汽車副儀表板頭部碰撞分析及優化研究

江想蓮 張景煌 李含

摘? 要：汽車副儀表板作為內飾部件之一，既滿足強度和功能要求同時也需滿足GB11552-2009中的碰撞性能要求，本文主要基于CAE仿真手段對副儀表板的碰撞性能分析和優化，優化后所有碰撞點均滿足設計目標值，經試驗驗證其滿足法規要求，這對副儀表板的開發設計有著重要的指導意義。

關鍵詞：副儀表板;內部凸出物;碰撞性能

中圖分類號：U463.7? ? ? 文獻標識碼：A? ? ? ? 文章編號：1005-2550（2020）01-0051-04

Research on head Impact simulation and improvement of automobile console

JIANG Xiang-lian， ZHANG Jing-huang， LI Han

（Dongfeng Motor Company Technology Center， WuHan 430058， China）

Abstract：? As one of the interior parts， the automobile console not only meets the strength and function requirements， but also meets the crash performance requirements of GB11552-2009. This paper mainly analyses and optimizes the crash performance of the console based on CAE simulation method.All the crash points of optimized structure meet the design target value.The test verifies that the console meets the requirements of regulations， which has important guiding significance for the development and design of the console.

前言

隨著人們生活水平的提高，汽車成為人們最主要的代步工具之一。日益頻繁的汽車碰撞事故時刻提醒著我們汽車被動安全的重要性，汽車被動安全設計的好壞能直接影響乘員在碰撞事故過程中的受傷害程度，各大車企對汽車被動安全的設計尤為重視，氣囊、安全帶、安全座椅、吸能結構的車身設計等一系列系統配合的安全設計措施挽救了無數生命[1]。而副儀表板作為與乘員可直接接觸的內飾部件之一，當車輛發生急剎或碰撞過程，乘員可能會與副儀表板發生磕碰，乘員頭部同副儀表板碰撞往往是造成致命性傷害的關鍵因素[2]，為了保證乘員不受過大的傷害，所以副儀表板的開發設計除了滿足強度要求之外，必須同時滿足標準GB11552-2009乘用車內部凸出物要求[3]，本標準規定了汽車車廂內部除了內后視鏡外的所有內飾件在凸出物方面的規定和測試方法。

本文中某轎車的副儀表板的開發采用Hypermesh中的Radioss模塊顯式算法對副儀表板的頭部碰撞性能進行分析及優化研究，優化后的副儀表板經試驗抽檢某個碰撞點，該碰撞點的結果滿足法規要求且和仿真結果很接近，進一步驗證了本模擬方法的可靠性。

2? ? 有限元模型的建立及仿真過程

2.1? ?副儀表板有限元模型的建立

對于頭部和副儀表板的碰撞仿真，有限元模型的好壞對仿真精度很敏感，所以模型盡可能精細且近似幾何數據，尤其是卡扣連接的模擬。如下圖1所示，副儀表板總成采用抽取幾何中面的形式進行網格劃分，網格大小采用5mm×5mm的尺寸，面加強筋采用共節點形式，各壓板之間的卡扣、熱熔焊、clip柱等采用Spring并賦予剛度值來模擬，端頭采用剛性單元抓取。如下圖1所示，該模型節點數為116736個，殼單元數為113680個，Spring數為182個，剛性連接單位為1360個;所有部件的材料及屬性賦予均與設計定義保持一致。

2.2? ?頭部模型

副儀表板頭碰分析采用直徑為165mm、重量為6.8kg規格的鋼球，材料采用剛體來模擬，如下圖2所示：

2.3? ?模型邊界條件定義

仿真模型約束邊界與試驗工裝（如圖3）狀態保持一致，同副儀表板整車裝配狀態。如圖4所示地腳支架與地板的焊接位置采用約束6個自由度，副儀表板的前端與主儀表下本體的卡接處采用約束3個平動自由度，中間位置的三個定位銷采用約束2、3兩個方向，來模擬限位效果。

2.4? ?模型加載及主要參數設置

鋼球撞擊速度為24.1km/h，撞擊方向為鋼球球心運動軌跡的切線方向，鋼球的運動軌跡由球頭與頭碰目標點的接觸位置確定，以上撞擊方向和鋼球的運動軌跡可依據實車實測或者幾何數據上測量來確定[4]。球心位置以實際撞擊速度方向建立局部坐標系的X向，球心和球面所有的節點進行采用剛性連接，撞擊速度賦在球心上，撞擊方向選定為該局部坐標系的X向，球心位置做一個加速度計用來提取其加速度信息。

模型主要設置參數有接觸設置、摩擦系數、計算時間、輸出參數。該頭碰模型接觸設置有兩個，分別為頭部與副儀表板接觸面的接觸和副儀表板的自接觸;兩個接觸的摩擦系數分別設置為0.15和0.3;根據前期預測計算時間設置為20ms即可完成頭碰計算;主要輸出參數為全局能量、球心加速度以及單元的位移速度應力等。

2.5? ?目標定義

按標準GB11552-2009中要求鋼球碰撞副儀表板過程中減速度超過80g的持續時間不應該超過3ms[3]。文章采用Radioss的顯式算法對副儀表板的所有擬定的頭碰點進行碰撞分析，并分別計算出頭碰點持續3ms的最大平均減速度，小于80g即為合格。

2.6? ?頭碰區域及頭碰點的確定

根據GB11552-2009法規要求采用靜態接觸法[3]確定頭碰區域如下圖5所示，本次確定頭碰區域為采用擺臂模型在幾何數據上進行確定，支點分別固定在左中右三個R點位置，通過360°旋轉擺臂并調節臂長與副儀表板（R點25.4mm水平面以上）相接觸來確定頭碰極限區域，臂長在736mm-840mm范圍內可調。如圖下5所示擺臂支點在左邊R點時確定頭碰區域為黃色劃線區域，擺臂支點在中間R點時確定頭碰區域為藍色劃線區域，擺臂支點在右邊R點時確定頭碰區域為綠色劃線區域，結合結構特點由設計員在頭碰區域范圍內給定出8個動態頭碰分析點，有些點分布為重疊區域可自由處理選擇其中一種方式進行模擬。本文定義左邊R點確定區域含點有1#、4#、8#，中間R點確定區域含點有2#、3#;右邊R點確定區域點有5#、6#、7#。

3? ? 頭碰結果分析及優化

初始設計的副儀表板的頭碰結果如下表1所示，除了1#點和8#點的3ms最大均值減速度小于80g，其余點均不滿足設計目標要求。加速度的大小主要受撞擊方向和頭碰點法線的夾角以及撞擊方向的結構強度兩個因素影響，撞擊方向和頭碰點法線的夾角受所在點的位置限制無法改變，如需降低減速度主要通過削弱撞擊方向或者傳力路徑上的結構件強度。

由于2#點的減速度最大且主要傳力路徑基本同其他點，因此本文取2#點的傳力路徑和變形模型進行分析優化，2#點主要傳力路徑如下圖6如所示，主要承受力的結構件有鉸鏈支架1、2，地腳支架以及儀表本體，從圖中可以看出涉及的這四個件變形較小，導致球頭的減速度增大，因此降低減速度主要在于弱化傳力路徑上的結構件。

根據上述分析并結合工藝可行性，確定如下圖7優化方案，1）鉸鏈支架1料厚3mm減小至 2.5mm，結構進行弱化處理;2）鉸鏈支架2料厚3mm減小至 2.5mm，結構進行弱化處理，支架長度減少30mm，槽距增加30mm;3）地腳支架料厚由1.5mm減小至1.2mm，并優化結構;4）儀表板本體優化其加強筋，采用潰式加強筋。

將2#點的優化方案更新至模型重新計算，從圖8可以看出，優化后2#壓潰行程增加了3.6mm，從圖9的優化前后減速度曲線來看，2#點的最大均值減速度由84.3g降低至78.2g，共減小了6.1g，滿足3ms最大均值減速度小于80g的目標值，說明該優化方案對降低減速度有顯著的效果。

4? ? 優化方案的確認及驗證

將2#點的優化方案更新至其他點的頭碰模型中，統計所有減速度結果如下表2所示，所有點均滿足目標要求，最危險點仍為2#點且減速度下降較小;主要原因為2#點所處位置的特殊性，其撞擊方向與法向夾角為14.2，這導致球頭撞擊力的沿法向分力較大，其減速度也會偏大;2#點位于Y=0平面導致該點受力平衡穩定，不容易發生潰縮，最終導致其3ms最大均值減速度偏大達78.2g。其余點的減速度基本都下降了10g以上，有比較顯著的效果，且從仿真角度可斷定該優化設計滿足目標要求。

該款副儀表板進行法規認證試驗，抽檢點為Y=0平面內的點如下圖10所示，經現場確認與3#點位置最接近，試驗結果顯示3ms峰值減速度為77g，最大減速度平均值為70.2g，滿足標準要求。對比3#點精度大約在97.3%。雖然單個點驗證不足以代表所有點的驗證效果，但一定程度上還是可以驗證該仿真方法一定程度是可靠的。

5? ? 結論

（1）近年來國內從事儀表板頭部碰撞仿真研究的較少，主要是由于塑料件比較難模擬，接觸、摩擦和失效參數等的設置都需要一定的理論基礎和經驗，同時還需要通過反復的調試[5]，本文中副儀表板建模及分析方法，經驗證具有較高的精度，為后續該方向的研究提供參考。

（2）基于該CAE仿真分析手段優化后設計方案完全滿足標準要求，采用CAE仿真手段可節省副儀表的開發周期，且提高了產品的可靠性。

參考文獻：

[1]練朝春等，行人頭部碰撞仿真及優化[J]，制造業信息化，2011（2）90-91.

[2]練朝春等，儀表板頭部碰撞仿真分析[J]，機械設計與研究，2011（4）48-51.

[3]GB11552-2009乘用車內部凸出物.

[4]張明君等，轎車內部凸出物試驗方法[J]，汽車工程師，2010（3）.

[5]HodgsonVR， ThomasLM.Comparison of Head Acceleration Injury Indices in Cadaver Skull Fracture [C] // WayneState University，SAE 710854.