副儀表板頭部碰撞分析和優(yōu)化研究

車(chē)寬

(上海蔚來(lái)汽車(chē)有限公司，上海 201804)

0 引言

根據(jù)2001—2014年的14年間的中國(guó)交通事故統(tǒng)計(jì)[1]：交通事故共殺死了1 142 516人，受傷人數(shù)也高達(dá)5 086 562人，對(duì)人員和財(cái)產(chǎn)造成了極大的損失。據(jù)哈佛大學(xué)的研究和預(yù)測(cè)，交通事故會(huì)在2020年左右成為全世界致死因素排行榜的第三位，僅次于疾病和自然災(zāi)害導(dǎo)致的死亡[2]。

交通事故中，主要是側(cè)面碰撞和正面碰撞，而從傷害部位來(lái)看，頭部、胸部、肩部、臀部和下肢最容易受到傷害，其中胸部、肩部、下肢和臀部一般不會(huì)直接導(dǎo)致死亡，而頭部傷害切能直接導(dǎo)致行人死亡，因此對(duì)頭部的研究也就是汽車(chē)碰撞中的重中之重啊。 在中國(guó)由于后排乘客很大部分不習(xí)慣系安全帶，在發(fā)生正面碰撞時(shí)，后排的乘客頭部會(huì)撞到副儀表板上，如果副儀表結(jié)構(gòu)不能提供很好的吸能作用，會(huì)造成乘員頭部短時(shí)間受到極大減速度而造成乘員傷害，因此對(duì)副儀表板的頭部研究就顯得極其重要。

1 副儀表板頭部碰撞有限元建立和分析

1.1 副儀表板頭部碰撞點(diǎn)的定義

副儀表板頭部碰撞，主要是指坐在后排座椅的乘客在車(chē)輛發(fā)生正面碰撞時(shí)，其頭部以6.7 m/s的速度撞擊到副儀表板上而發(fā)生傷害。其在副儀表板上的碰撞位置需要根據(jù)GB 11552—2009法規(guī)的要求，采用擺臂帶165 mm的圓球和副儀表板的靜態(tài)接觸法來(lái)確定。其方法如下：根據(jù)后排座椅左、中、右的點(diǎn)H位置，用分別為840、760、672.5 mm的擺臂，頂端帶上直徑165 mm圓球模擬撞擊到副儀表板的表面，根據(jù)副儀表板結(jié)構(gòu)特點(diǎn)和座椅的位置，每種情況選擇一個(gè)典型的撞擊點(diǎn)，一共9個(gè)點(diǎn)，剔除掉左右對(duì)稱(chēng)點(diǎn)3個(gè)，一共選擇了6個(gè)位置。圖1為副儀表板碰撞點(diǎn)圖。

圖1 副儀表板碰撞點(diǎn)

1.2 副儀表板頭部碰撞有限元建立

副儀表板頭部碰撞有限元模型是根據(jù)副儀表板catia 3d模型數(shù)據(jù)，用Hypermesh軟件對(duì)其進(jìn)行網(wǎng)格離散處理，其網(wǎng)格大小為5×5 mm，其各結(jié)構(gòu)的安裝點(diǎn)，如卡扣、熱熔焊點(diǎn)等采用spring并給予剛性連接來(lái)處理。并需要根據(jù)EBOM表進(jìn)行配重、材料、屬性等設(shè)置。下面是副儀表的碰撞有限元模型，其中包含136 791個(gè)網(wǎng)格單元、spring為193個(gè)。

擺臂是以6.7 m/s的速度撞擊在副儀表板上事先定義好的點(diǎn)A、B、C、D、E、F上的，其擺臂圓心的質(zhì)量設(shè)定為6.8 kg，擺臂長(zhǎng)度為760 mm，直徑為165 mm的剛性球和剛性臂。

圖2 副儀表的碰撞有限元模型

1.3 碰撞目標(biāo)

其碰撞目標(biāo)如下：按照GB 11552—2009規(guī)定，鋼球在撞擊過(guò)程中其減速度超過(guò)80g的時(shí)間不能超過(guò)3 ms[3]，由于公司對(duì)安全要求更嚴(yán)，其減速度要求變?yōu)槌^(guò)72g的時(shí)間不能超過(guò)3 ms，文中通過(guò)Radioss的顯示算法對(duì)碰撞點(diǎn)進(jìn)行減速度研究；在碰撞過(guò)程中無(wú)零件從副儀表板系統(tǒng)中脫離飛出，無(wú)硬質(zhì)碎片發(fā)出以防止傷到后排乘員；在碰撞過(guò)程中無(wú)可接觸的尖點(diǎn)和銳邊。

1.4 副儀表板的吸能結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)和有限元分析研究

在頭部撞擊到副儀表板后部區(qū)域時(shí)，其撞擊力的方向近似于Z向向下，撞擊力從上往下通過(guò)扶手，扶手支架，副儀表板支架傳遞到地板橫梁支架，為了保證頭部的傷害值盡可能的小，需要在Z方向上有足夠的吸能設(shè)計(jì)，如圖3所示，其吸能設(shè)計(jì)主要在副儀表板支架上，有兩處能很好地吸收碰撞傳遞下來(lái)的沖擊力：在a處，支架的中部會(huì)有個(gè)大的洞來(lái)減少支架的強(qiáng)度，并在洞的兩側(cè)構(gòu)建“[”字型吸能，在其轉(zhuǎn)角處進(jìn)行減料厚處理(上部為1 mm，下部為1.5 mm)，當(dāng)力傳遞過(guò)來(lái)時(shí)，支架在“[”字型處向兩側(cè)偏移并潰縮，為撞擊過(guò)程中的能量釋放提供空間；在b處，撞擊力會(huì)經(jīng)過(guò)此處拐角而傳遞到支架下面，此處是力的集聚處，可以通過(guò)增加反“L”形拐角增加潰縮量來(lái)吸能。

圖3 副儀表支架的吸能設(shè)計(jì)

由于碰撞點(diǎn)C在正中間，根據(jù)碰撞力的傳遞路徑，其副儀表板支架的左右兩邊的力會(huì)是最均勻，靜態(tài)吸能也是最差的，所以點(diǎn)C為最極限點(diǎn)，以此點(diǎn)為研究能更好地節(jié)約時(shí)間和說(shuō)明問(wèn)題。圖4為擺臂撞擊到點(diǎn)C的時(shí)支架吸能過(guò)程，當(dāng)撞擊發(fā)生時(shí)，副儀表板支架在b處會(huì)首先開(kāi)始發(fā)生潰縮變形并吸收沖擊能量，在撞擊發(fā)生6 ms時(shí)，在a處 “[”處開(kāi)始發(fā)生潰縮變形，開(kāi)口開(kāi)始向外偏移吸能，在15 ms時(shí)，a處完全潰縮，開(kāi)口向外變形變?yōu)樽畲?，撞擊能量釋放完成。由圖可見(jiàn)其潰縮點(diǎn)滿(mǎn)足結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的構(gòu)想。

圖4 頭部碰撞點(diǎn)C-支架潰縮吸能過(guò)程

根據(jù)模擬結(jié)果調(diào)整a處、b處的料厚和強(qiáng)弱，增加弱化缺口，并通過(guò)增加和減少副儀表板支架加強(qiáng)筋的高度和密度，再經(jīng)過(guò)3輪的調(diào)整和優(yōu)化，最后得出碰撞點(diǎn)C的3 ms的減速度為71.7g，滿(mǎn)足設(shè)計(jì)要求，如圖5所示。

圖5 頭部碰撞點(diǎn)C加速度曲線

點(diǎn)C通過(guò)后，在進(jìn)行其他幾個(gè)碰撞點(diǎn)的模擬和對(duì)a處、b處的結(jié)構(gòu)優(yōu)化通過(guò)多輪驗(yàn)證和結(jié)構(gòu)優(yōu)化，使碰撞的6個(gè)點(diǎn)(A、B、C、D、E、F)都滿(mǎn)足頭部3 ms的減速度要求，研究過(guò)程在此不詳述。

2 副儀表板頭部碰撞實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證

2.1 實(shí)驗(yàn)方法

CAE有限元模擬結(jié)束后，將其副儀表板的3D數(shù)模凍結(jié)，并將其用模具制造出來(lái)，用制造出來(lái)的零件進(jìn)行實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證。為了更全面更準(zhǔn)確地模擬頭部碰撞，需要將實(shí)車(chē)車(chē)身按照副儀表板區(qū)域和大小進(jìn)行切割，在保證其車(chē)身切割對(duì)副儀表板的安裝點(diǎn)結(jié)構(gòu)、安裝支架和其附件完整和不影響車(chē)身在副儀表板強(qiáng)度的情況下盡可能的小，建議比副儀表板周圈大50 mm左右，以利于運(yùn)輸和移動(dòng)。

頭部碰撞準(zhǔn)備如圖6所示。其過(guò)程為：將副儀表系統(tǒng)安裝在切割后的下車(chē)身上組成副儀表板碰撞系統(tǒng)，通過(guò)調(diào)整副儀表板碰撞系統(tǒng)位置保證擺臂頭碰撞的點(diǎn)是所需要的位置，并將擺臂機(jī)在撞擊點(diǎn)的速度調(diào)整為6.7 m/s后進(jìn)行實(shí)驗(yàn)。

圖6 頭部碰撞準(zhǔn)備

2.2 實(shí)驗(yàn)結(jié)果分析

圖7為頭部碰撞失效圖，表1為CAE與實(shí)驗(yàn)比較表。

圖7 頭部碰撞后失效

表1 頭部碰撞CAE和實(shí)驗(yàn)結(jié)果比較

在第一輪實(shí)驗(yàn)當(dāng)中結(jié)果如：(1)碰撞點(diǎn)A、B、C、D、E、F的3 ms都滿(mǎn)足小于72g的要求，和CAE模型的偏差在碰撞點(diǎn)B處最大，有18.2%，而在碰撞點(diǎn)A處最小，只有0.58%；(2)在所有碰撞中后蓋板都快速飛出，并撞擊到擺臂機(jī)上，有飛出撞擊乘客分風(fēng)險(xiǎn)，是不容許的；(3)潰縮斷裂處大都是在支架的“[”處和有限元模型大概一致；(4)撞擊點(diǎn)在副儀表板處無(wú)明顯損傷，滿(mǎn)足要求。

2.3 實(shí)驗(yàn)失效分析

從有限元模擬結(jié)果和第一輪實(shí)驗(yàn)的3 ms減速度可以看出，雖然碰撞點(diǎn)B的偏差偏大，但其他5個(gè)碰撞點(diǎn)偏差還可，考慮到排除由于有限元無(wú)法完全模擬后蓋板的卡接和飛出對(duì)吸能的影響，其有限元模擬結(jié)果模型還是很準(zhǔn)確的。

當(dāng)頭碰發(fā)生后，撞擊力會(huì)將副儀表板系統(tǒng)往向下壓，副儀表板支架也會(huì)向下向外變形而吸收碰撞能量，由于后蓋板由X向卡接在副儀表板支架上，在副儀表板系統(tǒng)向下變形時(shí)會(huì)產(chǎn)生極大的Y向推力而將后蓋板沿X向推出，由于這一切發(fā)生在幾十毫秒時(shí)間內(nèi)，其產(chǎn)生的推力和后蓋板的飛出速度也會(huì)極大而造成對(duì)乘員的極大傷害。圖8為實(shí)驗(yàn)失效分析圖。

圖8 頭部碰撞實(shí)驗(yàn)失效分析

2.4 結(jié)構(gòu)優(yōu)化方案和分析

由上面的失效分析可知，要想后蓋板不飛出，需將后蓋板上面和下面的卡接結(jié)構(gòu)改為更加強(qiáng)力的安裝結(jié)構(gòu)，比如螺釘結(jié)構(gòu)，將后蓋板牢牢的鎖定在副儀表板上，考慮到后蓋板是常見(jiàn)外表面，不能在表面出現(xiàn)螺釘蓋板等影響外觀的結(jié)構(gòu)，并且全螺釘安裝和拆卸空間也是個(gè)問(wèn)題，還有很多零件需要大改，模具成本也會(huì)很貴，所以此法不可行。為了達(dá)成能拆卸、安裝方便可行，又不大改模具的基礎(chǔ)上只需要在后蓋板下部增加個(gè)金屬支架，將金屬支架先安裝在后蓋板上后，通過(guò)后蓋板儲(chǔ)物盒的空隙將金屬支架和副儀表板支架用螺釘安裝起來(lái)。其方案如圖9所示。

圖9 增加金屬支架方案

此方案的優(yōu)點(diǎn)在當(dāng)頭部碰撞發(fā)生后，后蓋板通過(guò)上部被推開(kāi)來(lái)釋放撞擊能量，而蓋板下部由于有金屬支架拉住而不脫開(kāi)，并且有下面4個(gè)螺釘將后蓋板的旋轉(zhuǎn)也鎖住而防止后蓋板上部脫開(kāi)過(guò)大而漏出尖銳的邊界而傷害乘員的頭部。其副儀表板支架的潰縮處也主要集中在“[”處，同有限元模擬結(jié)果相似，圖10為最后一輪頭部碰撞點(diǎn)C結(jié)果圖。

圖10 最后一輪頭部碰撞點(diǎn)C結(jié)果

由于篇幅有限和其他幾個(gè)碰撞點(diǎn)的碰撞結(jié)果和點(diǎn)C碰撞相差不大，此處不過(guò)多的描述，其最后的3 ms合成加速度同有限元模型圖比較見(jiàn)表2。

從表中可以看出將后蓋板的下部固定連接后，其同有限元模擬的偏差從最大的18.2%降到了13%，也再次證明了有限元分析對(duì)實(shí)驗(yàn)結(jié)果的參考性和有效性，并證明了此方案的最終可行性。

3 結(jié)束語(yǔ)

由于現(xiàn)今很少有對(duì)副儀表板頭部碰撞進(jìn)行研究的論文，而隨著大家對(duì)安全越來(lái)越重視，其后部座椅乘員的頭部碰撞就顯得越來(lái)越有意義。文中是基于一款最新的副儀表板的結(jié)構(gòu)進(jìn)行頭部碰撞研究，運(yùn)用有限元分析方法對(duì)副儀表板支架進(jìn)行潰縮結(jié)構(gòu)優(yōu)化，并進(jìn)行實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證和對(duì)比。通過(guò)對(duì)比研究發(fā)現(xiàn)：(1)副儀表板在碰撞時(shí)需要有潰縮結(jié)構(gòu)，也即有足夠的潰縮點(diǎn)來(lái)吸收碰撞能量；(2)有限元能很好地模擬碰撞潰縮，其有效性能達(dá)到80%～90%，但并不是全能的，比如它無(wú)法模擬擁有全卡接結(jié)構(gòu)的后蓋板在碰撞過(guò)程中的飛出過(guò)程；(3)有限元模擬不能完全代替物理實(shí)驗(yàn)，尤其是一些特殊情況，比如零件飛出等。雖然有限元無(wú)法完全代替物理實(shí)驗(yàn)，但由于它的模擬效率和成本節(jié)約的極大好處，對(duì)項(xiàng)目開(kāi)發(fā)會(huì)越來(lái)越重要。