某重型卡车驾驶室顶部强度仿真分析*

吕 偿，傅源方，向 宇

(广西工学院汽车与交通学院，广西 柳州 545006)

1 引言

为降低汽车事故中的人员和财产损失，欧洲各国制定了统一的欧洲经济共同体指令和欧洲经济委员会法规，对汽车构造及使用做出了相应严格的规定，随着车辆安全相关法规的制定、改进和完善，目前已经形成了美国FMVSS系列和欧洲EEC和ECE系列为代表的两大车辆安全法规体系，该体系包括车辆事故预防、碰撞伤害保护及其他用以提高汽车碰撞安全性的规则，并对具体测试方法和检测标准进行了详细规定［1－3］。经大量研究表明，车顶强度偏弱是汽车在发生翻滚后，车顶受到冲击载荷发生大变形的同时侵入驾驶室，使驾驶员生存空间变小，从而对驾驶员造成致命伤害的直接原因，由此可见在汽车发生翻滚后，车顶强度直接决定了驾驶员生还的几率［4］。

国外已经对汽车碰撞安全性的CAE分析做了许多的研究，而国内对汽车驾驶室碰撞安全性CAE分析与研究还处在起步阶段，笔者对某重型卡车驾驶室按照欧洲经济委员会《关于对商用车驾驶室乘员保护方面的车辆认证的统一规定》(ECER29－02)法规进行了其顶部强度压溃实验的安全性数值分析，采用有限元前处理软件Hypermesh建立有限元仿真模型，使用LS－DYNA进行仿真计算求解，验证其顶部强度压溃安全性，并对仿真结果提出了改进意见。

2 CAE有限元建模

由UG建立某重型卡车驾驶室的数学模型，导入前处理软件Hypermesh中，由于该CAD数学模型较复杂且曲面较多，而且还存在数据转换的误差，因此会出现面与面之间产生缝隙、重叠、贯穿、错位等缺陷，这将直接影响网格质量。在网格划分时无形中增加了很多的工作量，为保证网格质量而又不影响仿真的真实性，要消除倒角、小孔以及凸台等细小几何特征，对复杂曲面应采取分割式划分，细小几何特征可作适当删除，以避免出现网格之间的贯穿及不连续。

整个有限元建模中，对非重点关注和对分析结果不会产生较大影响的构件进行适当简化，在保证计算精度的基础上尽量减少人为操作工作量和计算机求解时间。驾驶室大部分构件都是由薄板覆盖件组成，因此对驾驶室主体部分采用四边形壳单元及极少部分的三角形单元对模型进行离散，单元的尺寸的大小及三角形单元的数量直接影响计算时间步长，进而影响整个模型的计算时间，所以必须控制最小单元的尺寸，尽量使用四边形单元，四边形壳单元的尺寸一般控制在10 mm左右，最小尺寸应大于6 mm。整个有限元模型的壳单元共366130个，网格质量检查设置的各项控制参数:翘曲度＜20°;长宽比＜5;最小单元长度＞5 mm;雅克比＞0.7;四边形最大单元内角＜135°;最小单元内角 ＞45°;三角形最大单元内角 ＜120°;最小单元内角＞20°，尽可能避免翘曲单元集中出现在同一片区域，在碰撞接触区域的网格应规则、细致。

汽车车身材料大面积使用低碳薄钢板，因此均采用壳单元对车身进行模拟，材料模型用MAT－24，刚性平板用MAT_20号材料模型，MAT_24和MAT_20的材料参数具体见表1、2所列。

表1 MAT24号材料参数

表2 MAT20号材料参数

对于有限元模型各部件之间的连接方式主要有共节点、焊点连接和刚体连接。共节点连接即是将焊接处的2个节点的所有自由度耦合;焊点连接和刚体连接是将2个及以上数目的相邻节点的平动和转动的自由度耦合，Rigdbody和Spotweld这两种简单连接方式只能用于可变性单元间的连接和焊接，所用的连接和焊接单元均没有材料和属性，如果将其赋予材料和属性在计算中将会发生错误［5］。车身结构连接大部分由点焊工艺完成，整车有几千个焊点，部件之间的焊点分布及焊点与焊点之间的间距对车身受到碰撞、冲击、压溃时的变性模式产生重要影响，在车身受到较大压力产生较大变形时，会出现少量焊点的开裂，现有有限元分析软件功能还没有较好的办法得到焊点的动态失效数据，因此本文暂不考虑焊点开裂的情况，只做简单的焊点连接尽量与实车上的焊点保持一致，以保证仿真结果的真实性，附上完整有限元模型及所有所有焊点效果如图1、2如示。

图1 驾驶室有限元模型

图2 整体焊点效果

仿真参数的控制对整个仿真的结果有着至关重要的影响，LS－DYNA显示中心差分法的稳定性决定于时间长度，板壳单元的最大临界时间步长为:

式中:L为单元特征长度;P为质量密度;E为弹性模量。

对本文壳单元为10 mm左右的网格尺寸，设置时间步长为1e－6s，即可保证计算稳定，整个驾驶室顶部强度计算时间预设20 ms，时间步长采用质量缩放控制，驾驶室顶部强度压溃实验是通过一个刚性平板加载，对驾驶室车架支撑处施加全约束来模拟车身在车架上固定的情况，为防止顶盖受刚性平板加载过程出现不同部件之间相互贯穿或部件产生大变形，选择自动单面接触可保证汽车全部构件之间不会发生贯穿，可相对滑动，部件与部件之间考虑摩擦，本文定义的接触类型为:* Contact_Automatic_Single_Surface，*con－tact_Automatic_Surface_to_Surface接触。

3 驾驶室顶部强度仿真结果

根据ECER29－02法规［6］，笔者对驾驶室的顶部强度仿真实验证明其强度的安全性，顶部强度仿真实验就是模拟驾驶室在180°完全翻转后，顶部要承受前轴载荷的全部载荷，由于ECER29－02法规要求顶部所加载的最大静载荷不大于98 kN，本次仿真实验车型的前轴载荷为7 t，故68.6 kN。在预定的加载时间内，驾驶室的变形已完全形成，刚性平板较初始位置垂直运动了82.3 mm，因加载刚性平板的初始位置建模位于顶部正上方与顶盖将要接触但又未接触的位置，故刚性平板的位移就是顶部在受压后的位移，符合ECER29－02法规的要求，即便加载后顶部出现变形，但仍为驾驶员提供了180°翻车后的生存空间，整个加载过程中，沙漏占总能量的0.035%，滑动占总能的0.46%，质量增加0.58%，因整个加载过程属于静态加载动能可完全忽略不计，有应力云图可知顶盖、A柱、B柱及驾驶室正前方横梁承受较大应力，顶盖部分最大应力580.3 MPa，B柱最上端承受603.4 MPa，均没有达到该车型材料的最大屈服应力，故在整个顶压过程中不会出现结构垮塌。

4 结语

参照ECER29－02对某重型卡车驾驶室顶部强度进行了仿真实验，该仿真实验一定程度上代替实车的实验，为该类车型的改进提供了理论依据，同时为开发新型车型和质量认证提供一定的参考价值，节约了车辆开发认证的成本，提升经济效益。根据仿真结果，改进意见如下。

(1)在驾驶室顶部考虑加装高顶盖，车辆发生事故时一定程度上起到极大的缓冲作用，而且高顶驾驶室结构设计日益趋于主流。

(2)对B柱和顶盖横梁之间采取封闭设计，焊点连接方式在顶部受到较大应力时会出现外鼓，变形较大，封闭结构可提高同等材料下构件的抗变形能力。

(3)在顶部两侧之间加一横梁，可使顶部受力均匀，有效避免应力集中。

［1］钟志华.汽车碰撞安全技术［M］.北京:机械工业出版社，2005.

［2］张金换，杜汇良，马春生，等.汽车碰撞安全性设计［M］.北京:清华大学出版社，2010.

［3］葛如海，刘志强，陈晓东.汽车安全工程［M］.北京:化学工业出版社，2005.

［4］刘晶郁，李晓霞.汽车安全与法规［M］.北京:人民交通出版社，2005.

［5］胡远志，曾必强，谢书港.基于LS－DYNA和HyperWorks的汽车安全仿真与分析［M］.北京:清华大学出版社，2011.

［6］关于对商用车驾驶室乘员保护方面的车辆认证的统一规定(ECER29－02)［S］.