相關零部件強度對車頂抗壓性能的影響

胡遠志，劉 盼，劉 西

(重慶理工大學 a.車輛工程學院; b.汽車零部件先進制造技術教育部重點實驗室，重慶 400054)

相關零部件強度對車頂抗壓性能的影響

胡遠志a，b，劉 盼a，b，劉 西a，b

(重慶理工大學 a.車輛工程學院; b.汽車零部件先進制造技術教育部重點實驗室，重慶 400054)

針對豐田Yaris車型，利用LS-DYNA軟件分析了A柱、B柱、上橫梁、頂蓋第一橫梁、頂蓋第二橫梁等部件厚度不同時的車頂抗壓性能，并用Matlab對仿真結果進行了三次樣條曲線插值分析，得到了各部件料厚變化時車頂抗壓性能大小的曲線，以及各個部件對車頂抗壓性能的影響。

車頂抗壓性能;零部件厚度變化;插值分析;翻滾

汽車翻滾雖然發(fā)生的概率較低，但其致死率卻非常高。據(jù)統(tǒng)計，在美國，翻滾事故發(fā)生比例雖然只有2.4%，但事故死亡人數(shù)卻占總事故死亡人數(shù)的33%。在澳大利亞，這一數(shù)字為16.7%。又有統(tǒng)計表明:75%的翻滾事故都是單車事故，翻滾事故死亡人數(shù)占單車事故死亡人數(shù)的50%［1-2］。

汽車翻滾會對人體頸部、頭部、脊椎等造成嚴重傷害。汽車在高速行駛過程中撞擊護欄或者急速轉彎很容易造成翻車，車輛騰空后首先撞擊地面的是A柱上方［3］。因此，如果車頂抗壓強度不夠，則會造成車頂侵入過大，從而對乘員生存空間造成嚴重威脅。美國自20世紀80年代就出臺了聯(lián)邦機動車標準216號(FMVSS 216)《轎車頂部抗壓強度》法規(guī)。按照圖1所示加載裝置，在下表面侵入量不超過127 mm的情況下，要求SWR (strength-to-weight ratio)即加載裝置與被測車輛之間的接觸力和整車整備質量之比達到1.5，F(xiàn)MVSS 216a新標準則要求質量小于2.7 t的乘用車這一數(shù)值需要達到3.0。美國高速公路安全保險協(xié)會(IIHS)又根據(jù)這一法規(guī)提出了評價體系:SWR在

4.0 以上為優(yōu)秀(GOOD);在3.25～4.0為可接受(ACCEPTABLE);在 2.5～3.25為最低限度(MARGINAL);在2.5以下為差(POOR)。評價等級見圖2。A-NCAP于2014年開始推行FVMSS所規(guī)定的試驗方法，要求SWR達到2.5，并在2016年增加到3.25［4］。由此可見，在世界范圍內，對SWR的要求趨于嚴格。

圖1 車頂抗壓試驗裝置

圖2 IIHS評價等級

1 車頂抗壓仿真

本文根據(jù)FMVSS 216法規(guī)建立了2007款豐田Yaris車型頂部抗壓有限元模型。整車整備質量為1 078 kg。在不改變各部件材料的情況下，以變換材料厚度的方法改變各部件強度，分析各部件不同強度對車頂抗壓性能的影響。

按照圖3所示加載裝置，建立了1 829 mm× 762 mm的矩形平面，并按照法規(guī)要求調整該平面的角度，賦予MATL20剛性材料。剛性矩形平面中心最前點據(jù)車頂最前點為254 mm。仿真過程通過定義“*BOUNDARY_PRESCRIBED_MOTION _option”關鍵字的方法施以強制位移［5］。文獻［4］中指出:車頂抗壓試驗中主要的承力部件為A柱(A pillar)、B柱(B pillar)、上橫梁(roof rail)、頂蓋第一橫梁(header rail)、頂蓋第二橫梁(cross member)，如圖4所示。因此，本文對這5個部件做了5個水平下的5組仿真。初始模型中A柱、B柱、上橫梁、頂蓋第一橫梁、頂蓋第二橫梁的材料厚度如表1所示。

圖3 車頂抗壓有限元模型

圖4 關鍵承力部件

表1 關鍵部件初始材料厚度

為了驗證仿真的可靠性，將仿真結果與2007款豐田Yaris車型的試驗數(shù)據(jù)［7］進行了對比。對比結果如圖5所示。仿真與試驗接觸力曲線基本保持一致，最大接觸力誤差也較小，因此認為仿真模型可靠。

圖5 仿真與試驗結果對比

為了分析各個部件材料厚度變化對車頂抗壓性能的影響，分別對這5個部件取1.0，1.2，1.5， 1.8，2.0 mm五個水平的厚度進行仿真分析，仿真結果如圖6所示。

圖6 各部件不同材料厚度下接觸力曲線

從仿真結果可以得出如下結論:

1)接觸力達到峰值時的侵入量基本都在50 mm左右，結合試驗數(shù)據(jù)(侵入量在60 mm左右達到峰值)，說明侵入量在50～60 mm時車頂抗壓性能最佳。

2)在127 mm的侵入過程中，基本只有1個峰值。只有在B柱厚度增加到1.5 mm以上，侵入量達到90 mm時才出現(xiàn)第2個峰值，說明B柱厚度增加到一定程度時車頂抗壓性能有一較大突變。

3)從每幅圖中5條曲線的貼合程度可以看出:上橫梁、B柱不同材料厚度的5條曲線變化較大，說明上橫梁、B柱厚度變化對車頂抗壓性能影響較大。A柱及頂蓋第一橫梁不同材料厚度的5條曲線變化相對較小，說明A柱、頂蓋第一橫梁厚度變化對車頂抗壓性能影響相對較小。而頂蓋第二橫梁的5條曲線幾乎完全貼合在一起，說明頂蓋第二橫梁對車頂抗壓性能的影響較弱。

2 插值分析

為了更加直觀地看出5個承力部件不同厚度對車頂抗壓性能的影響，分別測出了5種厚度下接觸力的最大值(見表2)，并采用三次樣條曲線插值的方法對5組數(shù)據(jù)進行插值分析，利用Matlab繪制出樣條曲線。

表2 不同厚度下的最大接觸力 kN

為構造三次樣條曲線，將所得5個點分為4個區(qū)間，在每個子區(qū)間［xi，xi+1］上構造三次多項式:

將A柱所得5個點代入公式可得如下多項式:

在Matlab中繪出該曲線，如圖7所示。

用相同的方法求得B柱、上橫梁、頂蓋第一橫梁、頂蓋第二橫梁的三次多項式。為了直觀地看出5個部件厚度變化對車頂抗壓強度的影響程度，現(xiàn)將5條曲線繪制在同一幅圖中，如圖8所示。

圖7 A柱插值曲線

圖8 各部件插值曲線

根據(jù)圖8可以得到如下結論:

1)B柱厚度增加對車頂抗壓性能有顯著影響，并且觀察曲線可知:當厚度從1.1 mm增至1.7 mm時，抗壓性能的提升較為明顯，隨后趨于緩和。

2)上橫梁對車頂抗壓性能的影響隨厚度的增加呈先增后減，而后又增加的趨勢。基于經(jīng)濟性，并結合上橫梁初始厚度(1.5 mm)，可以考慮將其厚度降至1.1 mm左右。

3)A柱及頂蓋第一橫梁對車頂抗壓性能的影響隨厚度的增加提升較為緩慢，因此在車身設計過程中可以酌情考慮調整。

本文只仿真了單因素變化對車頂抗壓性能的影響，而對于多因素的組合變化(如厚度與結構組合、不同部件厚度組合等)的影響還有待進一步研究。

3 結束語

本文闡述了當前對車頂抗壓性能的法規(guī)要求現(xiàn)狀，以改變相關部件厚度的方法分析了幾個關鍵部件對車頂抗壓性能的影響。結果表明:

1)入侵量在50～60 mm時車頂抗壓性能最佳。

2)B柱及上橫梁對車頂抗壓性能的影響較大，A柱、頂蓋第一橫梁的影響次之，頂蓋第二橫梁對其影響較弱。

3)B柱厚度增加到一定程度時車頂抗壓性能有一較大突變。

本文只對單因素的影響進行了分析，而對于多因素的影響還有待進一步研究。另外，本文只針對單一車型，對于其他車型的結構是否也能得出相應結論還有待進一步驗證。

［1］DOT，NHTSA.National Automotive Sampling System: Crashworthiness Data System Coding and Editing Manual Department of Transportation［Z］.National Highway Traffi c Safety Administration，2009.

［2］王威，禹慧麗，王文利.乘用車頂部抗壓強度研究［C］//2011第十四屆汽車安全技術學術會議論文集.北京:［出版者不詳］，2011.

［3］唐波，趙曉紅.某車型針對《乘用車頂部抗壓強度》的開發(fā)［J］.汽車與配件，2011(10):32.

［4］Bambach M R.Fibre composite strengthening of thin steel passenger vehicle roof structures［D］.Australia: University of New South Wales，2012.

［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］姚傳義.數(shù)值分析［M］.北京:中國輕工業(yè)出版社，2009.

［7］NHTSA Test C0438.Toyota Yaris 4-door sedan with 5° pitch，25°roll.National Highway Traffic Safety Administration(NHTSA)［S］.Vehicle Research and Test Center (VRTC)，Ohio，USA.2007.

(責任編輯劉 舸)

Influence of Related Components Strength on Roof Crush Resistance

HU Yuan-zhia，b，LIU Pana，b，LIU Xia，b
(a.College of Vehicle Engineering;b.Key Laboratory of Advanced Manufacturing Technology for Automobile Parts，Ministry of Education，Chongqing University of Technology，Chongqing 400054，China)

Based on the Toyota Yaris vehicle models，the roof crush resistance performance was simulated and analyzed under different thickness of A pillar，B pillar，roof rail，header rail and cross member by using LS-DYNA software.The simulation results were analyzed using three spline curve interpolation with Matlab.The curve of roof crush resistance performance was obtained with the material thickness changing of the components and the corresponding influence of components on roof crush resistance performance was analyzed.

roof crush resistance;material thickness changing;interpolation analysis;rollover

U463

A

1674-8425(2015)11-0006-05

10.3969/j.issn.1674-8425(z).2015.11.002

2015-04-22

重慶高校創(chuàng)新團隊建設計劃資助項目(KJTD201319);重慶市教委科學技術研究項目(KJ130832)

胡遠志(1977—)，男，博士，教授，主要從事汽車主被動安全、CAE技術和耐久可靠性技術研究;通訊作者劉西(1977—)，女，博士，副教授，主要從事汽車主被動安全、人機工程研究。

胡遠志，劉盼，劉西.相關零部件強度對車頂抗壓性能的影響［J］.重慶理工大學學報:自然科學版，2015 (11):6-10.

format:HU Yuan-zhi，LIU Pan，LIU Xi.Influence of Related Components Strength on Roof Crush Resistance［J］. Journal of Chongqing University of Technology:Natural Science，2015(11):6-10.