某單排輕卡駕駛室正面碰撞安全性能仿真與試驗(yàn)研究

陳明亮，林偵文，黃勤，張奇

（江西五十鈴汽車(chē)有限公司 產(chǎn)品開(kāi)發(fā)技術(shù)中心，江西 南昌 330001）

1 引言

隨著城市物流行業(yè)的快速發(fā)展，輕卡銷(xiāo)量得到高速增長(zhǎng)，但同時(shí)乘員的安全風(fēng)險(xiǎn)也日益嚴(yán)峻，需引起汽車(chē)生產(chǎn)廠家及全社會(huì)的共同關(guān)注和重視。我國(guó)輕卡行業(yè)駕駛室主流形式為平頭駕駛室，具有良好的造型和經(jīng)濟(jì)優(yōu)越性，與此同時(shí)，當(dāng)輕卡出現(xiàn)正面碰撞事故時(shí)，駕駛室白車(chē)身會(huì)經(jīng)歷由彈性變形過(guò)渡到很大的塑性變形，會(huì)擠壓和傷害前排駕駛員和副駕乘員的生存空間，造成人身傷害的巨大安全事故，故單排輕卡駕駛室本身的結(jié)構(gòu)強(qiáng)度和安全性能對(duì)乘員的生存空間和生命安全有著直接決定性影響[1-4]。考慮到當(dāng)前國(guó)內(nèi)輕卡主流車(chē)型是單排4.5T藍(lán)牌車(chē)型，因此開(kāi)展單排輕卡駕駛室正面碰撞安全性能的研究具有十分重要的經(jīng)濟(jì)價(jià)值和社會(huì)價(jià)值。

本文時(shí)依據(jù)交通部的營(yíng)運(yùn)貨車(chē)安全技術(shù)條件，基于安全分析軟件 Ls-Dyna，對(duì)某單排欄板輕卡駕駛室進(jìn)行正面碰撞CAE仿真分析，研究了其能量傳遞規(guī)律和評(píng)價(jià)了乘員生存空間，同時(shí)在襄陽(yáng)試驗(yàn)場(chǎng)進(jìn)行了實(shí)車(chē)駕駛室正拍試驗(yàn)，實(shí)際驗(yàn)證校核該車(chē)型駕駛室安全性能設(shè)計(jì)能力水平。

2 單排駕駛室正面碰撞CAE分析

2.1 交通部營(yíng)運(yùn)貨車(chē)正面撞擊試驗(yàn)概述

交通部所定義的輕卡正面撞擊試驗(yàn)，是采用質(zhì)量均布的鋼制撞擊部件并且質(zhì)量不小于 1500kg，撞擊面為長(zhǎng)方形平面，撞擊器的質(zhì)心小于駕駛室座椅R點(diǎn)50mm，撞擊器應(yīng)沿平行于車(chē)輛地縱向中心平面，水平撞擊輕卡駕駛室前臉正面區(qū)域，如圖1，本文所研究的對(duì)象為總質(zhì)量4495kg的單排輕卡車(chē)型，對(duì)于撞擊能量的要求如下：

最大總質(zhì)量小于7.5T 的N2類(lèi)車(chē)輛，撞擊能量為29.4KJ。

試驗(yàn)主要目標(biāo)，是考慮前部出現(xiàn)碰撞的特殊條件下的安全事故情形下，對(duì)主機(jī)廠研發(fā)制造的輕卡駕駛室和翻轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)及駕駛室強(qiáng)度進(jìn)行全面校核和評(píng)價(jià)[5]，以實(shí)現(xiàn)減小對(duì)駕駛員和副駕乘員的人身傷害風(fēng)險(xiǎn)，保障乘員具備足夠的生命安全空間。

圖1 正面撞擊試驗(yàn)示意圖

2.2 單排駕駛室正面碰撞有限元模型

本文運(yùn)用Hyperworks和Ls-dyna軟件，建立如圖2的某單排輕卡駕駛室正面碰撞仿真模型，撞擊采用剛體三維長(zhǎng)方體單元模擬。本文所研究的單排輕卡駕駛室主要由車(chē)門(mén)，地板等寶鋼DC系列材料鈑金件和內(nèi)外飾部件組成，零部件間連接關(guān)系主要是通過(guò)點(diǎn)焊及膠粘建立，模型中附屬部件采用一維Mass質(zhì)量單元模擬，CAE模型計(jì)算時(shí)間設(shè)定為150ms。

圖2 某單排輕卡駕駛室有限元模型

2.3 單排駕駛室正面碰撞CAE結(jié)果分析

2.3.1 翻轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)安全性能校核

翻轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)是整車(chē)系統(tǒng)的重要受力和安全部件，其力學(xué)性能對(duì)于整車(chē)駕駛室的安全具有重要影響，本文中，需校核整車(chē)駕駛室在正面撞擊情況下，翻轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)螺栓不應(yīng)全部剪切斷裂，需保證駕駛室處于固連狀態(tài)。圖3為某單排駕駛室車(chē)型正碰試驗(yàn)下的翻轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)安全強(qiáng)度仿真分析結(jié)果，結(jié)構(gòu)變形僅為0.63%，滿(mǎn)足材料強(qiáng)度要求。

圖3 某單排駕駛室車(chē)型正碰分析翻轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)強(qiáng)度結(jié)果

本文同時(shí)也對(duì)翻轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)的螺栓軸力和剪切力進(jìn)行了校核，得到如圖4的分析結(jié)果，由圖可知，發(fā)生正面碰撞時(shí)，不同固定螺栓所受到的軸向力和剪切力大小是不同的，且在前部時(shí)間區(qū)域，力的大小都達(dá)到峰值，而后期會(huì)振蕩衰減，且力的幅值滿(mǎn)足小于螺栓設(shè)計(jì)閾值目標(biāo)。

圖4 翻轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)螺栓力分析計(jì)算結(jié)果

2.3.2 乘員生存空間校核分析

CAE模型進(jìn)行完碰撞后，分別校核駕駛員和副駕乘員的生存空間，其中駕駛員大腿距方向盤(pán)最外端有80mm空間，駕駛員左大腿距轉(zhuǎn)向管柱外臂有21mm空間，右大腿距轉(zhuǎn)向管柱外臂有24mm空間，副駕乘員生存空間更充足，腿部距儀表板足有10mm（圖5）， 滿(mǎn)足法規(guī)要求。

圖5 乘員生存空間校核

3 駕駛室正面碰撞試驗(yàn)分析

本文在襄陽(yáng)檢測(cè)中心進(jìn)行了某單排實(shí)車(chē)駕駛室正面碰撞試驗(yàn)（圖6），試驗(yàn)樣車(chē)為總質(zhì)量4495kg的單排欄板輕卡，通過(guò)控制擺臂高度來(lái)實(shí)現(xiàn)撞擊能量29.4KJ的要求，整車(chē)采用鐵鏈固定約束車(chē)架前后端，碰撞后再放置假人，校核乘員生存空間，試驗(yàn)邊界條件如圖6。

圖6 正面撞擊驗(yàn)證試驗(yàn)

圖7 駕駛員生存空間試驗(yàn)結(jié)

圖8 副駕乘員生存空間試驗(yàn)結(jié)果

撞擊試驗(yàn)后，檢查翻轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)螺栓狀態(tài)和校核主副駕駛乘員生存空間，經(jīng)現(xiàn)場(chǎng)檢測(cè)，單排欄板輕卡駕駛室翻轉(zhuǎn)支座螺栓僅發(fā)生較小范圍的塑性變形，固聯(lián)良好，未發(fā)生剪斷風(fēng)險(xiǎn)。假人放置于主副駕區(qū)域，駕駛員和副駕乘員腿部和其他部位離駕駛室儀表板和轉(zhuǎn)向管柱等部件距離較大，具備足夠的生存空間，滿(mǎn)足法規(guī)要求，與CAE模擬分析結(jié)果趨勢(shì)對(duì)標(biāo)一致，試驗(yàn)結(jié)果如圖7和圖8。

4 結(jié)論

文時(shí)依據(jù)交通部定義的安全技術(shù)條件，基于有限元安全分析軟件 Ls-Dyna，對(duì)某單排欄板輕卡駕駛室進(jìn)行正面碰撞CAE仿真分析和正面碰撞試驗(yàn)，結(jié)果顯示：

CAE仿真模型中主駕駛員和副駕乘員未與駕駛室其他部件出現(xiàn)干涉，顯示乘員的生存空間是滿(mǎn)足法規(guī)要求，同時(shí)進(jìn)行得實(shí)車(chē)正面撞擊試驗(yàn)結(jié)果也顯示乘員具備充分的生存空間，與CAE分析結(jié)果對(duì)標(biāo)趨勢(shì)一致。

因此本文綜合評(píng)定該單排欄板輕卡駕駛室正面碰撞安全性能滿(mǎn)足法規(guī)和設(shè)計(jì)目標(biāo)要求。