基于HyperMesh駕駛室碰撞結構優化

陳崇山　邱宗金　路云飛

摘 要：本文利用HyperWorks對某商用車駕駛室本體進行結構優化，提升駕駛室結構強度，優化其傳遞路徑，降低駕駛室在各種碰撞工況下入侵量，以保證駕駛室有足夠的生存空間;最終實現駕駛室滿足ECE R29-03碰撞法規要求。

關鍵詞：商用車 駕駛室 碰撞 HyperWorks ECE R29-03

Optimization of Cab Collision Structure based on HyperMesh

Chen Chongshan，Qiu Zongjin，Lu Yunfei

Abstract：This paper uses HyperWorks to optimize the structure of a commercial vehicle cab body， enhance the strength of the cab structure， optimize its transmission path， and reduce the amount of cab intrusion under various collision conditions to ensure that the cab has enough living space， so that the cab meets the requirements of ECE R29-03 collision regulations.

Key words：commercial vehicle， cab， collision， HyperWorks， ECE R29-03

1 引言

隨著GB 26512-2011《商用車駕駛室乘員保護》強制法規的實施，法規中關于駕駛室碰撞要求完全與歐洲ECE R29-03版碰撞法規要求一致，對國內現有市場上在售的商用車駕駛室是個極大的挑戰。目前國內市面上在售的商用車基本上都是十年前的產品，雖然期間歷經改款改型，但大都是未改動駕駛室的本體的結構，僅僅是內外飾的一些改頭換面，因為駕駛室碰撞安全性能還停留在十幾年前的水平，要滿足新的升級法規要求，必然需對駕駛室關鍵受力件及其連接部分進行適應性結構優化[1]。

2 優化前駕駛室碰撞試驗

2.1 碰撞法規升級說明

根據最新ECE R29-03碰撞法規要求，針對總質量7.5噸以上的N2類和N3類卡車，其正面擺錘試驗打擊能量由原來的44.1KJ增加到55KJ，增幅24.7%，頂部壓潰試驗前增加了斜面沖壓，沖壓能量為176.KJ。同時增加了雙A柱擺錘試驗，打擊能量為29.4KJ。圖1為ECE R29碰撞法規升級前面的簡明對比[2]。

新法規實施后，存量商用車的駕駛室碰撞安全性受到極大的挑戰，尤其國內商用車以平頭車為主，相對長頭車沒有足夠的碰撞吸能空間，且商用車乘員位置比較靠前，沒有前艙做緩存吸能，車輛在發生碰撞的過程中，更容易危及駕駛室內人員生命安全。

2.2 ECE R29-03實車碰撞結果

根據ECE R29 03中試驗方法，正面擺錘碰撞要求整車滿載狀態，其他試驗項目可單獨使用駕駛室進行試驗，按照要求對駕駛室及整車進行固定或放置后逐次開展試驗。試驗后要求：駕駛室不能從整車上脫離，即駕駛室與車架要保持連接;同時駕駛室生存空間可容納假人模型（座椅需調節至整個滑軌行程的中間位置）。

圖2為正面擺錘碰撞試驗結果，圖中顯示，駕駛室本體后移位移量較大。從圖3可知，前懸左下支座4顆固定螺栓其中3顆被剪斷，還剩1顆連接。從圖4可知，碰撞后，由于前圍鈑金及地板變形，導致方向盤往后下方移動，最終方向盤與假人Z向 扔存有33mm空間。嚴格從碰撞法規來看，本次正碰符合法規要求。但鑒于車輛的不一致性及試驗的誤差，建議對正碰駕駛室變形進行分析整改，增大保險余量，以保證后期批量生產車型的法規通過性。同時建議對前下支座固定螺栓進行加強，以獲得更高的安全系數。

圖5為雙A柱碰撞試驗結果，結果顯示，駕駛室A柱變形較大，碰撞過程中極限變形位置可能與假人接觸，且碰撞后不能正常打開車門，影響車內人員逃生，亟需整改提升。

圖6為20°斜面沖壓試驗結果，頂部左側鈑金出現明顯凹陷。圖7為頂部靜壓試驗結果，頂部 鈑金下沉變形量較小，內部生存空間擠占不大，可以保證人員安全。試驗結果符合法規要求。

綜上三個試驗項目，頂壓試驗問題不大，風險低，無需提升整改。正面碰撞雖然勉強通過，但是從試驗后圖片來看，結果讓人擔憂，應該進行加強提升。雙A柱碰變形嚴重，應重點開展整改提升工作。

3 模型建立

使用HyperMesh在Ls-Dyna模板下建立駕駛室碰撞仿真模型，模型包含白車身（帶前后擋風玻璃）、車門、轉向系統、儀表系統、駕駛室懸置系統、鎖止機構等。材料及厚度根據設計Bom表進行賦予。轉向管柱采用Mat20剛性材料、殼單元;車身前后懸置橡膠軟墊采用為Mat7超彈性材料、體單元;白車身和車架等采用Mat24彈塑性材料、殼單元。

連接設置：焊點使用beam梁單元、Mat100材料;玻璃膠和結構膠使用六面體單元，節點融合進行連接;氣體保護焊使用rigid點對點連接;螺栓使用rigid連接;轉向系統萬向節使用uslJoints鉸模擬;轉向管柱圓柱副使用cylJoints鉸模擬;轉動副使用revJoints鉸模擬;剛體與剛體連接使用*CONSTRAINED_RIGID_BODIES，剛體和彈塑性材料連接使用*CONSTRAINED_EXTRA_NODES_SET。

接觸設置：焊點接觸采用*CONTACT_SPOTWELD，全車自接觸采用* CONTACT_AUTOMATIC_SINGLE_SURFACE，擺錘與車體接觸采用*CONTACT_AUTOMATIC_SURFACE_TO_SURFACE。前后懸置橡膠采用內部接觸*CONTACT_INTERIOR。

邊界條件：約束前吊耳安裝孔123456個方向自由度，約束所截取車架末端123456個方向自由度。擺錘中心點位于駕駛員R點下方55mm位置處，擺錘初始動能55KJ。

模型搭建完成提交Ls-Dyna求解器進行求解運算[3]。

4 原始方案模型分析

按照前文介紹的模型建立思路，構建模型入如下：圖8為正面碰撞模型;圖9為雙A柱碰撞模型;圖10為20°側面沖壓及頂部靜壓模型。

4.1 正面碰撞仿真

通過仿真分析，中地板前段潰縮變形嚴重，駕駛室往后翻轉，導致方向盤隨著往后翻轉。如圖11，圖12，圖13，圖14所示。方向盤X向后移133mm，Z向下移99mm。總體來看，與實車碰撞結果吻合度較高。

4.2 雙A柱碰撞仿真

通過仿真分析，雙A柱變形嚴重，導致駕駛室前圍鈑金往后翻轉，方向盤與假人嚴重干涉，仿真結果判斷法規無法通過。如圖15，圖16，圖17所示。雖然實車碰撞方向盤與假人未干涉，但不排除碰撞極限變形后回彈導致。方向盤X向后移159mm，Z向下移128mm。

4.3 側面20°沖壓及頂部靜壓仿真

通過仿真分析，側面20度沖壓后，頂蓋左側頂蓋出現凹陷。再跟進法規要求，頂部施加等同于前軸軸荷6100Kg的靜壓力，頂蓋鈑金向下潰縮變形209mm，內部生存空間影響較小，滿足法規要求，如圖18，圖19，圖20所示。

5 整改措施及優化方案模型分析對比

通過對原始方案仿真出現的變形較大部件進行識別，提取對正面碰撞，雙A柱碰撞影響最大的零件，通過對模型變形情況進行檢查，發現側圍門框（圖21），中地板前段（圖22）對正面側面變形影響最大，后續將重點針對這兩個零件進行分析研究。而A柱內板（圖23）對雙A柱碰撞變形影響最為關鍵。因此，后續方案將圍繞這三個零件，嘗試不同的解決方案進行分析對比。

原始方案中，側圍門框、A柱內板、中地板前段的材料及料厚如表1所示：

基于現有冷軋材料規格庫，提出三個整改方案，具體材料升級和相應的力學性能變化如表2。

通過仿真模型重新計算分析，以方向盤位移量為評價對象，用于判定碰撞后方向盤與座椅之間的空間距離，以衡量人體的生存空間。各整改方案分析結果如表3所示。從各方案提升量來看，方案三效果最優，能夠滿足法規通過要求。

5 結語

根據《商用車駕駛室乘員保護》法規的試驗方法，利用LS-DYNA工具，科學合理的建立駕駛室型，進行多方案優化后，實現最終方向盤侵入量X向由159mm降低113mm。Z向侵入量由128mm降低至53mm。極大的提升了駕駛室的碰撞安全性，在現有駕駛室上通過小改動，少投資來實現法規滿足性，對全新開發的駕駛室碰撞安全性能設計也具有較強的指導意義。

參考文獻：

[1]張金換.汽車碰撞安全設計[M].北京：清華大學出版社，2010.

[2]ECE Regulation No.29. Uniform provisions concerning the approve of vehicles with regard to the protection of the occupants of cab of a a commercial vehicle[S].

[3]張楊，趙幼平，郭友利等.基于ECE-R29法規的某商用車駕駛室結構仿真分析[J]. 汽車科技，2014.