满足FMVSS 201U的汽车立柱饰板开发研究

彭云，彭宏，李东强，毛飞，黄少娟，魏哓菲

满足FMVSS 201U的汽车立柱饰板开发研究

彭云，彭宏，李东强，毛飞，黄少娟，魏哓菲

（广州汽车集团股份有限公司汽车工程研究院，广东 广州 511434）

为满足北美法规FMVSS 201，结合汽车整车开发流程，针对立柱饰板提出了满足FMVSS 201U的开发流程，在项目关键节点通过合理设计方法，结合仿真与试验结果提出优化方案，缩短了开发周期，降低了开发成本。

FMVSS 201U；立柱饰板；CAE

前言

根据汽美国国家事故采样系统统计，在道路交通事故中，超过1/3的伤亡是乘员头部与汽车内饰件发生碰撞造成的，降低因乘员头部与内饰件二次碰撞造成的损伤尤为重要[1]。美国国家公路交通安全管理局（NHTSA）制定了FMVSS 201U法规，以考察立柱上饰板及顶棚零件的安全性设计[2]。虽然国标乘用车内部凸出物法规GB 11552未考虑上部饰件头碰保护要求，但考虑到乘员安全性要求，设计开发满足FMVSS 201U的内饰变得非常有必要。G. Spingler[3]对 A 柱上测试点进行头部碰撞试验仿真，研究了测试点位置及碰撞时转动运动对伤害值的影响，并通过在 A 柱上增加合理的肋结构以减小对头部的伤害。王[4]基于B柱CAE模型分析了饰板厚度、材料、结构对HIC影响。Ben[5]和向[6]以A柱为例介绍了CAE模型建模方法，并与试验结果对比。曾[7]介绍了满足FMVSS 201U的内饰设计原则，分析了内饰件的造型，吸能块的形式与布置，吸能材料的选择和吸能结构设计等因素对内饰件头部碰撞保护的影响。

为解决立柱饰板的FMVSS 201U安全性开发要求，结合整车开发流程，利用仿真与试验相结合的方法，在设计阶段优化立柱饰板，能大大提升法规符合性要求。

1 FMVSS 201U法规介绍

针对乘用车以及额定车辆总重不超过4536kg的多用途乘用车、卡车和客车（不适用额定车辆总重大于3860kg的客车）。质量为4.54kg的50百分位混Ⅲ假人自由头部模型（Free Motion Head，FMH）以19.2或24km/h（不带侧气帘车型碰撞速度为24km/h；带侧气帘车型在气帘系统50mm以内区域碰撞速度为19.2km/h，气帘系统50mm以外区域碰撞速度为24km/h）在规水平接近角和垂直定接近角撞击上部内饰件，要求HIC（d）应小于1000[8]。根据法规要求确定碰撞点位置，要求碰撞点落于FMH的前额碰撞区域，如图1、图2所示。针对各目标点所在的不同内饰件，法规对FMH碰撞时的发散的水平角与垂直角有明确规定，各目标点的发射角度，如图3，表1所示。

图1 碰撞点示意图

图2 FMH前额碰撞区域示意图

图3 水平接近角与垂直接近角示意图

表1 碰撞点水平接近角与垂直接近角范围

2 碰撞机理分析

假人头部损伤计算公式如下：

碰撞过程中，根据能量守恒定律，如式3和式4，初始能量受头模质量与撞击速度影响，为恒定值。头模与内饰表面接触过程受到作用力的方向与质心不在一个方向，故产生旋转力矩，将一部分能量转换为转动动能，而假人头部损伤受平动影响，旋转动能越大，平动加速度越小，假人损伤值越低。垂直接近角增大，头模转动能量越大，HIC值越低，水平接近角越接近0度，HIC值越大[9]-[10]。

图4 FMH垂直角度、水平角度与HIC(d)的相关性

3 基于FMVSS 201U的立柱饰板正向开发流程

图5 立柱饰板FMVSS 201U主要开发节点

如图5所示，在概念设计阶段，根据FMVSS201U的试验流程确认碰撞区域及碰撞点位置，在主断面设计时，结合对标库及经验库数据，校核内造型面与钣金之间的吸能空间，校核FMH接触区域曲面轮廓，通过增大吸能空间与提高转动能量来降低HIC(d)。在详细设计阶段，通过合理设计背部吸能结构，结合CAE分析方法降低HIC(d)。根据FMVSS201U试验流程进行DV试验验证，同时将仿真分析模型与试验结果进行拟合性分析，确认分析结果的准确性。

结合整车开发流程，在项目关键开发节点上，提出了满足FMVSS 201U的内饰正向开发流程，如图6所示。

图6 满足FMVSS 201U内饰开发流程图

4 案例分析

以某款车型开发为例，根据FMVSS 201U法规要求，确认碰撞点，及FMH碰撞水平接近角及垂直接近角，根据材料库参数及3D数据用Hypermesh建立仿真分析模型。然后用LSDYNA软件计算出碰撞点HIC(d)，结合试验结果，对CAE模型进行修正，同时制定优化方案。结果显示，优化方案明显降低了假人头部损伤，为后续新车型开发提供的设计经验。

4.1 CAE仿真模型建立

为了反映车身刚度对FMVSS 201U结果影响，模型中包含白车身和内饰。悬架和动力传动系统对结果影响较小，可以忽略。在白车身和悬架连接处的节点约束6个方向自由度。卡扣采用塑料材料壳单元模拟，与白车身用刚性连接，如图7所示。

图7 仿真模型

根据FMSS 201的要求确定碰撞点坐标，同时调整FMH的垂直角度和水平角度。最终输出碰撞点及FMH位置信息，表2为AP2碰撞点信息表。

表2 AP2碰撞点及FMH位置信息

将计算模型提交后处理器计算，输出碰撞动画、加速度位移曲线及HIC(d)值。图8为AP2仿真结果，HIC (d, 36) = 1281，超出法规要求。

4.2 试验关键要求

根据201U头碰试验操作规则，按要求完成配重、胎压检测、车身姿态确认等准备工作。然后根据CAE仿真分析结果，选取仿真结果中高风险点作为试验碰撞点。根据仿真分析结果调整模型的水平角、垂直角、碰撞速度等信息。图9为AP2碰撞信息示意。

图9 AP2碰撞信息

4.3 CAE结果及优化

CAE模型建立后根据试验结果进行拟合性优化，其中密封条采用3D实体建模，按实际装配状态调整密封条唇边，使唇边贴合饰板边缘面。安全带高调器中可调整结构需要建模，通知保证机构件的运动关系，导向环与螺栓连接的相对转动运动需要保留，同时碰撞点位置和碰撞角度根据试验结果调整。

以AP2为例，碰撞速度为24km/h,HIC仿真结果为1281.7，HIC试验结果为1207.2，加速度与位移曲线仿真与试验一致性较高，如图10所示。

图10 AP2试验与仿真结果对比

表3 优化方案结果对比

为降低HIC值，可以通过调整CAS、背部增加筋条等方案增大吸能效果。具体方案及仿真结果如表3所示。

通过对比4个方案，最终采用方案三，造型A面向外移动10mm，背部增加筋条，同时考虑A柱中的侧气帘正常展开，在气帘区域增加弱化槽，最终优化方案CAE结果HIC(d)为792，满足分析要求，图11为优化后A柱上饰板实物图。

5 总结

针对立柱饰板的FMVSS201U法规符合性，结合整车开发流程，提出了基于安全性的正向开发流程，通过仿真与试验结合方法优化方案，最终满足法规要求，该方法可适用于顶棚系统零件的开发。

[1] 古杰.基于大规模仿真数据的骑车人碰撞行为研究[D].北京:清华大学,2010.

[2] National Highway Traffic Safety Administration,Dept.of Transporta -tion.Standard No.201:Occupant Protection in Interior Impact,49 CFR,Ch.V,Parts 571.201[S].Federal Motor Vehicle Safety Standards, October 1998,

[3] G.Spingler.FMVSS 201:Appropriate Injected Rib Design for Trim Panels [R]. SAE Paper 2007-01-2128,2007.

[4] 王亚军,陈超卓,吴沈荣.FMVSS201 规程在车辆内饰件与乘员头部碰撞中的应用,汽车安全与节能学报,2010.

[5] Ben Dennis and Richard Sturt, “CAE METHODS FOR SIMULAT -ING FMVSS 201 INTERIOR HEAD IMPACT TESTS”, Interna -tional Technical Conference on the Enhanced Safety of Vehicles Cd Rom, 2001.

[6] 向良明,徐以国.基于有限元碰撞分析的汽车柱饰板结构优化[J]. 设计研究,2012.

[7] 曾宪菁,满足头部碰撞法规FMVSS 201U要求的内饰设计[J].汽车工程,2013,5(2):152-158.[8] NHTSA, Laboratory Test Procedure For FMVSS 201 Occupant Protection in Interior Impact Upper Interior Head Impact Protection, TP201U-01, April 3, 1998.

[8] Wang Yang, BI Tengfei, Du Tianqiang, Kong Jun, Wang Kun,” Research on the Relation between HIC(d) and Approach Angle in FMVSS 201U Headform Test”,The 10th Int, Forum of Automotive Traffic Safety(INFATS), Shenzhen-Hongkong, China, January 2013.

[9] 吕婕.汽车内饰件与乘员头部碰撞仿真自动化模块开发及应用.吉林大学.硕士学位论文.2016.

Development and research of automotive pillar trim for FMVSS 201U

Peng Yun, Peng Hong, Li Dongqiang, Mao Fei, Huang Shaojuan, Wei Xiaofei

( Guangzhou Automobile Group Co., Ltd. Automobile Engineering Research Institute, Guangdong Guangzhou 511434 )

In order to meet the North American regulations FMVSS 201, combined with the vehicle development process, the development process of FMVSS 201U is proposed for the pillar trim, and the optimization plan is adopted at the key nodes of the project through reasonable design methods, combined with simulation and test results, shortening the development cycle and reducing Development costs.

FMVSS 201U;Pillar trim;CAE

U463

A

1671-7988(2019)18-85-04

U463

A

1671-7988(2019)18-85-04

彭云，硕士，就职于广州汽车集团股份有限公司汽车工程研究院，主要研究方向为汽车被动安全、汽车内饰结构设计等。

10.16638/j.cnki.1671-7988.2019.18.028