乘用車內部凸出物動態仿真分析

付榮榮 高鵬飛 閆曉芳

（中國第一汽車股份有限公司天津技術開發分公司）

隨著觸摸式中控臺和抬頭顯示功能的興起，人機交互模塊日益成為各大汽車企業研究開發的重點項目，同時升降屏幕和懸浮屏幕也開始出現，這些新功能需求也帶動了儀表區部件造型上新的變化，這些造型部件很難滿足靜態試驗方法對內部凸出物的限值要求，許多車企在新的內部凸出物法規實施后開始選擇進行動態內凸驗證試驗，且成功率（頭部未接觸儀表板）較高。動態試驗方法用來判斷約束系統是否能有效阻止乘員頭部與儀表板接觸。文章利用CAE模擬碰撞方法確定動態頭部碰撞區域，驗證頭部是否會撞擊上儀表板，最終通過滑臺試驗進行驗證。

1 動態方法確定頭部碰撞區

1.1 動態方法

近年來，隨著安全帶和安全氣囊等約束系統性能的不斷改進，在碰撞過程中頭部撞擊到內飾件的概率大幅下降。動態方法的基本原理是根據特定的碰撞試驗，研究乘員在約束系統的移動過程中與內飾件的位置關系，以驗證設計方法的有效性。

GB 11552—2009《乘用車內部凸出物》提供了3種動態確定頭部碰撞區的方法供廠家選擇[1]。

1）實車碰撞試驗。在實車上安裝不同尺寸的假人，以至少48.3 km/h的碰撞速度，相對于固定的剛性壁障進行-30，0，+30°的正面碰撞，在移動過程中確定假人頭部與儀表板的距離。

2）滑車試驗。在特定范圍（加速度-時間圖表參見GB 14166附錄[2]或ECE R16附件[3]）的滑車加速度作用下，安裝在滑臺上的假人相對于車體產生向前的移動，通常滑車縱向中心線與滑軌的夾角為0，-18，+18°，即假人相對于滑車的移動角度為0，-18，+18°，移動過程中研究假人頭部與儀表板的距離。

3）模擬碰撞試驗。模擬方法通常是按照上述2種方法的工況條件進行模擬碰撞分析，包含3種不同尺寸的假人，3種不同角度的所有工況。一般情況下，模擬方法需要通過實車碰撞試驗或滑車試驗規定的3個碰撞條件予以驗證。

文章是通過模擬碰撞對動態頭部碰撞區進行預模擬計算，然后通過檢測機構選擇的3個碰撞條件的滑臺試驗進行驗證。

1.2 滑臺試驗的形態選擇

原則上要求廠家事先提供車內數據，由試驗室判斷其惡劣狀態進行選擇。但是針對不同的廠家和車型，最惡劣狀態一般都不相同。同時考慮到該判斷的依據是來源于廠家的數據，很難保證最惡劣的準確性。因此，實際操作中不將惡劣狀態作為首要選擇依據。在有限的驗證試驗次數里，需盡可能地包含最多種類的試驗條件要素（3種碰撞假人、3種碰撞角度）。

1.3 滑臺試驗的判斷方法

滑臺試驗中假人頭部是否與儀表板發生接觸的判斷分為3個方面：1）試驗前對假人頭部加涂顏料，試驗后通過接觸印跡判斷是否與儀表板發生接觸。2）通過觀察假人頭部加速度曲線是否存在尖峰，來判斷假人頭部是否透過氣囊與儀表板接觸。一般將頭部加速度曲線在3 ms內波峰與區間起始值相比變化大于5g的判定為尖峰。3）通過對照高速攝像資料，分析尖峰發生時假人的姿態位置，來判斷尖峰是否由假人頭部與儀表板接觸而產生。

仿真模擬時也借鑒滑臺試驗判斷方法3個方面中的前2條進行判定，一是測量頭部與儀表板的最短距離，二是觀察頭部加速度曲線是否有尖峰。

2 模擬碰撞試驗

隨著LS-DYNA和MADYMO等分析軟件工具在汽車安全虛擬分析及性能集成中的廣泛應用，在物理樣車用于驗證的前期，可以針對各個碰撞工況及3種尺寸假人進行模擬碰撞分析，通過對動態頭部碰撞區的早期預測制定針對性的約束系統調整方案，為后續工作的順利進行奠定基礎。

以某車型前排內凸為例，根據文獻[1]的要求，動態確定頭部碰撞區，分析軟件使用MADYMO軟件。

2.1 仿真輸入

仿真模型中輸入的滑車加速度曲線，如圖1所示。仿真工況選取了3種不同尺寸（5百分位女性假人、50百分位男性假人、95百分位男性假人）的假人，分別放置在駕駛員和副駕駛員2個位置，進行3種不同角度（車頭向左 18°、車頭 0°、車頭向右 18°）的模擬碰撞試驗。該車型的約束系統配置是前排雙氣囊（DAB+PAB）和僅限力式（4 500 N）安全帶。

圖1 模擬碰撞試驗滑車加速度曲線

2.2 仿真結果

仿真結果包含兩部分，一部分是頭部與儀表板的距離，另一部分是頭部的加速度曲線，如圖2～圖4所示。圖2～圖4僅展示了駕駛員位置（車頭向左18°）的仿真結果和頭部加速度曲線，其他位置工況同駕駛員位置。模擬碰撞試驗頭部與儀表板距離的仿真結果，如表1所示。圖2a、圖3a及圖4a中所示位置是假人距離儀表板最近的位置，從圖2a、圖3a及圖4a可以看出，頭部與儀表板沒有接觸；從圖2b、圖3b及圖4b中可以看出，提取的頭部加速度曲線沒有尖峰。說明在現有約束系統的配置下，該車型的頭部不會接觸儀表板。

圖2 模擬碰撞試驗駕駛員位置5百分位假人仿真結果

圖3 模擬碰撞試驗駕駛員位置50百分位假人仿真結果

圖4 模擬碰撞試驗駕駛員位置95百分位假人仿真結果

表1 模擬碰撞試驗假人頭部與儀表板距離仿真結果

3 試驗驗證

3.1 3次驗證試驗

在3次驗證試驗里，需要包含3種試驗假人、3種碰撞角度及2個乘坐位置。同時考慮到相對惡劣條件，驗證試驗形態建議選擇如下：1）駕駛員側搭載AM95百分位假人進行左18°碰撞；2）乘員側搭載AF5百分位假人進行0°正面碰撞；3）乘員側搭載AM50百分位假人進行右18°碰撞。

3.2 滑臺試驗結果

檢驗中心實際選擇的試驗形態為：1）駕駛員側搭載AM95百分位假人進行左18°碰撞；2）乘員側搭載AF95百分位假人進行0°正面碰撞；3）乘員側搭載AM95百分位假人進行右18°碰撞。結果顯示，滑臺試驗中頭部并未與儀表板進行接觸，與仿真模擬結果一致。

4 結論

文章通過對某車型進行模擬碰撞仿真分析與滑臺試驗比較，獲得相似的結果，得出運用CAE模擬，可以有效地進行頭部動態區域確定。動態內凸試驗方法通過對車輛安全性能的驗證，給產品設計開發以更多的自由度，解決了法規對產品設計的限制問題。該方法以CAE技術的不斷成熟為基礎，可以在產品設計階段對汽車的結構和性能做出預先評估，因而大大降低了新產品開發的風險，對提高汽車產品質量、縮短開發周期及降低成本意義重大。

在未來的工作中，需進一步利用CAE分析工具，提高模擬分析的準確性、廣泛性及高效性，盡可能在低成本的基礎上，做到高質量的設計與校核。