某單排輕卡駕駛室正面碰撞安全性能仿真與試驗研究

陳明亮，林偵文，黃勤，張奇

（江西五十鈴汽車有限公司 產品開發技術中心，江西 南昌 330001）

1 引言

隨著城市物流行業的快速發展，輕卡銷量得到高速增長，但同時乘員的安全風險也日益嚴峻，需引起汽車生產廠家及全社會的共同關注和重視。我國輕卡行業駕駛室主流形式為平頭駕駛室，具有良好的造型和經濟優越性，與此同時，當輕卡出現正面碰撞事故時，駕駛室白車身會經歷由彈性變形過渡到很大的塑性變形，會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構強度和安全性能對乘員的生存空間和生命安全有著直接決定性影響[1-4]?？紤]到當前國內輕卡主流車型是單排4.5T藍牌車型，因此開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濟價值和社會價值。

本文時依據交通部的營運貨車安全技術條件，基于安全分析軟件 Ls-Dyna，對某單排欄板輕卡駕駛室進行正面碰撞CAE仿真分析，研究了其能量傳遞規律和評價了乘員生存空間，同時在襄陽試驗場進行了實車駕駛室正拍試驗，實際驗證校核該車型駕駛室安全性能設計能力水平。

2 單排駕駛室正面碰撞CAE分析

2.1 交通部營運貨車正面撞擊試驗概述

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

最大總質量小于7.5T 的N2類車輛，撞擊能量為29.4KJ。

試驗主要目標，是考慮前部出現碰撞的特殊條件下的安全事故情形下，對主機廠研發制造的輕卡駕駛室和翻轉機構及駕駛室強度進行全面校核和評價[5]，以實現減小對駕駛員和副駕乘員的人身傷害風險，保障乘員具備足夠的生命安全空間。

圖1 正面撞擊試驗示意圖

2.2 單排駕駛室正面碰撞有限元模型

本文運用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方體單元模擬。本文所研究的單排輕卡駕駛室主要由車門，地板等寶鋼DC系列材料鈑金件和內外飾部件組成，零部件間連接關系主要是通過點焊及膠粘建立，模型中附屬部件采用一維Mass質量單元模擬，CAE模型計算時間設定為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結果分析

2.3.1 翻轉機構安全性能校核

翻轉機構是整車系統的重要受力和安全部件，其力學性能對于整車駕駛室的安全具有重要影響，本文中，需校核整車駕駛室在正面撞擊情況下，翻轉機構螺栓不應全部剪切斷裂，需保證駕駛室處于固連狀態。圖3為某單排駕駛室車型正碰試驗下的翻轉機構安全強度仿真分析結果，結構變形僅為0.63%，滿足材料強度要求。

圖3 某單排駕駛室車型正碰分析翻轉機構強度結果

本文同時也對翻轉機構的螺栓軸力和剪切力進行了校核，得到如圖4的分析結果，由圖可知，發生正面碰撞時，不同固定螺栓所受到的軸向力和剪切力大小是不同的，且在前部時間區域，力的大小都達到峰值，而后期會振蕩衰減，且力的幅值滿足小于螺栓設計閾值目標。

圖4 翻轉機構螺栓力分析計算結果

2.3.2 乘員生存空間校核分析

CAE模型進行完碰撞后，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最外端有80mm空間，駕駛員左大腿距轉向管柱外臂有21mm空間，右大腿距轉向管柱外臂有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）， 滿足法規要求。

圖5 乘員生存空間校核

3 駕駛室正面碰撞試驗分析

本文在襄陽檢測中心進行了某單排實車駕駛室正面碰撞試驗（圖6），試驗樣車為總質量4495kg的單排欄板輕卡，通過控制擺臂高度來實現撞擊能量29.4KJ的要求，整車采用鐵鏈固定約束車架前后端，碰撞后再放置假人，校核乘員生存空間，試驗邊界條件如圖6。

圖6 正面撞擊驗證試驗

圖7 駕駛員生存空間試驗結

圖8 副駕乘員生存空間試驗結果

撞擊試驗后，檢查翻轉機構螺栓狀態和校核主副駕駛乘員生存空間，經現場檢測，單排欄板輕卡駕駛室翻轉支座螺栓僅發生較小范圍的塑性變形，固聯良好，未發生剪斷風險。假人放置于主副駕區域，駕駛員和副駕乘員腿部和其他部位離駕駛室儀表板和轉向管柱等部件距離較大，具備足夠的生存空間，滿足法規要求，與CAE模擬分析結果趨勢對標一致，試驗結果如圖7和圖8。

4 結論

文時依據交通部定義的安全技術條件，基于有限元安全分析軟件 Ls-Dyna，對某單排欄板輕卡駕駛室進行正面碰撞CAE仿真分析和正面碰撞試驗，結果顯示：

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干涉，顯示乘員的生存空間是滿足法規要求，同時進行得實車正面撞擊試驗結果也顯示乘員具備充分的生存空間，與CAE分析結果對標趨勢一致。

因此本文綜合評定該單排欄板輕卡駕駛室正面碰撞安全性能滿足法規和設計目標要求。