輕卡正面碰撞安全性優化研究

牛思杰，黃 偉，全 威，郭秋紅，姜 鑫

（廣西大學機械工程學院，廣西 南寧530004）

0 前言

已有研究表明，正面碰撞是所有卡車事故形式中發生頻次最高的，占到卡車事故總數的70%左右[1]，因此提升卡車的正面碰撞安全性可以有效地降低卡車駕駛員傷亡率。隨著薄壁梁壓潰理論的發展日漸成熟，部分學者開始嘗試將該理論應用到提升卡車正面碰撞安全性的研究上，并取得了一定的成果。文獻[2]參考奔馳公司在ACTROS重卡前圍加裝吸能部件并取得良好優化效果的成功經驗，研制出一款由一塊迎撞板和四塊潰縮板焊接而成的新型吸能結構，其中四塊潰縮板均為內凹結構，對安裝了新型吸能結構的樣車分別進行正面碰撞仿真試驗與實車試驗，變形情況基本一致，同時顯著地改善了該卡車的正面碰撞安全性。文獻[3]將矩形截面薄壁梁理論拓展延申至多直角截面情形，推導出了相應的表達式，并設計出一款十二直角截面梁吸能結構，經正面碰撞仿真驗證，新型吸能結構展現了極佳的吸能效果。本文針對輕卡正面碰撞仿真中暴露出的問題，采用方形截面薄壁梁壓潰理論，設計了一款帶誘導槽的方形截面吸能結構，并對裝配該結構的輕卡再次進行仿真以驗證優化的效果。

1 CAE建模及仿真分析

在產品設計初期，使用有限元仿真技術可以減少實驗投入，并在產品試制之前預測潛在的設計不足并提前完善，大大地縮減了設計周期和材料成本，但是對于汽車碰撞這樣復雜的非線性問題的仿真，仍需要相當長的時間投入。為盡量提高輕卡有限元碰撞仿真的效率，本文重點挑選了在輕卡正面碰撞研究中發揮主要作用的零部件，比如駕駛室的鈑金結構總成、起承載駕駛室及其余部件作用的車架總成、用于將駕駛室固定到車架上的前后懸置總成以及評價卡車碰撞安全性所必需的控制面板、轉向機構和座椅等零部件。

本文使用Hypermesh軟件建立卡車碰撞仿真有限元模型，具體過程如圖1所示。根據國家標準《商用車駕駛室乘員保護》相關規定，已知本文輕卡的最大允許質量為4.495 t，因此控制擺錘碰撞能量為29.4 kJ，最終搭建完畢的輕卡碰撞有限元模型如圖2所示，將此模型提交LS-Dyna非線性求解器進行仿真。

圖1 輕卡有限元模型搭建流程

圖2 輕卡正面碰撞仿真有限元模型

仿真結束后，需要對仿真結果進行檢驗以判斷有限元模型的仿真精度是否滿足要求。圖3顯示仿真過程中模型質量增加幾乎為0；圖4顯示碰撞過程中總能量守恒，擺錘的初始動能絕大部分轉化為卡車內能，少量由于摩擦轉化為滑移能，滑移能為正值且小于總能量的5%，沙漏能只占總能量的0.03%。因此，從質量守恒和能量守恒方面判斷，此次仿真結果可信，具有足夠的仿真精度。

圖3 質量縮放曲線

圖4 能量曲線

對輕卡正面碰撞仿真進行了進一步研究，圖5顯示，0.084 s時刻是整個碰撞過程中最危險的時刻，此時轉向柱罩侵入假人膝蓋41.397 6 mm。由此可知，雖然在碰撞結束后，人體模型有充足的生存空間，卻無法避免在碰撞過程中受到傷害，因此有必要對該輕卡正面碰撞安全性進行優化。

圖5 膝蓋處生存空間隨時間變化曲線

2 方形薄壁截面吸能結構設計

Abramowicz對方形截面梁的變形模式進行了分類，具體如表1所示，其中箭頭表示的是每條邊的變形方向[5]。

表1 方形截面梁變形模式

不同變形模式下方形截面梁的平均反力和半波長計算公式分別如下所示。

對稱變形模式（sym）：

A型非對稱變形模式（asymA）：

B型非對稱變形模式（asymB）：

外延變形模式（ext）：

以上各式（1）、（2）、（3）、（4）中 P2為平均反力；λ為半波長；b為方形截面邊長；t為截面梁壁厚；M0為極限彎矩：

式中，σ0為能量等效流動應力：

式中，σs為強度極限；σ0.2為應變為0.002時的應力。

本文選取DC01為吸能結構的材料，σs=228.62 MPa，σ0.2=376.84 MPa。在碰撞初始階段，駕駛室前圍板最先變形，緊接著地板前端發生折彎變形，由于轉向機構與地板前端緊密連接，因此，地板前端的折彎變形導致轉向機構產生較大的縱向位移，嚴重侵犯了乘員生存空間。圖6顯示，地板前端在其縱向反力達到最大值100 136 N后開始產生明顯變形，為了使吸能結構先于地板前端發生壓潰變形，設所有吸能結構的平均反力之和不能超過100 136 N，為充分利用地板縱梁頭部的設計空間，本文準備為輕卡安裝4個截面邊長為70 mm的方形截面吸能結構，則每個吸能結構的平均反力不超過25 034 N。

圖6 地板前端縱向反力隨時間變化曲線

已知外延變形模式的平均反力大于其余變形模式，為了進一步確保最終設計出的吸能結構的平均反力小于目標值，假設方形截面吸能結構的變形模式全部為外延模式，即將上述數據代入式（4）可得到最小的厚度設計近似為t=1 mm。將t=1 mm和上述數據代入式（1）和式（4）可求得近似值 λsym=17 mm和λext=8 mm。帶誘導槽的方形截面薄壁吸能結構的設計還應滿足圖7和式（7）。

圖7 方形截面梁結構參數

綜上所述，最終吸能結構的厚度為1 mm，方形截面邊長為70 mm，總長度為100 mm，具體結構如圖8所示。

圖8 吸能結構安裝效果圖

3 仿真驗證

對安裝方形截面吸能結構的輕卡再次進行正面碰撞仿真。圖9顯示，吸能結構產生了明顯的壓潰變形，且此時地板前端尚未產生明顯的折彎變形，實現了吸能結構先于地板發生變形的設計目標；圖10顯示，吸能結構共吸收掉11.90 kJ的碰撞能量，占總碰撞能的40.5%，吸能效果顯著；圖11顯示，碰撞過程中轉向柱罩與膝蓋的最小距離增大至23.837 9 mm，優化效果十分明顯。

圖9 吸能結構壓潰變形效果

圖10 吸能結構內能隨時間變化曲線

圖11 優化后膝蓋處生存空間隨時間變化曲線

4 結論

（1）建立輕卡有限元模型并進行正面碰撞仿真，結果表明，仿真過程中模型質量增加0.015%，幾乎為0，總能量不變，滑移能為正值且遠小于5%，沙漏能小于5%，證明本文輕卡有限元模型具有較好的仿真精度，但仿真結果進一步表明，在輕卡正面碰撞過程中，轉向柱罩與膝蓋間的最小距離為-41.397 6 mm，對人體造成了傷害，有必要對輕卡的正面碰撞安全性進行優化。

（2）采用方形截面薄壁梁的壓潰理論，根據駕駛室地板前端受到的縱向力峰值和地板縱梁頭部設計空間的大小，設計出一種方形截面薄壁吸能結構。對安裝了吸能結構的輕型卡車再次進行正面碰撞仿真，結果表明，吸能結構吸收了40.5%的碰撞能量，且碰撞過程中，轉向柱罩與膝蓋的最小距離提升至23.837 9 mm，保證了人體的絕對安全，輕卡正面碰撞安全性得到了顯著地提升。