基于《汽車正面碰撞的乘員保護》的某輕卡碰撞CAE模型對標探索與實踐

摘 要：文章旨在探討基于《汽車正面碰撞的乘員保護》的某輕卡碰撞CAE模型的建立與修正。通過對該標準的詳細解讀和分析，結合實際案例，本研究建立了一套適用于某輕卡碰撞仿真的整車CAE模型及分析方法。經整車實物碰撞驗證和比對，B柱加速度曲線相似度高達96.5%，加速度曲線峰值時刻基本吻合、試驗峰值優于CAE峰值20g，駕駛室門框變形量差異小于20mm，證明該CAE模型在預測碰撞情況和評估車輛安全性能方面具有較高的準確性和可靠性。本研究的成果為輕卡碰撞仿真提供了一種新的方法和視角，對于提升輕卡碰撞安全性能具有重要指導意義和實踐價值。

關鍵詞：輕卡碰撞 CAE模型建立與修正 B柱加速度 駕駛室變形量

隨著車輛碰撞CAE仿真技術在汽車安全領域的重要性日益凸顯，對標《汽車正面碰撞的乘員保護》（GB 11551-2014，以下簡稱GB 11551）[1]將有助于提高碰撞仿真的準確性和可靠性，從而推動輕型卡車碰撞安全性能的評估和優化[2]。

目前，業內關于輕卡碰撞仿真領域的研究，大都集中于滿足GB 26512標準[3]要求，陳東益等[4]提出了基于ECER29-03標準的碰撞過程中乘員生存空間的虛擬評價方法，牛思杰等[5-7]在新一代輕卡開發中，對正面撞擊、雙A柱撞擊和頂部強度進行了大量仿真分析，根據碰撞載荷傳遞路徑，在關鍵部位進行結構設計加強和優化，碰撞性能達成了開發目標。然而，基于GB 11551標準的輕卡碰撞CAE仿真技術研究極少[8]且多集中在傳統碰撞模型上，缺乏對輕卡等大能量汽車碰撞失效CAE預測的深入探索與應用。本研究旨在填補這一空白，為輕卡碰撞仿真技術的發展提供新的思路與方法。

本文旨在建立一個基于GB 11551標準的輕卡碰撞CAE模型，并通過對標實踐，探索其在輕卡碰撞仿真中的應用效果。本研究將采用CAE仿真建模、子系統碰撞失效、對標實驗等方法，驗證輕卡整車碰撞CAE模型的準確性與可靠性，推動輕卡碰撞安全技術進步。

1 輕卡CAE模型對標基本原則

1.1 CAE模型對標流程

輕卡高速碰撞CAE模型對標，其前提條件是建立一個基礎模型。基礎模型至少應當包含：與整車CAD數據對應的網格、材料力學性能曲線庫、連接關系、整車重量和質心坐標等數據。

根據GB 11551的規定，對基礎模型設置的邊界條件進行檢查與修正。采用LS-DYNA求解器對模型進行有限元計算[9-10]，計算完成后，應重點考察車架與車身的變形模式。本文針對輕卡整車重量大、碰撞能量大的特點，重點關注前端構件、發動機懸置、燃油系統和后懸掛系統的失效情況以修正CAE模型具體對標流程見圖2。

1.2 CAE計算對標范圍

GB 11551規定的N1 類車輛車身安全要求主要為：a） 在試驗過程中，車門不得開啟；b） 在試驗過程中，前門鎖止系統不得發生鎖止；c） 碰撞試驗后，除支持假人質量的必要工具外不能使用其他工具，應能：

（1）對應于每排座位，若有門，至少有一個能打開。如果沒有門，移動座椅或改變座椅靠背位置使得所有乘員能夠撤離。（2）將假人從約束系統中解脫時，如果發生了鎖止，通過在松脫位置上施加不超過60N 的壓力，該約束系統能被打開。（3）不調整座椅，從車中完好取出假人。【考察碰撞過程中車門系統功能性和碰撞后乘員艙完整性】（4）在碰撞過程中，燃油供給系統不應發生泄漏。（5）碰撞試驗后，若燃油供給系統存在液體連續泄漏，則在碰撞后前5min平均泄漏速率不得大于30g/min；如果來自燃油供給系統的液體與來自其他系統的液體混合，且不同的液體不容易分離和辨認，則在評定連續泄漏時，收集到的所有液體都應計入。【考察整個碰撞過程燃油系統完整性】

1.3 CAE計算加速度評價

本文研究了曲線相似性評價方法[11]，參考ISO18571標準，提出了輕卡碰撞B柱加速度CAE曲線與實測曲線的相似度計算方法如下：

R=wz*Z+wp*Ep+wm*Em+ws*Es

wz+wp+wm+ws=1

其中，R為曲線相似度值，Z為通道值、Ep為相位差、Em為峰值差、Es為曲線斜率差，wz、wp、wm、ws為與之對應的權重系數。

2 輕卡CAE模型對標過程

2.1 燃油系統失效對標

本文使用SPH例子法模擬油液，替代等效配重的表達方式，可以準確模擬油液對殼體的沖擊以及箱體真實變形。如圖3所示，CAE分析結果顯示油箱本體最大塑性應變為26.3%，未超過材料DC04的失效應變38%，符合要求。油箱箍帶最大塑性應變為38.3%，超過材料的Q195的失效應變33%，油箱箍帶將發生失效。實際碰撞過程中也發生了箍帶斷裂導致油箱脫落的情況。因此，采用SPH法模擬油液可以有效提高輕卡碰撞CAE模型對標水平。

2.2 后懸系統失效對標

由于輕卡高速碰撞時產生的慣性力大，車輛正面撞擊剛性墻后端Pitch角更大，甩尾現象更加明顯，后懸系統容易失效掉落。因此，更改CAE模型中后懸掛設置方式，對后懸掛系統的材料設置失效應變，達到此應變的網格將被刪除，可以更準確地模擬整車運動姿態。

2.3 車架變形模式對標

車架變形模式與CAE模型的可靠性直接相關，根據基礎車型的高速碰撞結果，調整CAE模型車架前端的材料剛度，將吸能盒潰縮變形改為第一橫梁折彎變形，精確地復現該輕卡高速碰撞的變形模式，如圖5。

3 輕卡高速碰撞實物驗證

3.1 加速度曲線相似度驗證

經過整車CAE模型對標與修正，采用1.3所述的加速度曲線相似度評價方法，獲得B柱加速度CAE曲線與實驗曲線如圖6，其中黑色為CAE曲線，紅色為實驗曲線。曲線相似度高達96.5%，加速度曲線峰值時刻基本吻合、試驗峰值優于CAE峰值20g。

3.2 駕駛室變形侵入對標驗證

車輛的變形與完整性是一種辯證的關系，設計工程師需要精心設計并嚴格測試，以確保在發生碰撞時，車輛能夠在保護乘客安全的同時，通過合理的變形來吸收和分散碰撞能量。對于輕型卡車而言，駕駛室變形侵入是輕卡高速碰撞結構完整性的評價指標，變形侵入越大，碰撞后車門被擠壓不能打開的風險越高，同時乘員艙內的生存空間越小。

駕駛室門框變形量差異小于20mm，A柱至座椅固定點相對位置變化量差異小于25mm（表2）。

4 總結

本文通過計算機輔助工程（CAE）技術，依據GB 11551，對某型號輕型卡車進行碰撞仿真分析，以評估其在高速正面碰撞下的安全性能。通過建立精確的輕卡碰撞模型，設置燃油系統、后懸系統等失效條件，能夠有效地模擬實際碰撞場景，為車輛設計提供重要的安全性能指標。

在對標探索階段，研究采用了SPH模擬油液可以更準確地復現碰撞形態，提出了基于ISO 18571標準的B柱加速度曲線相似度計算方法。

經整車實物碰撞驗證和比對，B柱加速度曲線相似度高達96.5%，加速度曲線峰值時刻基本吻合、試驗峰值優于CAE峰值20g，駕駛室門框變形量差異小于20mm，A柱至座椅固定點相對變形量差異小于25mm，證明對標修正后的CAE模型在評估車輛安全性能方面具有較高的準確性和可靠性。

本研究的意義在于，它不僅展示了GB 11551標準下輕卡碰撞CAE模型的開發和應用流程，而且通過對標探索，為輕卡的安全設計提供了科學依據和實踐指導。

基金項目：江西省重點研發計劃項目“復雜場景下新能源汽車碰撞數字孿生關鍵技術”（20232BBE50008）研究成果。

參考文獻：

[1]GB 11551-2014，汽車正面碰撞的乘員保護[S].

[2]宋健，王偉瑋，李亮，等.汽車安全技術的研究現狀和展望[J].汽車安全與節能學報，2010，1（02）：98-106.

[3]GB 26512-2021，商用車駕駛室乘員保護[S].

[4]陳東益.某輕型卡車的碰撞安全仿真分析[D].南京：南京理工大學，2013.

[5]牛思杰，黃偉，姜鑫，等.基于析因設計的輕卡正面碰撞安全性優化[J].機械設計與研究，2019，35（05）：194-200+205.

[6]陳明亮，林偵文，黃勤，等.某單排輕卡駕駛室正面碰撞安全性能仿真與試驗研究[J].汽車實用技術，2021，46（10）：58-60.

[7]強小文，侯路.某輕卡駕駛室碰撞性能仿真研究[J].汽車科技，2023（02）：64-72.

[8]楊蔚.輕型商用車整車碰撞安全開發[J].時代汽車，2020（08）：152-154.

[9]張維剛，鐘志華.非線性動態有限元碰撞仿真技術的工程應用研究[J].計算機仿真，2002（02）：85-88.

[10]賈宏波，黃金陵，谷安濤，等.數值模擬技術在汽車碰撞分析中的應用[J].中國公路學報，1999.

[11]陳再現，許耀龍，王超.基于改進形狀上下文算法的滯回曲線相似性評價[J/OL].工程力學，1-9[2024-02-19].