汽車天窗碰撞安全性分析和優化

蔣振宇，周志剛

（偉巴斯特車頂系統中國有限公司研發中心，上海 201108）

汽車天窗碰撞安全性分析和優化

蔣振宇，周志剛

（偉巴斯特車頂系統中國有限公司研發中心，上海 201108）

文章在國內外首次系統的闡述了汽車安全法規和標準對天窗的要求，并以某一款汽車天窗為研究對象，進行了碰撞CAE分析，同時也進行了實際碰撞測試，通過比較CAE和實際測試結果，說明了碰撞CAE模型是正確的、有效的。為了進一步提高天窗的碰撞安全性，經過三輪優化和分析得到了新的機械組滑塊方案，根據優化前后的CAE結果和簡化準靜態拉伸試驗結果，新的機械組滑塊斷裂力比原始結構明顯提高了很多，此優化方案已經應用到產品中，并已經大批量生產。

汽車天窗；低速和高速碰撞；優化；計算機輔助工程

1、汽車高速和低速碰撞

1.1 高速碰撞

高速碰撞是引起人員死亡的主要事故類型。各國都制定了高速碰撞的強制法規，正面碰撞試驗法規有美國的FMVSS 208和歐洲的ECE 94，側面碰撞的法規有美國的FMVSS 214和歐洲的 ECR R95。而國內的相應強制性標準分別為 GB 1151-2003《乘用車正面碰撞的乘員保護》和 GB20071-2006《汽車側面碰撞的乘員保護》[2]。

除了這些國家頒布的強制性汽車安全法規外，各國也出臺了新車安全水平等級評價規程NCAP，如EuroNCAP（歐洲新車評價規程）、IIHS(美國公路安全保險協會）、US-NCAP(美國新車評價規程) 、C-NCAP等。

這些法規主要是基于對乘員的保護，沒有對天窗在高速碰撞中的表現有具體規定。

1.2 低速碰撞

低速碰撞一般指車速低于15Km/h時的汽車碰撞，這也是城市交通中最常見的交通事故。為了提高汽車低速碰撞的安全性能和減少汽車維修費用，各國都制定了低速碰撞的國家法規和保險業的行業法規。低速碰撞法規和試驗要求有歐洲法規（ECE-R42），美國聯邦法規（FMVSS PART 581），高速公路安全保險協會（IIHS），德國安聯保險公司技術中心（AZT Crash Reparatur Test）和 汽車修理研究協會的RCAR (Research Council for Automobile Repairs)，我國參照歐洲的ECE-R42法規要求，也頒布了低速碰撞的標準 GB I7354-1998[3]。

這些低速碰撞標準都規定了：汽車在完成低速碰撞試驗后，除了前保險杠和直接將保險杠安裝到車架上的安裝件和緊固件外，其他表面無脫落、無變形；其它部件都能正常開啟和工作。因此，天窗經過低速碰撞測試后，也必須能夠正常開啟和工作。

2、某款轎車天窗碰撞CAE分析

偉巴斯特（Webasto）規定天窗在低速碰撞的時候，不能有任何零件發生斷裂，并且能夠進行正常開啟和關閉；在高速碰撞的時候，天窗不能從汽車上飛出。

對于碰撞仿真模擬，須采用顯式算法進行求解，它的穩定性存在一定條件，即時間步長受到數值積分穩定性的限制，不能超過系統的臨界時間步長。對于殼單元，臨界時間步長△tmax表示如下：

其中：Le為單元的最小長度，Cd是材料波速，ρ為密度，E為彈性模量，μ為泊松比，從公式（1）和（2）可以看出：材料剛度越大，波速越高，結果臨界時間步長就越小；密度越高，波速越低，結果是時間步長就越大。為了減少計算時間，可以使用質量縮放技術，即增大材料的密度，增加臨界時間步長，從而減少計算時間[4]。不過需要注意增加的質量不能超過總質量的 5%，不然計算出的結果不準確。機械組是天窗關鍵零部件，其尺寸比較小，如果采用全局尺寸單元來劃分機械組，有些重要的特征就沒有辦法準確表達，因此必須采用比較小的單元尺寸，這樣就會降低整個模型的穩定極限時間，計算時間就會變長。為了加快計算速度，可以適當質量釋放，但是需要監控質量的增加。

為了驗證CAE分析的可靠性和準確性，選取了偉巴斯特（Webasto）某款天窗為研究對象，通過CAE分析，這款天窗是能夠通過低速碰撞。在高速碰撞0.018s時候機械組滑塊承受的力達到最大值852.1N如圖1所示，在0.04s時機械組與滑塊幾乎完全發生脫離如圖2所示，滑塊斷開后，機械組在導軌里繼續向前滑動，當滑動到天窗最前面的時候就會被車頂擋住，天窗不會飛出，因此此天窗的設計是合格的。

圖1 在碰撞過程中機械組滑塊承受的力

圖2 在高速碰撞0.04s時機械組狀態

3、某款天窗的碰撞物理試驗

為了驗證天窗碰撞CAE分析的有效性，同時也進行了天窗實際碰撞試驗如圖3所示，測試結果是：在低速碰撞過程中，天窗沒有發生任何零件斷裂，且能夠正常工作;在高速碰撞過程中，滑塊發生斷裂見圖4所示，但是天窗沒有飛出，因此這款天窗能夠滿足高速和低速碰撞試驗要求。

圖3 某天窗碰撞試驗

圖4 在高速碰撞時滑塊斷裂

通過比較CAE和實際碰撞結果，兩者的吻合度還是比較高的，說明CAE模型是準確、有效的。

4、天窗優化分析

從碰撞CAE分析和實際物理測試結果來看，這款天窗已經通過國家的法規和公司的規定，但是偉巴斯特（Webasto）作為天窗的領導者，始終堅持高標準、嚴要求：希望天窗在高速碰撞的時候，機械組滑塊不能夠斷裂。對于這種零件局部優化，有經驗的CAE工程師不需要基于修改的CAD模型修改CAE模型，可以直接修改CAE模型，經過我的三輪優化和CAE分析，新的機械組滑塊（如圖6所示）能在高速碰撞的時候沒有發生斷裂如圖7所示，其滑塊的斷裂力達到了2374.1N如圖8所示，比原始結構提高了1.8倍左右。

圖5 原始設計

圖6 優化設計方案

圖8 新的機械組在最大驅動力的時候(0.022s)狀態

5、優化前后機械組滑塊靜態拉升試驗

原始設計已經滿足了碰撞要求，所以新的結構再也沒有進行實際碰撞試驗。為了對比優化前后的結構性能，根據機械組滑塊在碰撞試驗中受力和約束情況，搭建了準靜態拉升試驗臺架，分別測試了優化前后機械組滑塊的斷裂力，優化前是560N，優化后是2150N見圖9。不管是CAE碰撞試驗還是簡化準靜態拉升試驗，優化效果還是比較明顯的見表1。此結構已經應用到產品設計中，并已經大批量生產。

圖9 機械組滑塊準靜態拉升試驗

表1 優化前后機械組滑塊斷裂力的比較

6、結論

1）通過實際碰撞試驗，證明了碰撞CAE分析的精度還是可以的，為以后運用仿真技術驗證天窗碰撞安全性奠定了一定的基礎。

2） 通過結構優化和分析，新的機械組滑塊斷裂力比原始結構提高了1.8倍，大大的提高了天窗的碰撞安全性。

3）在天窗詳細階段，引入CAE分析，可以有效的減少設計缺陷及提高產品的工藝可行性，能夠減少試驗次數，降低開發成本和縮短產品開發周期。

[1] 陳琦.立足市場之本開拓技術之新訪偉巴斯特車頂系統中國區總裁兼CEO賀雷德[J]. 汽車與配件, 2015(6):26-29.

[2] 賀培培.轎車側面碰撞中后排乘員的損傷防護研究[D].長沙:湖南大學, 2012.

[3] 孫曉強. 轎車前部低速碰撞的耐撞性研究[D]. 長沙:湖南大學, 2011.

[4] 王青春,范子杰.利用Ls-Dyna計算結構準靜態壓潰的改進方法[J].力學與實踐, 2003, 25(3):20-23.

Vehicle Sunroof Crash Safety Analysis and Optimization

Jiang Zhenyu, Zhou Zhigang
( Webasto Roof China Co., Ltd., Research Center, Shanghai 201108 )

In the world, this is the first time to systematic introduce safety regulation and standard for sunroof. Select some sunroof as objects of research, make vehicle sunroof crash CAE analysis，meanwhile finish actual crash test. Through comparison between CAE and actual crash test result, the correlation is good. In order to improve the sunroof crashworthiness, a new mechanism cable is got by my three rounds optimization, based on CAE result and actual static tensile test, the fracture force of the new structure is much higher than that of the original structure. This design has been applied to mass production.

vehicle sunroof; low and high speed crash; optimization; CAE

A

1671-7988 (2017)06-69-03

引言

蔣振宇（1977—），男，江蘇東臺人，碩士，高級工程師，就職于偉巴斯特車頂系統中國有限公司。研究方向為結構耐久，安全和NVH分析與優化等。

U467.3

A

1671-7988 (2017)06-69-03

近年來中國汽車工業迅速發展，中國已成為世界上最大的汽車生產國和消費國，天窗版汽車成為多數購車者的首選，主要因為天窗能夠有效地使車內空氣流通，增加新鮮空氣的進入，為車主帶來健康、舒適的享受。同時汽車車窗也可以開闊視野，也常用于移動攝影攝像的拍攝需求，但是隨著汽車天窗尺寸越來越大，消費者越來越重視汽車天窗的碰撞安全性。偉巴斯特（Webasto）作為汽車天窗行業的領導者，始終秉持安全、創新、節能等原則[1]，對于天窗的碰撞安全，偉巴斯特（Webasto）制定了高于國家安全法規的企業碰撞要求。下面將介紹偉巴斯特（Webasto）中國在2013年完成的某款轎車天窗碰撞CAE和實際碰撞試驗，在介紹具體案例之前，先簡單的介紹整車碰撞安全法規，汽車碰撞通常分為高速和低速碰撞。

10.16638/j.cnki.1671-7988.2017.06.022

CLC NO.:U467.3