某重型卡車駕駛室頂部強度仿真分析*

呂 償，傅源方，向 宇

(廣西工學院汽車與交通學院，廣西 柳州 545006)

1 引言

為降低汽車事故中的人員和財產損失，歐洲各國制定了統一的歐洲經濟共同體指令和歐洲經濟委員會法規，對汽車構造及使用做出了相應嚴格的規定，隨著車輛安全相關法規的制定、改進和完善，目前已經形成了美國FMVSS系列和歐洲EEC和ECE系列為代表的兩大車輛安全法規體系，該體系包括車輛事故預防、碰撞傷害保護及其他用以提高汽車碰撞安全性的規則，并對具體測試方法和檢測標準進行了詳細規定［1－3］。經大量研究表明，車頂強度偏弱是汽車在發生翻滾后，車頂受到沖擊載荷發生大變形的同時侵入駕駛室，使駕駛員生存空間變小，從而對駕駛員造成致命傷害的直接原因，由此可見在汽車發生翻滾后，車頂強度直接決定了駕駛員生還的幾率［4］。

國外已經對汽車碰撞安全性的CAE分析做了許多的研究，而國內對汽車駕駛室碰撞安全性CAE分析與研究還處在起步階段，筆者對某重型卡車駕駛室按照歐洲經濟委員會《關于對商用車駕駛室乘員保護方面的車輛認證的統一規定》(ECER29－02)法規進行了其頂部強度壓潰實驗的安全性數值分析，采用有限元前處理軟件Hypermesh建立有限元仿真模型，使用LS－DYNA進行仿真計算求解，驗證其頂部強度壓潰安全性，并對仿真結果提出了改進意見。

2 CAE有限元建模

由UG建立某重型卡車駕駛室的數學模型，導入前處理軟件Hypermesh中，由于該CAD數學模型較復雜且曲面較多，而且還存在數據轉換的誤差，因此會出現面與面之間產生縫隙、重疊、貫穿、錯位等缺陷，這將直接影響網格質量。在網格劃分時無形中增加了很多的工作量，為保證網格質量而又不影響仿真的真實性，要消除倒角、小孔以及凸臺等細小幾何特征，對復雜曲面應采取分割式劃分，細小幾何特征可作適當刪除，以避免出現網格之間的貫穿及不連續。

整個有限元建模中，對非重點關注和對分析結果不會產生較大影響的構件進行適當簡化，在保證計算精度的基礎上盡量減少人為操作工作量和計算機求解時間。駕駛室大部分構件都是由薄板覆蓋件組成，因此對駕駛室主體部分采用四邊形殼單元及極少部分的三角形單元對模型進行離散，單元的尺寸的大小及三角形單元的數量直接影響計算時間步長，進而影響整個模型的計算時間，所以必須控制最小單元的尺寸，盡量使用四邊形單元，四邊形殼單元的尺寸一般控制在10 mm左右，最小尺寸應大于6 mm。整個有限元模型的殼單元共366130個，網格質量檢查設置的各項控制參數:翹曲度＜20°;長寬比＜5;最小單元長度＞5 mm;雅克比＞0.7;四邊形最大單元內角＜135°;最小單元內角 ＞45°;三角形最大單元內角 ＜120°;最小單元內角＞20°，盡可能避免翹曲單元集中出現在同一片區域，在碰撞接觸區域的網格應規則、細致。

汽車車身材料大面積使用低碳薄鋼板，因此均采用殼單元對車身進行模擬，材料模型用MAT－24，剛性平板用MAT_20號材料模型，MAT_24和MAT_20的材料參數具體見表1、2所列。

表1 MAT24號材料參數

表2 MAT20號材料參數

對于有限元模型各部件之間的連接方式主要有共節點、焊點連接和剛體連接。共節點連接即是將焊接處的2個節點的所有自由度耦合;焊點連接和剛體連接是將2個及以上數目的相鄰節點的平動和轉動的自由度耦合，Rigdbody和Spotweld這兩種簡單連接方式只能用于可變性單元間的連接和焊接，所用的連接和焊接單元均沒有材料和屬性，如果將其賦予材料和屬性在計算中將會發生錯誤［5］。車身結構連接大部分由點焊工藝完成，整車有幾千個焊點，部件之間的焊點分布及焊點與焊點之間的間距對車身受到碰撞、沖擊、壓潰時的變性模式產生重要影響，在車身受到較大壓力產生較大變形時，會出現少量焊點的開裂，現有有限元分析軟件功能還沒有較好的辦法得到焊點的動態失效數據，因此本文暫不考慮焊點開裂的情況，只做簡單的焊點連接盡量與實車上的焊點保持一致，以保證仿真結果的真實性，附上完整有限元模型及所有所有焊點效果如圖1、2如示。

圖1 駕駛室有限元模型

圖2 整體焊點效果

仿真參數的控制對整個仿真的結果有著至關重要的影響，LS－DYNA顯示中心差分法的穩定性決定于時間長度，板殼單元的最大臨界時間步長為:

式中:L為單元特征長度;P為質量密度;E為彈性模量。

對本文殼單元為10 mm左右的網格尺寸，設置時間步長為1e－6s，即可保證計算穩定，整個駕駛室頂部強度計算時間預設20 ms，時間步長采用質量縮放控制，駕駛室頂部強度壓潰實驗是通過一個剛性平板加載，對駕駛室車架支撐處施加全約束來模擬車身在車架上固定的情況，為防止頂蓋受剛性平板加載過程出現不同部件之間相互貫穿或部件產生大變形，選擇自動單面接觸可保證汽車全部構件之間不會發生貫穿，可相對滑動，部件與部件之間考慮摩擦，本文定義的接觸類型為:* Contact_Automatic_Single_Surface，*con－tact_Automatic_Surface_to_Surface接觸。

3 駕駛室頂部強度仿真結果

根據ECER29－02法規［6］，筆者對駕駛室的頂部強度仿真實驗證明其強度的安全性，頂部強度仿真實驗就是模擬駕駛室在180°完全翻轉后，頂部要承受前軸載荷的全部載荷，由于ECER29－02法規要求頂部所加載的最大靜載荷不大于98 kN，本次仿真實驗車型的前軸載荷為7 t，故68.6 kN。在預定的加載時間內，駕駛室的變形已完全形成，剛性平板較初始位置垂直運動了82.3 mm，因加載剛性平板的初始位置建模位于頂部正上方與頂蓋將要接觸但又未接觸的位置，故剛性平板的位移就是頂部在受壓后的位移，符合ECER29－02法規的要求，即便加載后頂部出現變形，但仍為駕駛員提供了180°翻車后的生存空間，整個加載過程中，沙漏占總能量的0.035%，滑動占總能的0.46%，質量增加0.58%，因整個加載過程屬于靜態加載動能可完全忽略不計，有應力云圖可知頂蓋、A柱、B柱及駕駛室正前方橫梁承受較大應力，頂蓋部分最大應力580.3 MPa，B柱最上端承受603.4 MPa，均沒有達到該車型材料的最大屈服應力，故在整個頂壓過程中不會出現結構垮塌。

4 結語

參照ECER29－02對某重型卡車駕駛室頂部強度進行了仿真實驗，該仿真實驗一定程度上代替實車的實驗，為該類車型的改進提供了理論依據，同時為開發新型車型和質量認證提供一定的參考價值，節約了車輛開發認證的成本，提升經濟效益。根據仿真結果，改進意見如下。

(1)在駕駛室頂部考慮加裝高頂蓋，車輛發生事故時一定程度上起到極大的緩沖作用，而且高頂駕駛室結構設計日益趨于主流。

(2)對B柱和頂蓋橫梁之間采取封閉設計，焊點連接方式在頂部受到較大應力時會出現外鼓，變形較大，封閉結構可提高同等材料下構件的抗變形能力。

(3)在頂部兩側之間加一橫梁，可使頂部受力均勻，有效避免應力集中。

［1］鐘志華.汽車碰撞安全技術［M］.北京:機械工業出版社，2005.

［2］張金換，杜匯良，馬春生，等.汽車碰撞安全性設計［M］.北京:清華大學出版社，2010.

［3］葛如海，劉志強，陳曉東.汽車安全工程［M］.北京:化學工業出版社，2005.

［4］劉晶郁，李曉霞.汽車安全與法規［M］.北京:人民交通出版社，2005.

［5］胡遠志，曾必強，謝書港.基于LS－DYNA和HyperWorks的汽車安全仿真與分析［M］.北京:清華大學出版社，2011.

［6］關于對商用車駕駛室乘員保護方面的車輛認證的統一規定(ECER29－02)［S］.