某轻型卡车正面A柱撞击仿真与改进

王良模，陈东益，邹小俊，张汤赟，张遵智

(1.南京理工大学机械工程学院，江苏南京210094;2.南京依维柯汽车有限公司，江苏南京210028)

随着我国汽车工业的迅速发展，商用车的产销量不断提高，但安全性能明显落后.欧美以及日本等国的商用车碰撞事故统计结果显示:伤亡最重的事故为正面碰撞和滚翻，导致乘员伤亡的主要原因就是驾驶室结构强度较差，在冲击和挤压的作用下，驾驶室结构被压溃，无法保证乘员生存空间［1］.

国外很多汽车厂商和研究机构对商用车碰撞安全性研究中的建模方法、生存空间检验以及驾驶室结构改进等方面进行了大量的研究［2-5］.近年来，国内基于ECER29等碰撞标准也开展了相关的研究，如王登峰等［6］按ECE R29-02进行了商用车驾驶室顶盖准静压和正面摆锤动态撞击试验仿真分析和改进，并通过实车试验验证了改进方案.陆善彬等［7］对某商用车驾驶室进行ECE R29碰撞仿真，发现最小生存空间小于碰撞完成后的生存空间，提出了利用碰撞过程中的最小生存空间来进行生存空间评价.笔者以某轻型卡车为研究对象，对驾驶室进行模态分析和整车100%正面碰撞仿真分析和试验研究，同时，参照 ECE R29-03 标准［8］，提出减小碰撞能量的方法，进行正面A柱摆锤撞击试验仿真分析，以提升该车的碰撞安全性.

1 有限元模型建立

1.1 网格划分

轻卡驾驶室由大面积的钣金件组成，各零件之间通过焊接、铆接等方式进行连接.因此，以四边形壳单元为主，允许少量三角形单元，对驾驶室进行离散化.在碰撞仿真分析中，采用显式积分法，求解时间决定于模型的最小时间步，故确定单元的尺寸为10 mm，最小为3 mm［9］.利用批处理网格划分软件Batchmesher，根据设置好的网格标准，对车身钣金件进行网格划分，并利用Hypermesh进行网格修正，最终整车模型包括537 348个四边形单元和17 115个三角形单元，其中三角形单元比例为2.9%.

1.2 材料选择

在整车模型中，用36号弹塑性分段线性材料模型，设置线性部分的弹性模量、密度和泊松比;非线性部分导入不同应变率下的高速拉伸试验真实应力-应变曲线.对于风窗玻璃，使用27号脆性材料模型，除线性参数外，设置塑性应变失效，以模拟碰撞过程中玻璃的碎裂［10］.以冷轧低碳钢 DC03为例，其线性部分参数:弹性模量为210 GPa，密度为7.89 ×10-6kg·mm-3，泊松比为 0.3.图 1 为其不同应变率下的塑性应力-应变曲线.

图1 DC03不同应变率下塑性应力-应变曲线

1.3 焊接及其他连接方式模拟

在整车模型中，使用截面直径为6 mm的弹塑性梁单元，设置其6向刚度，对焊接进行模拟，驾驶室焊点数目为3 756个［11］.对于螺栓连接与铆接，使用一维刚性单元rbe2进行模拟.对于前挡风玻璃与车身的胶粘使用实体单元模拟，并融合两侧节点.

1.4 接触处理

在本次碰撞分析中，采用Type7通用型点对面接触，模型中的主要接触对有2对:整车自接触以及摆锤与驾驶室接触.其间隙值在指定范围内变化，为0.7～0.8 mm;使用的摩擦力方程为库伦摩擦法则，摩擦因数为0.2，并调整网格消除初始穿透与干涉.

2 驾驶室试验模态与仿真模态研究

为验证驾驶室模型的准确性，进行了试验模态与仿真模态研究.根据模态试验要求，去掉驾驶室模型的翼子板、发动机舱盖板、前大灯支撑架和风窗玻璃等零件，并将点焊弹塑性梁单元替换为acm单元.最终驾驶室模型共有单元307 031个，节点数为317 951个，总质量为164.8 kg，试验时驾驶室采用悬吊安装，模拟自由-自由边界条件［12］.驾驶室模态结果对比如表1所示，两者具有较好的一致性.

表1 驾驶室模态结果对比

3 100%正面碰撞分析验证

根据《汽车正面碰撞的乘员保护(征求意见稿)》标准的要求，对该车进行50 km·h-1正面100%碰撞仿真.正面碰撞试验结果与仿真结果的比较如图2所示，车身前部引擎盖与翼子板变形情况基本吻合，前挡风玻璃没有破裂，车门基本没有变形，生存空间足够，该车顺利通过了正面碰撞试验.同时，证明了整车有限元模型的准确性，为进行正面A柱撞击仿真建立了一个可靠的基础.

图2 试验结果与仿真结果比较

4 正面A柱摆锤撞击仿真

4.1 试验方法

ECE R29-03标准中对于最大允许质量大于7 500 kg的N2与N3类车型增加了正面A柱摆锤撞击试验，而对于最大允许质量小于7 500 kg的N2与N1类车型不需要进行此项试验.此项试验是考察车辆发生90°侧翻后撞击到树或防栏杆等圆柱物导致A柱变形，对乘员生存空间的影响［13］.

为了更全面地检验轻型卡车的碰撞安全性能，参照ECE R29-03标准，对轻型卡车进行正面A柱摆锤撞击试验.由于ECE R29-03中正面A柱摆锤撞击的能量为29.4 kJ，这是针对最大允许质量大于7 500 kg的车型所确定的.为了确定合适的撞击能量，参考ECE R29-02与ECE R29-03标准中正面摆锤撞击试验中，最大允许质量小于7 500 kg与大于7 500 kg的撞击能量比例分别为0.67与0.53，为更严格地考验轻型卡车，故选取比例值为0.67，即撞击能量为19.6 kJ.

利用壳单元模拟摆锤，使用rbe2单元连接摆锤模型所有节点，在主节点上附加集中质量，使摆锤质量达到1 000 kg，求得摆锤的角速度为1.787 rad·s-1时，直径为600 mm，长度为2 500 mm，悬挂高度为3 500 mm，悬挂宽度为1 000 mm，约束摆锤悬挂横梁除轴向转动外的其他5个自由度.

4.2 正面A柱摆锤撞击仿真结果

正面A柱摆锤撞击仿真使用求解器为RADIOSS，设置强制时间步为5×10-7s，整车质量变化为1.16%，能量变化为24.70%，沙漏能比例小于1.00%.下面将分别从整体能量变化、整车变形以及生存空间方面进行分析.

正面A柱摆锤撞击仿真如图3，4所示，在162 ms时，系统的内能达到最大，驾驶室最大动态变形为307.3 mm.在240 ms时，系统中的动能与内能保持稳定，回弹完成后最大变形为260.1 mm，故认为检验碰撞过程中最小生存空间的方法更能保证乘员的安全.

图3 正面A柱摆锤撞击仿真能量变化图

图4 正面A柱摆锤撞击仿真驾驶室变形图

在162 ms时，整车变形最大，将五十百分位男性假人模型导入此时刻整车模型检验生存空间，使假人与座位贴合.发现方向盘与假人腿部发生接触，转向管柱与膝部发生接触，生存空间无法满足要求，该车不能通过正面A柱碰撞试验.

5 驾驶室结构改进设计

碰撞仿真结果表明:原车在正面A柱摆锤试验中假人触碰驾驶室内非弹性零件，所留生存空间不足，且驾驶室被完全压溃损坏，无法保护乘员安全.对驾驶室结构进行了改进，使改进后车型能够顺利通过正面A柱摆锤撞击试验.

5.1 结构改进方案

观察碰撞过程中驾驶室各零件的变形情况可以发现较严重的变形3处:第1处是A柱，其直接与摆锤接触，在162 ms时A柱在碰撞过程中塌陷严重，最大x向动态变形为288.9 mm，且最大变形位于A柱中部，而与顶盖连接的部分x向动态变形为260 mm左右，无法有效地将能量由顶盖传递到后围与地板部分吸收;第2处是后围横梁部分，其中部最大x向动态变形为307.3 mm，且凹陷明显，但同时后围纵梁并没有明显变形，横梁早于纵梁被压溃，在横梁压溃后不能充分发挥纵梁的吸能作用;第3处是后围与B柱以及地板横梁的连接部分，后围板中部最大x向动态变形为295.9 mm，且变形趋势整体过渡不均匀，两侧底部偏弱.针对上述问题，在A柱内填充结构泡沫，材料为陶氏化学生产的双组分聚氨酯，密度为384 kg·m-3，压缩模量为85 MPa，泊松比为0.35［14］，从而提高A柱的抗撞性，所处的位置为与摆锤接触且变形较大的部分.另外，在后围两侧各添加1条纵梁与横梁，使整个后围构成一个完整封闭的框架，板厚为1.0 mm;在横梁中部添加1块加强板，范围覆盖凹陷较严重部分，板厚为1.2 mm.使用材料均为屈服强度340 MPa的HSA340.

5.2 改进后正面A柱摆锤撞击仿真

改进前后能量变化比较如图5所示，改进方案内能达到最大值的时间为151 ms，而原方案为162 ms，相比减少11 ms，说明改进方案的吸能速度更快.另外在40 ms时，改进方案的内能上升速度明显加快，此时正是A柱与摆锤接触的时刻，说明A柱内结构泡沫的存在对A柱吸能速度的提升有较好效果.同时，在240 ms时，改进方案的内能总量小于原方案的内能总量，说明改进方案在碰撞过程中的接触摩擦更大，更多的驾驶室零件对吸能做出了贡献.

图5 改进前后能量变化比较

改进前后驾驶室变形比较如图6所示，改进方案整车最大变形为259.2 mm，而原方案整车最大变形为 307.3 mm，相比减少 48.1 mm.

图6 改进前后驾驶室变形比较

改进前后A柱变形比较如图7所示，改进方案A柱保持较完整，并没有像原方案一样被压溃.改进方案最大变形为252.1 mm，而原方案最大变形为288.6 mm，相比减少36.5 mm，且改进方案 A 柱变形阶梯状分布明显，能够更好地将撞击能量由顶盖传递到后围及地板.

图7 改进前后A柱变形比较

比较后围横梁变形可得出:改进方案的后围横梁由于内加强板的存在，最大变形为278.5 mm，而原方案为307.3 mm，减少了28.8 mm，且改进方案横梁与纵梁变形均匀，能够更好地将撞击力量传递到后围及地板.

比较后围与B柱以及地板横梁连接处变形得出:改进方案后围板最大变形为249.4 mm，而原方案为295.9 mm，减小了 46.5 mm，改进方案后围板与加强梁变形均匀，能量吸收均匀.

将假人模型导入151 ms时整车模型，测得方向盘与假人胸部最近距离L1为64.3 mm，方向盘与腿部最近距离L2为12.3 mm，转向管柱与膝盖最近距离L3为28.9 mm，顶盖与头部最近距离L4为161.8 mm.初始状态时，L1，L2，L3，L4分别为 201.9，99.1，165.7，230.4 mm.由此可以看出:改进方案虽然通过了正面A柱碰撞试验，但是在最大动态变形时刻假人所留生存空间较少.

最终原方案整车内能为13.329 kJ，改进方案内能为12.515 kJ.由表2可以看出:地板对内能的吸收作用最大，原方案占总内能比为19.98%，改进后为19.47%，其次是A柱，原方案内能占总内能比为16.32%，改进后为17.38%.后围对能量的吸收也起了较大的作用，其吸能比分别达到了10.09%和8.53%.

表2 改进前后各部件吸能比较 %

综上所述，改进方案中主要零件的吸能比与原方案基本持平，而改进方案的变形普遍比原方案小，说明驾驶室内各零件能量吸收的分布更加均匀，而不像原方案中某些零件严重变形从而吸收能量.

6 结论

1)卡车驾驶室的试验模态和仿真模态具有较好的一致性，有限元模型精度较高.

2)整车100%正面碰撞仿真与正面碰撞试验结果表明:车身前部引擎盖与翼子板变形情况基本吻合，前挡风玻璃没有破裂，车门基本没有变形，生存空间足够，该车顺利通过了正面碰撞试验.

3)参照ECE R29-03标准，提出了轻型卡车正面A柱摆锤撞击仿真方法，并进行了正面A柱摆锤撞击试验仿真分析，发现假人触碰驾驶室内非弹性零件，不满足生存空间要求.

4)采取在A柱填充结构泡沫、增加后围加强梁和后围横梁加强板等改进措施，改进后正面A柱摆锤撞击仿真结果表明:驾驶室生存空间满足要求，整体结构刚度得到加强，优化了力的传递路径，各零件对碰撞能量的吸收更充分更均匀，提高了整车抗撞性.

References)

［1］张君媛，赵紫剑，陆善彬，等.某商用车摆锤冲击安全性CAE分析与改进设计［J］.汽车技术，2010(1):1-5.Zhang Junyuan，Zhao Zijian，Lu Shanbin，et al.CAE analysis and improvement design of the safety of commercial truck in pendulum impact［J］.Automobile Technology，2010(1):1-5.(in Chinese)

［2］Patidar S K，Tandon V，Mahajan R S，et al.Practical problems in implementing commercial vehicle cab occupant protection standard ECE R-29［C］∥SAE Technical Paper Series.USA:SAE Publication Group，Paper Number:2005-26-041.

［3］Gendar D.Numerical simulations for testing of commercial vehicle as per ECE-R29 regulations［C］∥SAE Technical Paper Series.USA:SAE Publication Group，Paper Number:2007-26-045.

［4］Dwivedi P，Kulkarni A，Chalipat S，et al.Protection devices to improve frontal pendulum impact performance of heavy commercial vehicles［C］∥SAE Technical Paper Series.USA:SAE Publication Group，Paper Number:2011-26-0099.

［5］de Castro I，Jr，Jokuszies M，Altamore P.Simulation of occupant response in the ECE R29 safety test［C］∥SAE Technical Paper Series.USA:SAE Publication Group，Paper Number:2001-01-3845.

［6］王登峰，刘丽亚，董学锋，等.商用车驾驶室碰撞安全性的研究与改进［J］.汽车工程，2011，33(1):2-5.Wang Dengfeng，Liu Liya，Dong Xuefeng，et al.A study on the impact safety of commercial vehicle cab and its improvement［J］.Automotive Engineering，2011，33(1):2-5.(in Chinese)

［7］陆善彬，张君媛，周 剑，等.商用车ECE R29法规试验中乘员生存空间的研究［J］.汽车技术，2009(6):43-47.Lu Shanbin，Zhang Junyuan，Zhou Jian，et al.Study on the occupant survival space of commercial vehicle in the ECE R29［J］.Automobile Technology，2009(6):43-47.(in Chinese)

［8］Economic Commission for Europe Inland Transport Committee.ECE R29-03 Uniform provisions concerning the approval of vehicles with regard to the protection of the occupants of the cab of a commercial vehicle［S］.United Nations:Economic and Social Council，2010.

［9］葛如海，王群山.汽车保险杠碰撞的数值模拟［J］.江苏大学学报:自然科学版，2005，26(4):308-311.Ge Ruhai，Wang Qunshan.Crash simulation for car bumper［J］.Journal of Jiangsu University:Natural Science Edition，2005，26(4):308-311.(in Chinese)

［10］王良模，陈东益，袁刘凯，等.某专用校车顶部安全性能的仿真与改进［J］.南京理工大学学报:自然科学版，2012，36(6):1031-1035.Wang Liangmo，Chen Dongyi，Yuan Liukai，et al.Simulation and improvement of safety performances of a certain school bus［J］.Journal of Nanjing University of Science and Technology，2012，36(6):1031-1035.(in Chinese)

［11］Cao Libo，Bai Zhonghao，Wu Jun，et al.Structural improvement for the crash safety of commercial vehicle［C］∥SAE Technical Paper Series.USA:SAE Publication Group，Paper Number:2009-01-2917.

［12］王二兵，周 鋐，徐 刚，等.基于车身板件声学贡献分析的声振优化［J］.江苏大学学报:自然科学版，2012，33(1):25-29.Wang Erbing，Zhou Hong，Xu Gang，et al.Acoustic-vibration optimization based on panel acoustic contribution analysis ofvehicle body［J］.JournalofJiangsuUniversity:Natural Science Edition，2012，33(1):25-29.(in Chinese)

［13］张 昕，张君媛，刘丽亚，等.ECER29-02和ECER29-03法规对商用车驾驶室结构要求的对比分析［J］.汽车技术，2012(2):43-47.Zhang Xin，Zhang Junyuan，Liu Liya，et al.Comparison and analysis of the commercial vehicle ECE R29-02 and-03 regulatory requirements on cab structure［J］.Automobile Technology，2012(2):43-47.(in Chinese)

［14］Pathare R，Mansour M.Automotive roof crush，structural foam enhancement solution［C］∥SAE Technical Paper Series.USA:SAE Publication Group，Paper Number:2009-01-0371.