面向新法規(guī)的的卡車駕駛室頂壓性能提升

摘 要：某重卡駕駛室在碰撞摸底試驗(yàn)中生存空間、頂部承載力均無法滿足《商用車駕駛室乘員保護(hù)》（GB26512-2021）的要求。為了提高頂部承載力，增大乘員的頭部生存空間，建立該駕駛室的側(cè)壓-頂壓碰撞有限元分析（FEA）模型，并通過仿真與試驗(yàn)對標(biāo)驗(yàn)證模型的有效性。根據(jù)車身框架結(jié)構(gòu)能量傳遞和閉合腔體傳力特點(diǎn)精準(zhǔn)鎖定A柱、后圍、頂蓋的薄弱部位并制定有效優(yōu)化方案。結(jié)果表明：疏通A柱、頂蓋和后圍等關(guān)鍵傳力路徑，形成閉合腔體截面能有效提升頂部承壓力，使駕駛室在滿足生存空間的前提下，頂壓承載力由70 kN提升至102 kN，承載性能提升了31.3%。該結(jié)構(gòu)優(yōu)化思路可為白車身結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)開發(fā)提供理論指導(dǎo)。

關(guān)鍵詞： 商用車駕駛室；頂部強(qiáng)度；結(jié)構(gòu)優(yōu)化；有限元分析（FEA）模型

中圖分類號： U 463.83 文獻(xiàn)標(biāo)識碼： A DOI： 10.3969/j.issn.1674-8484.2024.02.003

汽車側(cè)翻碰撞作為一種較為常見的安全事故，其死亡人數(shù)約占總交通事故死亡人數(shù)的30%，并有逐年升高的趨勢[1-2]。商用車作為中國公路運(yùn)輸行業(yè)的載體，承擔(dān)了主要的運(yùn)輸任務(wù)，但由于其車身質(zhì)量大、尺寸大的特點(diǎn)，一旦發(fā)生失穩(wěn)側(cè)翻事故，會造成嚴(yán)重的人員傷亡和交通設(shè)施破壞[3-6]。相關(guān)政府部門在不斷地完善商用車安全法規(guī)以期獲得更高的商用車碰撞安全性能，降低乘員的損傷。相對于舊版的GB 26512-2011 [7]，新版的GB 26512-2021《商用車駕駛室乘員保護(hù)》 [8] 對駕駛室的碰撞安全性提出了更高的要求，主要表現(xiàn)在碰撞項(xiàng)目的增加以及碰撞能量的升高[9]。根據(jù)新法規(guī)要求，最大設(shè)計(jì)總質(zhì)量大于7.5 t 的N2 類車輛和所有的N3 類車輛，在進(jìn)行頂部靜壓試驗(yàn)前應(yīng)進(jìn)行駕駛室側(cè)面擺錘20°撞擊試驗(yàn)[10]。該項(xiàng)目的加入更能真實(shí)地模擬商用車發(fā)生側(cè)翻事故時(shí)的受力變形情況，同時(shí)該工況對駕駛室頂部強(qiáng)度安全性提出了更高的要求。

王登峰[11] 針對某商用車駕駛室頂壓試驗(yàn)中暴露出的問題， 對駕駛室后圍和地板縱梁結(jié)構(gòu)進(jìn)行了有限元分析和結(jié)構(gòu)改進(jìn)，改進(jìn)基于歐洲ECE R29-02 法規(guī)，該法規(guī)與中國舊版法規(guī)內(nèi)容基本一致，頂壓力容易達(dá)到法規(guī)要求；LV Chang[12] 基于ECE R29-02 驗(yàn)證了某重卡駕駛室的頂部強(qiáng)度是否合規(guī)并給出結(jié)構(gòu)改進(jìn)建議；謝旭良[13] 對某高頂駕駛室進(jìn)行頂部強(qiáng)度有限元仿真分析，結(jié)果表明試驗(yàn)與仿真結(jié)果吻合較好。WANG Dengfeng [14] 建立了一汽某重卡駕駛室有限元模型，基于各國不同的重卡駕駛室法規(guī)探究了3 種20°撞擊擺錘對駕駛室變形的影響，并給出了可能提升駕駛室碰撞性能的方案，方案來源于主觀經(jīng)驗(yàn)。A. R.Velankar [15] 基于SAE J2422 法規(guī)對駕駛室側(cè)面、頂部進(jìn)行準(zhǔn)靜態(tài)加載分析，準(zhǔn)靜態(tài)加載相對于顯示分析工況更寬松，且部件的屈曲變形模擬較粗糙。以上商用車頂壓相關(guān)研究多以舊版法規(guī)合規(guī)標(biāo)準(zhǔn)為目標(biāo)進(jìn)行設(shè)計(jì)優(yōu)化，結(jié)構(gòu)強(qiáng)度要求低；應(yīng)用較嚴(yán)格版本法規(guī)的研究憑借經(jīng)驗(yàn)給出可能的改進(jìn)方向，并未給出真實(shí)有效的方案，且借助經(jīng)驗(yàn)識別風(fēng)險(xiǎn)點(diǎn)試錯成本較高，增加了研發(fā)周期。G. Bae 和 P. K. Kim [16-17] 等通過將關(guān)鍵部件材料更換為熱成型、高強(qiáng)鋼等方法進(jìn)行耐撞性優(yōu)化，但優(yōu)化成本較高。

本文基于最新版的GB 26512-2021 法規(guī)要求建立某重卡駕駛室側(cè)壓—頂壓碰撞有限元分析模型，從模型能量守恒、試驗(yàn)仿真駕駛室變形模式、頂壓承載曲線對標(biāo)等三方面驗(yàn)證模型的有效性。根據(jù)車身框架結(jié)構(gòu)能量傳遞及閉合腔體截面?zhèn)髁μ攸c(diǎn)，精確鎖定后圍立柱、駕駛員側(cè)A 柱、頂蓋加強(qiáng)梁等薄弱部位，規(guī)避了主觀經(jīng)驗(yàn)判斷試錯成本高的風(fēng)險(xiǎn)；通過疏通整車坐標(biāo)系下駕駛室的Y 向、Z 向傳力路徑，形成腔體閉合回路等方案進(jìn)行結(jié)構(gòu)優(yōu)化，能夠以較低的成本有效提升側(cè)面及頂部的耐撞性能，為后續(xù)駕駛室耐撞性設(shè)計(jì)提供了理論指導(dǎo)。

1 駕駛室頂部強(qiáng)度分析模型建立

1.1 駕駛室有限元模型

駕駛室有限元模型由白車身、車門、儀表臺機(jī)構(gòu)、轉(zhuǎn)向機(jī)構(gòu)、懸置和車架構(gòu)成。如圖1 所示，該有限元模型一共包含3 057 219 個(gè)節(jié)點(diǎn)，3 462 179 個(gè)殼單元和47 836 個(gè)體單元，其中車身本體主要為鈑金件，采用2D 單元模擬；懸置鑄件通過四面體單元模擬；鉸鏈、螺栓等采用1D 單元模擬；膠粘、燒焊、點(diǎn)焊通過建立六面體單元模擬。為保證獲得較高的計(jì)算精度，仿真選用嚴(yán)格的網(wǎng)格質(zhì)量檢查標(biāo)準(zhǔn)[18]，控制三角形網(wǎng)格占比小于5%，對關(guān)鍵部位的關(guān)鍵特征網(wǎng)格進(jìn)行局部細(xì)化。為消除部件間的穿透，模型中主要建立了3 種接觸：① 整車的自接觸，關(guān)鍵字為*AUTOMATIC_SINGLE_SURFACE ；② 擺錘與整車的面面接觸，在LS_DYNA中用*AUTOMATIC_SURFACE_TO_SURFACE 卡片來模擬；③ 焊點(diǎn)與整車之間建立類型為*AUTOMATIC_NODES_TO_SURFACE 的接觸。

1.2 模型邊界條件

按照法規(guī)的要求，側(cè)壓—頂壓加載示意如圖2 所示。其中，側(cè)壓擺錘總質(zhì)量1.577 t，尺寸為2 500 mm×2 500 mm，懸吊軸到擺錘中心的距離為3.7 m，初始撞擊能為17.6 kJ， 經(jīng)動能公式計(jì)算得到擺錘加載角速度作為仿真輸入；頂壓以恒定的速度1 m/s 沿Z 軸負(fù)向進(jìn)行加載。約束車架6 個(gè)自由度，側(cè)壓擺錘平面與車輛縱向中心平面的夾角為20°，調(diào)整并固定好擺錘，約束擺錘除沿轉(zhuǎn)軸轉(zhuǎn)動以外的自由度，先進(jìn)行側(cè)壓加載再進(jìn)行頂壓分析。為與試驗(yàn)對標(biāo)，使駕駛室側(cè)壓預(yù)加載后彈性變形完全恢復(fù)，所以模型選取側(cè)向預(yù)加載時(shí)間為500 ms。

2 有限元分析模型的驗(yàn)證

2.1 能量曲線

有限元仿真計(jì)算要涉及多種積分算法和不同的接觸算法，系統(tǒng)為了保證計(jì)算正常進(jìn)行，會在模型計(jì)算時(shí)自動增加某些部件的質(zhì)量，但是質(zhì)量增加太多會導(dǎo)致計(jì)算結(jié)果不可信；同時(shí)非全積分的積分算法會引起沙漏能，繼而影響系統(tǒng)總能量守恒[19-20]。因此本文在后處理中輸出了系統(tǒng)能量曲線以及質(zhì)量增加（αm） 曲線驗(yàn)證模型的可信度。如圖3 所示，該模型總能量（Etotal） 守恒，沙漏能小于總能量的5%，其中附加質(zhì)量為18.6 kg，占整車總質(zhì)量的3.8%。綜合系統(tǒng)能量變化曲線和質(zhì)量增加曲線可得該頂部強(qiáng)度分析模型可信。

2.2 仿真與試驗(yàn)駕駛室變形對比

為全面驗(yàn)證頂部強(qiáng)度有限元模型的有效性，將整車重要部位試驗(yàn)碰撞變形與仿真結(jié)果進(jìn)行對比，如圖4所示。結(jié)果表明，仿真和試驗(yàn)駕駛室整體變形模式基本一致。

2.3 仿真與試驗(yàn)頂部加載力對比

在首輪碰撞摸底試驗(yàn)中，頂部強(qiáng)度試驗(yàn)后輸出了頂部加載力（F） 曲線，并與仿真輸出的頂蓋—撞擊器接觸力曲線進(jìn)行對比。如圖5 所示， 試驗(yàn)與仿真得到的力—位移（S）曲線的趨勢基本一致，且峰值力均在70 kN左右，兩峰值大小誤差在5% 以內(nèi)，吻合度較好。試驗(yàn)加載至駕駛室瀕臨壓潰狀態(tài)時(shí)，頂壓力呈下降趨勢。

綜上所述，模型自身的系統(tǒng)能量驗(yàn)證，仿真與試驗(yàn)的變形對比、車輛碰撞后頂部承載力曲線對比等結(jié)果均證明了頂部強(qiáng)度分析模型的有效性。

但是，根據(jù)法規(guī)GB 26512-2021 要求，頂壓加載力為車輛前部的1 個(gè)軸或多個(gè)軸的最大軸荷的靜載荷，且最大為98 kN [8]，本文駕駛室頂部強(qiáng)度的加載載荷為98 kN。根據(jù)圖4 頂部加載力對比曲線，該車型駕駛室的最大頂壓承載力為70 kN，小于法規(guī)要求的98 kN。因此，要對駕駛室結(jié)構(gòu)碰撞強(qiáng)度進(jìn)行優(yōu)化提升。

3 結(jié)構(gòu)優(yōu)化

3.1 問題剖析

為判斷碰撞過程中的能量流動，計(jì)算輸出駕駛室各大總成主要吸能部件吸能量，具體情況如圖6 所示。

雖然地板總成結(jié)構(gòu)件較多，但總成整體吸能少，變形較小，因此推斷地板結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)合理，無需進(jìn)行結(jié)構(gòu)調(diào)整。側(cè)圍、后圍、頂蓋等總成結(jié)構(gòu)部件較少，總成吸能量大，因此單個(gè)部件吸能量較大，應(yīng)著重關(guān)注其變形，其中處于傳力路徑的重要部件以及會影響乘員艙生存空間的結(jié)構(gòu)件應(yīng)進(jìn)行結(jié)構(gòu)優(yōu)化，減小吸能變形。

側(cè)壓碰撞駕駛室主要受力為側(cè)向力，Y 向傳力路徑為左側(cè)圍—頂蓋橫梁—右側(cè)圍，頂蓋總成既影響傳力又影響乘員艙頭部生存空間，因此， 選取頂蓋前后橫梁各2 個(gè)位置輸出其截面力。頂壓碰撞為Z 向受力，由于商用車多為框架結(jié)構(gòu)，主要Z 向傳力路徑為頂蓋—A 柱/B 柱/ 后圍—地板前、后懸置。為了解各主要承力部件的實(shí)際傳力情況，在LS-dyna 軟件中設(shè)置*DATABASE_CROSS_SECTION 關(guān)鍵字，輸出駕駛室側(cè)圍、后圍、頂蓋等吸能總成主要傳力路徑的截面力，側(cè)圍總成單側(cè)A 柱選取上、中、下3 個(gè)位置進(jìn)行輸出，后圍選取單側(cè)立柱上下2 個(gè)位置，A 柱、B 柱、后圍選取位置左右對稱，具體截面位置選取如圖7 所示。

側(cè)壓碰撞后駕駛室會產(chǎn)生傾斜角度，導(dǎo)致頂壓時(shí)駕駛位一側(cè)的頂蓋先接觸頂壓壓板，若駕駛室傾斜角度過大，則容易造成駕駛位側(cè)頂蓋單側(cè)承力，導(dǎo)致左右側(cè)圍受力不均，駕駛員頭部生存空間不足。根據(jù)圖8B 柱截面力（FS） 示意圖，該駕駛室左側(cè)B 柱承力遠(yuǎn)大于右側(cè)，出現(xiàn)了兩側(cè)受力不均的情況，需分析駕駛室變形模式確定駕駛室傾角過大的主要原因，減小駕駛室的傾斜變形。

頂壓后右側(cè)A 柱未發(fā)生較大變形，傳力暢通。左側(cè)A 柱上部與中部截面中間位置出現(xiàn)彎折變形，造成上部壓力未及時(shí)向下傳遞。根據(jù)圖9 所示頂壓過程左側(cè)A 柱變形情況，側(cè)壓后頂壓初始時(shí)刻A 柱出現(xiàn)了輕微折痕；由于初始頂壓階段能量主要由頂蓋變形吸收，所以圖10 所示A 柱截面力曲線頂壓前0.2 s 數(shù)值較小；后續(xù)隨著壓板下壓，頂壓開始0.2 s 后，A 柱傳力逐漸升高加劇A 柱折彎變形；頂壓開始后0.26 s 時(shí)A 柱受力最大。根據(jù)圖9，頂壓0.26～0.50 s，折彎變形不斷加劇，A 柱上部截面力開始逐漸大于A 柱中部截面，自上而下傳力減弱。因此需疏通左側(cè)A 柱上部與中部截面間的傳力路徑，改善A 柱折彎。A 柱下截面還受到車門自頂蓋傳遞至下部的力，所以截面力大于A 柱上、中截面。

與左側(cè)A 柱問題一致，如圖11 所示，頂壓后后圍立柱中部折彎。從圖12 中也可見同側(cè)結(jié)構(gòu)后圍立柱上端截面力大于下端截面，傳力路徑出現(xiàn)了中斷；左側(cè)立柱相同位置截面力遠(yuǎn)大于右側(cè)立柱，進(jìn)一步說明駕駛室側(cè)傾變形過大造成駕駛員側(cè)頂蓋單側(cè)受力。

頂蓋橫梁左右2 個(gè)截面位置、形狀完全對稱，側(cè)壓過程中頂蓋后橫梁的截面力如圖13 所示。圖14 為碰撞后頂部變形結(jié)果，由于頂蓋剛度不足，頂蓋側(cè)壓后頂蓋橫梁變形，導(dǎo)致傳力不暢，左側(cè)截面力大于右側(cè)，頂蓋后橫梁受力大于頂蓋前橫梁。該駕駛室為平頂駕駛室，頂部吸能變形空間有限，應(yīng)以頂蓋結(jié)構(gòu)加強(qiáng)增大生存空間為主要改進(jìn)方向。

3.2 改進(jìn)方案

參照碰撞后駕駛室變形模式，碰撞能量吸收、主要路徑截面?zhèn)髁μ攸c(diǎn)，參考相關(guān)文獻(xiàn)[21-22]，制定了該重卡駕駛室的頂壓加強(qiáng)方案。由于本車型為量產(chǎn)駕駛室，因此應(yīng)通過盡可能小的改動來獲得較強(qiáng)的頂壓性能。本方案旨在提高后圍總成、A 柱等支撐結(jié)構(gòu)的抗彎性能，貫通駕駛室Y、Z 方向的傳力路徑。圖15 展示了駕駛室改進(jìn)方案中8 處改進(jìn)結(jié)構(gòu)。結(jié)構(gòu)件1和2 為新增件，兩結(jié)構(gòu)件的增加解決了頂蓋前后搭接區(qū)域塌陷變形的問題，連接了頂部與后圍其他部件，疏通了頂部向后圍、后懸的傳力路徑，同時(shí)增大頂蓋剛度，增加駕駛員頭部生存空間； 結(jié)構(gòu)件3 和結(jié)構(gòu)件4 作為后圍主要傳力部件，其中改進(jìn)前的結(jié)構(gòu)件3 是由2 個(gè)斷開的結(jié)構(gòu)件組成，壓力無法有效傳遞，改進(jìn)后的結(jié)構(gòu)件3 和4 貫通了后圍的Z 向傳力路徑；結(jié)構(gòu)件5 連接頂部和后圍，既能改善頂蓋塌陷變形，又在增大頭部空間的同時(shí)增加Z 向和Y 向傳力；加強(qiáng)結(jié)構(gòu)件7 和8 與原有的地板后橫梁形成閉環(huán)腔體結(jié)構(gòu)，該結(jié)構(gòu)可使后橫梁均勻受力，避免應(yīng)力集中，有效改善該橫梁的力學(xué)性能，兩結(jié)構(gòu)件也有效減小了側(cè)壓后駕駛室的側(cè)傾角度，使左右側(cè)頂部受力均勻。針對圖9 所示的A 柱折彎變形，A 柱內(nèi)板加強(qiáng)件和A 柱外板加強(qiáng)件無有效搭接，導(dǎo)致該結(jié)構(gòu)無法承受頂部向下傳遞的壓力。因此，增加結(jié)構(gòu)加強(qiáng)件9，與A 柱外板、內(nèi)板形成閉合腔體截面，旨在增大A 柱折彎區(qū)域的抗壓強(qiáng)度，使頂部壓力可以向下傳遞至前懸，疏通A 柱的Z 向傳力路徑。結(jié)構(gòu)優(yōu)化后的駕駛室形成的閉合腔體如圖16 所示。

4 改進(jìn)后駕駛室分析結(jié)果

4.1 改進(jìn)后駕駛室變形結(jié)果

頂壓力達(dá)到98 kN 時(shí)駕駛室的變形情況如圖17 所示，可見頂壓力達(dá)到98 kN 時(shí)，加強(qiáng)后A 柱折彎變形消失，頂壓力通過A 柱傳遞至前圍和前懸；后圍總成加強(qiáng)后，后圍立柱不再發(fā)生失穩(wěn)折彎，后圍與地板連接處的壓潰變形顯著改善；同時(shí)，頂蓋后部的突鼓變形減小，保證了假人頭部的生存空間。因此，通過對駕駛室本體結(jié)構(gòu)進(jìn)行改進(jìn)，在提高頂部承壓力的同時(shí)也顯著提高了駕駛室假人的生存空間。

4.2 頂部承壓力

圖18 為碰撞后頂部加載力曲線，如圖所示，加強(qiáng)后的駕駛室頂部加載力高于法規(guī)要求的98 kN，頂壓后駕駛室抗壓強(qiáng)度符合法規(guī)要求。

4.3 駕駛室乘員生存空間

圖19 為頂壓力達(dá)到98 kN 時(shí)乘員生存空間的測量結(jié)果圖，加強(qiáng)后的駕駛室乘員頭部生存空間充足。根據(jù)法規(guī)GB26512-2021 要求，頂壓試驗(yàn)后選用Hybrid- Ⅲ假人進(jìn)行駕駛室生存空間測量，其中，主駕駛側(cè)頭部到頂蓋Z 向距離為167 mm，副駕駛乘員頭部距離頂蓋Z 向距離為180 mm。法規(guī)要求駕駛室頂壓之前駕駛員側(cè)需要進(jìn)行側(cè)面預(yù)加載，駕駛室會向副駕駛一側(cè)傾斜，導(dǎo)致頂壓時(shí)主駕駛一側(cè)的頂部最先承受壓力，因此，副駕駛乘員頭部生存空間需要大于主駕駛側(cè)。

4.4 頂壓強(qiáng)度試驗(yàn)

經(jīng)過改進(jìn)后的駕駛室重新在天津中國汽車技術(shù)研究中心進(jìn)行了碰撞認(rèn)證試驗(yàn)，由圖20 可知側(cè)壓碰撞和頂壓碰撞后的變形形式均與仿真變形趨勢一致，碰撞后主駕駛以及副駕駛假人的頭部空間充足，能夠滿足GB26512-2021《商用車駕駛室乘員保護(hù)》規(guī)定的生存空間要求。

5 結(jié)論

論文依據(jù)最新版法規(guī)《商用車駕駛室乘員保護(hù)（GB26512-2021）》 的要求，開展某重卡駕駛室頂部抗壓性能的結(jié)構(gòu)優(yōu)化工作。

依據(jù)部件總成吸能量曲線，獲得了變形風(fēng)險(xiǎn)點(diǎn)；通過截面力的變化準(zhǔn)確判斷駕駛室的傳力阻斷點(diǎn)，找到關(guān)鍵承力部件及傳力路線，快速鎖定導(dǎo)致頂壓耐撞性能差的駕駛員側(cè)A 柱、后圍立柱、頂蓋加強(qiáng)件等薄弱部位。該方法可避免主觀經(jīng)驗(yàn)判斷引起的失誤，更加高效準(zhǔn)確可靠。

通過重新設(shè)計(jì)搭接結(jié)構(gòu)（A 柱折彎點(diǎn)搭接優(yōu)化）、對主要傳力路徑部件進(jìn)行局部加強(qiáng)（ 后圍立柱結(jié)構(gòu)優(yōu)化）、加強(qiáng)影響生存空間的部件（ 頂蓋總成結(jié)構(gòu)加強(qiáng)）等方案，將頂部承載力由70 kN 提升至102 kN，頂部承載性能提升了31.3%，且乘員生存空間在滿足法規(guī)要求的前提下余量較多。該結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)思路啟發(fā)研發(fā)人員應(yīng)在新車型的開發(fā)階段對駕駛室搭接結(jié)構(gòu)、傳力路徑進(jìn)行合理地規(guī)劃及設(shè)計(jì)，可通過將關(guān)鍵傳力部件設(shè)計(jì)為框架結(jié)構(gòu)、與其他部件形成閉合腔體等方法保證駕駛室具有較高的結(jié)構(gòu)強(qiáng)度和耐撞性能。

對建立的側(cè)壓-頂壓碰撞有限元模型進(jìn)行了仿真、試驗(yàn)結(jié)果對比，結(jié)果表明仿真后駕駛室主要變形與試驗(yàn)結(jié)果一致，頂壓承載力曲線仿真、試驗(yàn)走勢一致，且峰值力誤差在5%以內(nèi)。模型有效性較高，仿真結(jié)果及結(jié)論可信度高。

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基金項(xiàng)目 / Supported by ： 超級節(jié)能型重型載貨汽車混合動力系統(tǒng)開發(fā)研究項(xiàng)目（2017YFB0103500）。