儀表板與頭部碰撞的有限元仿真分析

趙強(qiáng)，崔俊杰

（中北大學(xué)機(jī)械與動(dòng)力工程學(xué)院，山西 太原 030051）

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儀表板與頭部碰撞的有限元仿真分析

趙強(qiáng)，崔俊杰

（中北大學(xué)機(jī)械與動(dòng)力工程學(xué)院，山西 太原 030051）

摘 要：文中對(duì)儀表板開發(fā)過程中的某一CAD模型進(jìn)行了有限元仿真分析模型搭建，參考GB11552相關(guān)頭部碰撞的相關(guān)法規(guī)，對(duì)碰撞區(qū)域以及非碰撞區(qū)域進(jìn)行了明確劃分，在LS-DYNA中進(jìn)行了求解計(jì)算，對(duì)比模擬分析結(jié)果和法規(guī)目標(biāo)值得出了結(jié)論，并對(duì)不滿足項(xiàng)給出了相關(guān)的優(yōu)化措施。

10.16638/j.cnki.1671-7988.2016.03.029

CLC NO.: U467.3 Document Code: A Article ID: 1671-7988(2016)03-85-02

前言

汽車在正面碰撞和緊急制動(dòng)時(shí)，容易造成乘員頭部和汽車儀表板的碰撞，所以開發(fā)安全的駕駛室內(nèi)飾組件，研究人的頭部在碰撞中機(jī)械相應(yīng)特性以及對(duì)儀表板的改進(jìn)設(shè)計(jì)具有重要的實(shí)際意義。如今計(jì)算機(jī)仿真技術(shù)子在汽車碰撞安全性研究中運(yùn)用十分廣泛，相對(duì)于傳統(tǒng)的碰撞試驗(yàn)來說，其具有費(fèi)用低廉，周期短，可重復(fù)性強(qiáng)，結(jié)果信息全面等諸多優(yōu)點(diǎn)。

1、儀表板頭碰分析的建模階段

文中所分析的儀表板CAD模型是由廠家提供，網(wǎng)格的劃分主要是在Hyper-mesh中進(jìn)行，車身以塑料件為主，網(wǎng)格劃分是采用四邊形單元和三角形殼單元。建立的有限元模型共有277，649個(gè)單元，其中三角形單元所占的比例為6.7%，模型總質(zhì)量為28.9kg，儀表板有限元模型如圖1所示。

圖1

模型中的連接主要以剛性連接為主，對(duì)模型中的螺栓以及卡扣采用Rigid-Body模擬。整個(gè)模型采用自動(dòng)單面接觸，頭部模型與儀表板接觸件之間采用自動(dòng)面面接觸。

2、頭部碰撞區(qū)域的定義以邊界設(shè)定

由法規(guī)可知，非碰撞區(qū)域?yàn)椋阂苑较虮P外緣再加127mm的環(huán)帶水平向前投影的區(qū)域，下邊界是與方向盤下緣相切的水平面形成的區(qū)域?yàn)榉桥鲎矃^(qū)域如圖2。碰撞區(qū)域?yàn)椋簩⒁粋€(gè)165mm直徑球頭模型繞H（1363.9,-376,359）點(diǎn)旋轉(zhuǎn)，左右方向盡可能到水平位置，前后方從鉛垂位置到球頭模型下緣至H點(diǎn)以上25.4mm位置（H_F），長(zhǎng)度736mm-840mm；然后將球頭繞H_F點(diǎn)重復(fù)以上動(dòng)作（H_F定義如下圖所示）。以上所有接觸的點(diǎn)即為頭部碰撞區(qū)如圖3。

圖2　非碰撞區(qū)域

圖3　碰撞區(qū)域

在劃分好的頭碰區(qū)域基礎(chǔ)上，選擇頭碰撞擊點(diǎn)（主要選棱角、尖角、多部件接縫處的位置），共選出18個(gè)點(diǎn)其位置如下圖4所示。

圖4　分析撞擊點(diǎn)位置

約束IP骨架與車身連接點(diǎn)的全部自由度，如圖5。給頭碰模型施加一個(gè)值為6.8m/s的初速度；頭部模型的相當(dāng)質(zhì)量為6.8kg。

圖5　設(shè)定約束自由度位置

3、儀表板的優(yōu)化設(shè)計(jì)

圖6　優(yōu)化位置結(jié)構(gòu)

法規(guī)要求頭部模型以6.8m/s的速度撞向儀表板時(shí)，球頭的3ms合成加速度值應(yīng)該小于80g，如果大于80g，則說明存在風(fēng)險(xiǎn)。由下表1的模擬分析結(jié)果可以看出碰撞區(qū)域內(nèi)所選測(cè)試點(diǎn)中，第18個(gè)點(diǎn)的3ms合成加速度最大為84.8g，大于法規(guī)要求值80g，不能滿足要求。原因在于此點(diǎn)所選位置處于儀表板的凸出物上，并且突出物靠近卡扣，在碰撞時(shí)不容易產(chǎn)生潰縮變形。故建議將此凸出物向上偏移一段距離，如圖6所示。

表1　撞擊點(diǎn)處3ms合成加速度值

優(yōu)化后的突出物處的結(jié)構(gòu)剛度明顯降低，在碰撞過程中更容易產(chǎn)生潰縮變形。故有利于減小此處的3ms合成加速度，如圖7所示，優(yōu)化后3ms合成加速度為74.8g，滿足法規(guī)要求的80g。與此同時(shí)盡可能的選用韌性較好的柔性材料，避免此處在碰撞中產(chǎn)生銳邊，以減小對(duì)乘員造成的傷害。

圖7　優(yōu)化后3ms合成加速度

4、結(jié)論

本文明確了整個(gè)儀表板頭部碰撞仿真分析的整個(gè)過程，并根據(jù)GB11552和實(shí)驗(yàn)方法，對(duì)儀表板頭部碰撞區(qū)域以及非碰撞區(qū)域進(jìn)行了明確的劃分。對(duì)某款車的儀表板進(jìn)行了頭部碰撞仿真分析，并對(duì)分析中不合格的區(qū)域做出了優(yōu)化設(shè)計(jì)和仿真論證。對(duì)以后的儀表板與頭部碰撞仿真分析具有一定的指導(dǎo)作用。

參考文獻(xiàn)

[1] GB11552-2009,乘用車內(nèi)部凸出物[S].北京:中國(guó)出版社,2010.

[2] 高新華,魯禮華.儀表板與頭部碰撞模擬分析以及工程優(yōu)化措施.機(jī)械設(shè)計(jì)與制造,2008,03:173～175.

[3] 黃建穎.副儀表板頭部碰撞的優(yōu)化設(shè)計(jì),汽車技術(shù),2013,13 : 73～76.

The finite element analysis for dashboard collisions with the head

Zhao Qiang, Cui Junjie
( School of Mechanical and Power Engineering, North University of China, Shanxi Taiyuan 030051 )

Abstract:In the process of developing the a CAD model of the dashboard has carried on the finite element simulation analysis model is set up.Reference GB11552 head colis-ion of related laws and regulations, Collision and non-collision region region were clearly divided,and this analysis are solved in LS-DYNA.Comparative analysis of simulation res-ults and regulatory goals are worth a conclusion, and give relating optimization measures for the item that does not meet requirements.

Keywords:Instrument panel; Head impact; Simulation analysis; Optimization

作者簡(jiǎn)介：趙強(qiáng)，就讀于中北大學(xué)機(jī)械與動(dòng)力工程學(xué)院。

中圖分類號(hào)：U467.3

文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A

文章編號(hào)：1671-7988(2016)03-85-02

關(guān)鍵字：儀表板；頭部碰撞；仿真分析；優(yōu)化措施