄壁梁壓潰理論，設(shè)計(jì)了一款帶誘導(dǎo)槽的方形截面吸能結(jié)構(gòu)，并對(duì)裝配該結(jié)構(gòu)的輕卡再次進(jìn)行仿真以驗(yàn)證優(yōu)化的效果。

1 CAE建模及仿真分析

在產(chǎn)品設(shè)計(jì)初期，使用有限元仿真技術(shù)可以減少實(shí)驗(yàn)投入，并在產(chǎn)品試制之前預(yù)測(cè)潛在的設(shè)計(jì)不足并提前完善，大大地縮減了設(shè)計(jì)周期和材料成本，但是對(duì)于汽車碰撞這樣復(fù)雜的非線性問題的仿真，仍需要相當(dāng)長(zhǎng)的時(shí)間投入。為盡量提高輕卡有限元碰撞仿真的效率，本文重點(diǎn)挑選了在輕卡正面碰撞研究中發(fā)揮主要作用的零部件，比如駕駛室的鈑金結(jié)構(gòu)總成、起承載駕駛室及其余部件作用的車架總成、用于將駕駛室固定到車架上的前后懸置總成以及評(píng)價(jià)卡車碰撞安全性所必需的控制面板、轉(zhuǎn)向機(jī)構(gòu)和座椅等零部件。

本文使用Hypermesh軟件建立卡車碰撞仿真有限元模型，具體過程如圖1所示。根據(jù)國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)《商用車駕駛室乘員保護(hù)》相關(guān)規(guī)定，已知本文輕卡的最大允許質(zhì)量為4.495 t，因此控制擺錘碰撞能量為29.4 kJ，最終搭建完畢的輕卡碰撞有限元模型如圖2所示，將此模型提交LS-Dyna非線性求解器進(jìn)行仿真。

圖1 輕卡有限元模型搭建流程

圖2 輕卡正面碰撞仿真有限元模型

仿真結(jié)束后，需要對(duì)仿真結(jié)果進(jìn)行檢驗(yàn)以判斷有限元模型的仿真精度是否滿足要求。圖3顯示仿真過程中模型質(zhì)量增加幾乎為0；圖4顯示碰撞過程中總能量守恒，擺錘的初始動(dòng)能絕大部分轉(zhuǎn)化為卡車內(nèi)能，少量由于摩擦轉(zhuǎn)化為滑移能，滑移能為正值且小于總能量的5%，沙漏能只占總能量的0.03%。因此，從質(zhì)量守恒和能量守恒方面判斷，此次仿真結(jié)果可信，具有足夠的仿真精度。

圖3 質(zhì)量縮放曲線

圖4 能量曲線

對(duì)輕卡正面碰撞仿真進(jìn)行了進(jìn)一步研究，圖5顯示，0.084 s時(shí)刻是整個(gè)碰撞過程中最危險(xiǎn)的時(shí)刻，此時(shí)轉(zhuǎn)向柱罩侵入假人膝蓋41.397 6 mm。由此可知，雖然在碰撞結(jié)束后，人體模型有充足的生存空間，卻無法避免在碰撞過程中受到傷害，因此有必要對(duì)該輕卡正面碰撞安全性進(jìn)行優(yōu)化。

圖5 膝蓋處生存空間隨時(shí)間變化曲線

2 方形薄壁截面吸能結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

Abramowicz對(duì)方形截面梁的變形模式進(jìn)行了分類，具體如表1所示，其中箭頭表示的是每條邊的變形方向[5]。

表1 方形截面梁變形模式

不同變形模式下方形截面梁的平均反力和半波長(zhǎng)計(jì)算公式分別如下所示。

對(duì)稱變形模式（sym）：

A型非對(duì)稱變形模式（asymA）：

B型非對(duì)稱變形模式（asymB）：

外延變形模式（ext）：

以上各式（1）、（2）、（3）、（4）中 P2為平均反力；λ為半波長(zhǎng)；b為方形截面邊長(zhǎng)；t為截面梁壁厚；M0為極限彎矩：

式中，σ0為能量等效流動(dòng)應(yīng)力：

式中，σs為強(qiáng)度極限；σ0.2為應(yīng)變?yōu)?.002時(shí)的應(yīng)力。

本文選取DC01為吸能結(jié)構(gòu)的材料，σs=228.62 MPa，σ0.2=376.84 MPa。在碰撞初始階段，駕駛室前圍板最先變形，緊接著地板前端發(fā)生折彎變形，由于轉(zhuǎn)向機(jī)構(gòu)與地板前端緊密連接，因此，地板前端的折彎變形導(dǎo)致轉(zhuǎn)向機(jī)構(gòu)產(chǎn)生較大的縱向位移，嚴(yán)重侵犯了乘員生存空間。圖6顯示，地板前端在其縱向反力達(dá)到最大值100 136 N后開始產(chǎn)生明顯變形，為了使吸能結(jié)構(gòu)先于地板前端發(fā)生壓潰變形，設(shè)所有吸能結(jié)構(gòu)的平均反力之和不能超過100 136 N，為充分利用地板縱梁頭部的設(shè)計(jì)空間，本文準(zhǔn)備為輕卡安裝4個(gè)截面邊長(zhǎng)為70 mm的方形截面吸能結(jié)構(gòu)，則每個(gè)吸能結(jié)構(gòu)的平均反力不超過25 034 N。

圖6 地板前端縱向反力隨時(shí)間變化曲線

已知外延變形模式的平均反力大于其余變形模式，為了進(jìn)一步確保最終設(shè)計(jì)出的吸能結(jié)構(gòu)的平均反力小于目標(biāo)值，假設(shè)方形截面吸能結(jié)構(gòu)的變形模式全部為外延模式，即將上述數(shù)據(jù)代入式（4）可得到最小的厚度設(shè)計(jì)近似為t=1 mm。將t=1 mm和上述數(shù)據(jù)代入式（1）和式（4）可求得近似值 λsym=17 mm和λext=8 mm。帶誘導(dǎo)槽的方形截面薄壁吸能結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)還應(yīng)滿足圖7和式（7）。

圖7 方形截面梁結(jié)構(gòu)參數(shù)

綜上所述，最終吸能結(jié)構(gòu)的厚度為1 mm，方形截面邊長(zhǎng)為70 mm，總長(zhǎng)度為100 mm，具體結(jié)構(gòu)如圖8所示。

圖8 吸能結(jié)構(gòu)安裝效果圖

3 仿真驗(yàn)證

對(duì)安裝方形截面吸能結(jié)構(gòu)的輕卡再次進(jìn)行正面碰撞仿真。圖9顯示，吸能結(jié)構(gòu)產(chǎn)生了明顯的壓潰變形，且此時(shí)地板前端尚未產(chǎn)生明顯的折彎變形，實(shí)現(xiàn)了吸能結(jié)構(gòu)先于地板發(fā)生變形的設(shè)計(jì)目標(biāo)；圖10顯示，吸能結(jié)構(gòu)共吸收掉11.90 kJ的碰撞能量，占總碰撞能的40.5%，吸能效果顯著；圖11顯示，碰撞過程中轉(zhuǎn)向柱罩與膝蓋的最小距離增大至23.837 9 mm，優(yōu)化效果十分明顯。

圖9 吸能結(jié)構(gòu)壓潰變形效果

圖10 吸能結(jié)構(gòu)內(nèi)能隨時(shí)間變化曲線

圖11 優(yōu)化后膝蓋處生存空間隨時(shí)間變化曲線

4 結(jié)論

（1）建立輕卡有限元模型并進(jìn)行正面碰撞仿真，結(jié)果表明，仿真過程中模型質(zhì)量增加0.015%，幾乎為0，總能量不變，滑移能為正值且遠(yuǎn)小于5%，沙漏能小于5%，證明本文輕卡有限元模型具有較好的仿真精度，但仿真結(jié)果進(jìn)一步表明，在輕卡正面碰撞過程中，轉(zhuǎn)向柱罩與膝蓋間的最小距離為-41.397 6 mm，對(duì)人體造成了傷害，有必要對(duì)輕卡的正面碰撞安全性進(jìn)行優(yōu)化。

（2）采用方形截面薄壁梁的壓潰理論，根據(jù)駕駛室地板前端受到的縱向力峰值和地板縱梁頭部設(shè)計(jì)空間的大小，設(shè)計(jì)出一種方形截面薄壁吸能結(jié)構(gòu)。對(duì)安裝了吸能結(jié)構(gòu)的輕型卡車再次進(jìn)行正面碰撞仿真，結(jié)果表明，吸能結(jié)構(gòu)吸收了40.5%的碰撞能量，且碰撞過程中，轉(zhuǎn)向柱罩與膝蓋的最小距離提升至23.837 9 mm，保證了人體的絕對(duì)安全，輕卡正面碰撞安全性得到了顯著地提升。