汽車(chē)副儀表板頭部碰撞分析及優(yōu)化研究

江想蓮 張景煌 李含

摘? 要：汽車(chē)副儀表板作為內(nèi)飾部件之一，既滿足強(qiáng)度和功能要求同時(shí)也需滿足GB11552-2009中的碰撞性能要求，本文主要基于CAE仿真手段對(duì)副儀表板的碰撞性能分析和優(yōu)化，優(yōu)化后所有碰撞點(diǎn)均滿足設(shè)計(jì)目標(biāo)值，經(jīng)試驗(yàn)驗(yàn)證其滿足法規(guī)要求，這對(duì)副儀表板的開(kāi)發(fā)設(shè)計(jì)有著重要的指導(dǎo)意義。

關(guān)鍵詞：副儀表板;內(nèi)部凸出物;碰撞性能

中圖分類(lèi)號(hào)：U463.7? ? ? 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A? ? ? ? 文章編號(hào)：1005-2550（2020）01-0051-04

Research on head Impact simulation and improvement of automobile console

JIANG Xiang-lian， ZHANG Jing-huang， LI Han

（Dongfeng Motor Company Technology Center， WuHan 430058， China）

Abstract：? As one of the interior parts， the automobile console not only meets the strength and function requirements， but also meets the crash performance requirements of GB11552-2009. This paper mainly analyses and optimizes the crash performance of the console based on CAE simulation method.All the crash points of optimized structure meet the design target value.The test verifies that the console meets the requirements of regulations， which has important guiding significance for the development and design of the console.

前言

隨著人們生活水平的提高，汽車(chē)成為人們最主要的代步工具之一。日益頻繁的汽車(chē)碰撞事故時(shí)刻提醒著我們汽車(chē)被動(dòng)安全的重要性，汽車(chē)被動(dòng)安全設(shè)計(jì)的好壞能直接影響乘員在碰撞事故過(guò)程中的受傷害程度，各大車(chē)企對(duì)汽車(chē)被動(dòng)安全的設(shè)計(jì)尤為重視，氣囊、安全帶、安全座椅、吸能結(jié)構(gòu)的車(chē)身設(shè)計(jì)等一系列系統(tǒng)配合的安全設(shè)計(jì)措施挽救了無(wú)數(shù)生命[1]。而副儀表板作為與乘員可直接接觸的內(nèi)飾部件之一，當(dāng)車(chē)輛發(fā)生急剎或碰撞過(guò)程，乘員可能會(huì)與副儀表板發(fā)生磕碰，乘員頭部同副儀表板碰撞往往是造成致命性傷害的關(guān)鍵因素[2]，為了保證乘員不受過(guò)大的傷害，所以副儀表板的開(kāi)發(fā)設(shè)計(jì)除了滿足強(qiáng)度要求之外，必須同時(shí)滿足標(biāo)準(zhǔn)GB11552-2009乘用車(chē)內(nèi)部凸出物要求[3]，本標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定了汽車(chē)車(chē)廂內(nèi)部除了內(nèi)后視鏡外的所有內(nèi)飾件在凸出物方面的規(guī)定和測(cè)試方法。

本文中某轎車(chē)的副儀表板的開(kāi)發(fā)采用Hypermesh中的Radioss模塊顯式算法對(duì)副儀表板的頭部碰撞性能進(jìn)行分析及優(yōu)化研究，優(yōu)化后的副儀表板經(jīng)試驗(yàn)抽檢某個(gè)碰撞點(diǎn)，該碰撞點(diǎn)的結(jié)果滿足法規(guī)要求且和仿真結(jié)果很接近，進(jìn)一步驗(yàn)證了本模擬方法的可靠性。

2? ? 有限元模型的建立及仿真過(guò)程

2.1? ?副儀表板有限元模型的建立

對(duì)于頭部和副儀表板的碰撞仿真，有限元模型的好壞對(duì)仿真精度很敏感，所以模型盡可能精細(xì)且近似幾何數(shù)據(jù)，尤其是卡扣連接的模擬。如下圖1所示，副儀表板總成采用抽取幾何中面的形式進(jìn)行網(wǎng)格劃分，網(wǎng)格大小采用5mm×5mm的尺寸，面加強(qiáng)筋采用共節(jié)點(diǎn)形式，各壓板之間的卡扣、熱熔焊、clip柱等采用Spring并賦予剛度值來(lái)模擬，端頭采用剛性單元抓取。如下圖1所示，該模型節(jié)點(diǎn)數(shù)為116736個(gè)，殼單元數(shù)為113680個(gè)，Spring數(shù)為182個(gè)，剛性連接單位為1360個(gè);所有部件的材料及屬性賦予均與設(shè)計(jì)定義保持一致。

2.2? ?頭部模型

副儀表板頭碰分析采用直徑為165mm、重量為6.8kg規(guī)格的鋼球，材料采用剛體來(lái)模擬，如下圖2所示：

2.3? ?模型邊界條件定義

仿真模型約束邊界與試驗(yàn)工裝（如圖3）狀態(tài)保持一致，同副儀表板整車(chē)裝配狀態(tài)。如圖4所示地腳支架與地板的焊接位置采用約束6個(gè)自由度，副儀表板的前端與主儀表下本體的卡接處采用約束3個(gè)平動(dòng)自由度，中間位置的三個(gè)定位銷(xiāo)采用約束2、3兩個(gè)方向，來(lái)模擬限位效果。

2.4? ?模型加載及主要參數(shù)設(shè)置

鋼球撞擊速度為24.1km/h，撞擊方向?yàn)殇撉蚯蛐倪\(yùn)動(dòng)軌跡的切線方向，鋼球的運(yùn)動(dòng)軌跡由球頭與頭碰目標(biāo)點(diǎn)的接觸位置確定，以上撞擊方向和鋼球的運(yùn)動(dòng)軌跡可依據(jù)實(shí)車(chē)實(shí)測(cè)或者幾何數(shù)據(jù)上測(cè)量來(lái)確定[4]。球心位置以實(shí)際撞擊速度方向建立局部坐標(biāo)系的X向，球心和球面所有的節(jié)點(diǎn)進(jìn)行采用剛性連接，撞擊速度賦在球心上，撞擊方向選定為該局部坐標(biāo)系的X向，球心位置做一個(gè)加速度計(jì)用來(lái)提取其加速度信息。

模型主要設(shè)置參數(shù)有接觸設(shè)置、摩擦系數(shù)、計(jì)算時(shí)間、輸出參數(shù)。該頭碰模型接觸設(shè)置有兩個(gè)，分別為頭部與副儀表板接觸面的接觸和副儀表板的自接觸;兩個(gè)接觸的摩擦系數(shù)分別設(shè)置為0.15和0.3;根據(jù)前期預(yù)測(cè)計(jì)算時(shí)間設(shè)置為20ms即可完成頭碰計(jì)算;主要輸出參數(shù)為全局能量、球心加速度以及單元的位移速度應(yīng)力等。

2.5? ?目標(biāo)定義

按標(biāo)準(zhǔn)GB11552-2009中要求鋼球碰撞副儀表板過(guò)程中減速度超過(guò)80g的持續(xù)時(shí)間不應(yīng)該超過(guò)3ms[3]。文章采用Radioss的顯式算法對(duì)副儀表板的所有擬定的頭碰點(diǎn)進(jìn)行碰撞分析，并分別計(jì)算出頭碰點(diǎn)持續(xù)3ms的最大平均減速度，小于80g即為合格。

2.6? ?頭碰區(qū)域及頭碰點(diǎn)的確定

根據(jù)GB11552-2009法規(guī)要求采用靜態(tài)接觸法[3]確定頭碰區(qū)域如下圖5所示，本次確定頭碰區(qū)域?yàn)椴捎脭[臂模型在幾何數(shù)據(jù)上進(jìn)行確定，支點(diǎn)分別固定在左中右三個(gè)R點(diǎn)位置，通過(guò)360°旋轉(zhuǎn)擺臂并調(diào)節(jié)臂長(zhǎng)與副儀表板（R點(diǎn)25.4mm水平面以上）相接觸來(lái)確定頭碰極限區(qū)域，臂長(zhǎng)在736mm-840mm范圍內(nèi)可調(diào)。如圖下5所示擺臂支點(diǎn)在左邊R點(diǎn)時(shí)確定頭碰區(qū)域?yàn)辄S色劃線區(qū)域，擺臂支點(diǎn)在中間R點(diǎn)時(shí)確定頭碰區(qū)域?yàn)樗{(lán)色劃線區(qū)域，擺臂支點(diǎn)在右邊R點(diǎn)時(shí)確定頭碰區(qū)域?yàn)榫G色劃線區(qū)域，結(jié)合結(jié)構(gòu)特點(diǎn)由設(shè)計(jì)員在頭碰區(qū)域范圍內(nèi)給定出8個(gè)動(dòng)態(tài)頭碰分析點(diǎn)，有些點(diǎn)分布為重疊區(qū)域可自由處理選擇其中一種方式進(jìn)行模擬。本文定義左邊R點(diǎn)確定區(qū)域含點(diǎn)有1#、4#、8#，中間R點(diǎn)確定區(qū)域含點(diǎn)有2#、3#;右邊R點(diǎn)確定區(qū)域點(diǎn)有5#、6#、7#。

3? ? 頭碰結(jié)果分析及優(yōu)化

初始設(shè)計(jì)的副儀表板的頭碰結(jié)果如下表1所示，除了1#點(diǎn)和8#點(diǎn)的3ms最大均值減速度小于80g，其余點(diǎn)均不滿足設(shè)計(jì)目標(biāo)要求。加速度的大小主要受撞擊方向和頭碰點(diǎn)法線的夾角以及撞擊方向的結(jié)構(gòu)強(qiáng)度兩個(gè)因素影響，撞擊方向和頭碰點(diǎn)法線的夾角受所在點(diǎn)的位置限制無(wú)法改變，如需降低減速度主要通過(guò)削弱撞擊方向或者傳力路徑上的結(jié)構(gòu)件強(qiáng)度。

由于2#點(diǎn)的減速度最大且主要傳力路徑基本同其他點(diǎn)，因此本文取2#點(diǎn)的傳力路徑和變形模型進(jìn)行分析優(yōu)化，2#點(diǎn)主要傳力路徑如下圖6如所示，主要承受力的結(jié)構(gòu)件有鉸鏈支架1、2，地腳支架以及儀表本體，從圖中可以看出涉及的這四個(gè)件變形較小，導(dǎo)致球頭的減速度增大，因此降低減速度主要在于弱化傳力路徑上的結(jié)構(gòu)件。

根據(jù)上述分析并結(jié)合工藝可行性，確定如下圖7優(yōu)化方案，1）鉸鏈支架1料厚3mm減小至 2.5mm，結(jié)構(gòu)進(jìn)行弱化處理;2）鉸鏈支架2料厚3mm減小至 2.5mm，結(jié)構(gòu)進(jìn)行弱化處理，支架長(zhǎng)度減少30mm，槽距增加30mm;3）地腳支架料厚由1.5mm減小至1.2mm，并優(yōu)化結(jié)構(gòu);4）儀表板本體優(yōu)化其加強(qiáng)筋，采用潰式加強(qiáng)筋。

將2#點(diǎn)的優(yōu)化方案更新至模型重新計(jì)算，從圖8可以看出，優(yōu)化后2#壓潰行程增加了3.6mm，從圖9的優(yōu)化前后減速度曲線來(lái)看，2#點(diǎn)的最大均值減速度由84.3g降低至78.2g，共減小了6.1g，滿足3ms最大均值減速度小于80g的目標(biāo)值，說(shuō)明該優(yōu)化方案對(duì)降低減速度有顯著的效果。

4? ? 優(yōu)化方案的確認(rèn)及驗(yàn)證

將2#點(diǎn)的優(yōu)化方案更新至其他點(diǎn)的頭碰模型中，統(tǒng)計(jì)所有減速度結(jié)果如下表2所示，所有點(diǎn)均滿足目標(biāo)要求，最危險(xiǎn)點(diǎn)仍為2#點(diǎn)且減速度下降較小;主要原因?yàn)?#點(diǎn)所處位置的特殊性，其撞擊方向與法向夾角為14.2，這導(dǎo)致球頭撞擊力的沿法向分力較大，其減速度也會(huì)偏大;2#點(diǎn)位于Y=0平面導(dǎo)致該點(diǎn)受力平衡穩(wěn)定，不容易發(fā)生潰縮，最終導(dǎo)致其3ms最大均值減速度偏大達(dá)78.2g。其余點(diǎn)的減速度基本都下降了10g以上，有比較顯著的效果，且從仿真角度可斷定該優(yōu)化設(shè)計(jì)滿足目標(biāo)要求。

該款副儀表板進(jìn)行法規(guī)認(rèn)證試驗(yàn)，抽檢點(diǎn)為Y=0平面內(nèi)的點(diǎn)如下圖10所示，經(jīng)現(xiàn)場(chǎng)確認(rèn)與3#點(diǎn)位置最接近，試驗(yàn)結(jié)果顯示3ms峰值減速度為77g，最大減速度平均值為70.2g，滿足標(biāo)準(zhǔn)要求。對(duì)比3#點(diǎn)精度大約在97.3%。雖然單個(gè)點(diǎn)驗(yàn)證不足以代表所有點(diǎn)的驗(yàn)證效果，但一定程度上還是可以驗(yàn)證該仿真方法一定程度是可靠的。

5? ? 結(jié)論

（1）近年來(lái)國(guó)內(nèi)從事儀表板頭部碰撞仿真研究的較少，主要是由于塑料件比較難模擬，接觸、摩擦和失效參數(shù)等的設(shè)置都需要一定的理論基礎(chǔ)和經(jīng)驗(yàn)，同時(shí)還需要通過(guò)反復(fù)的調(diào)試[5]，本文中副儀表板建模及分析方法，經(jīng)驗(yàn)證具有較高的精度，為后續(xù)該方向的研究提供參考。

（2）基于該CAE仿真分析手段優(yōu)化后設(shè)計(jì)方案完全滿足標(biāo)準(zhǔn)要求，采用CAE仿真手段可節(jié)省副儀表的開(kāi)發(fā)周期，且提高了產(chǎn)品的可靠性。

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