一種電動(dòng)垃圾車?架正面碰撞分析

宋穎廖穎慧胡勇

1. 漢陽(yáng)專用汽車研究所 湖北武漢 4300562. 中國(guó)質(zhì)量認(rèn)證中心武漢分中心 湖北武漢 430077

一種電動(dòng)垃圾車?架正面碰撞分析

宋穎1廖穎慧1胡勇2

1. 漢陽(yáng)專用汽車研究所 湖北武漢 430056
2. 中國(guó)質(zhì)量認(rèn)證中心武漢分中心 湖北武漢 430077

1　引言

隨著國(guó)家大力推進(jìn)新能源汽車產(chǎn)業(yè)，越來(lái)越多的企業(yè)紛紛進(jìn)入電動(dòng)汽車領(lǐng)域，開始研發(fā)、生產(chǎn)和銷售電動(dòng)汽車，社會(huì)必將對(duì)電動(dòng)汽車的安全性能提出越來(lái)越高的要求。目前比較常見(jiàn)的是在城市街道和社區(qū)運(yùn)營(yíng)的電動(dòng)垃圾車，由于現(xiàn)階段該類車輛屬于低速車輛，其最高車速（40 km/h）未能達(dá)到碰撞試驗(yàn)車速，且駕駛室車門屬于半封閉式，因此對(duì)該類車輛的骨架強(qiáng)度以及安全性能進(jìn)行分析很有必要。現(xiàn)階段對(duì)其進(jìn)行碰撞特性方面的研究，正是為升級(jí)改造該類車輛而做的相關(guān)預(yù)研性研究。

2　液壓系統(tǒng)組成

能否準(zhǔn)確地建立整車骨架碰撞仿真模型將會(huì)直接影響到仿真結(jié)果的準(zhǔn)確性。由于板殼結(jié)構(gòu)模型可較好地反映碰撞過(guò)程中結(jié)構(gòu)的變形，因此采用全板殼結(jié)構(gòu)和全彈塑性體建立模型。對(duì)碰撞仿真影響不大的部件（車輪、車橋、懸掛、車載電池等）予以簡(jiǎn)化，以集中載荷的形式加載在相應(yīng)部位，可縮小計(jì)算規(guī)模。模型如圖1所示，壁障和地面均以平面模擬，壁障垂直于地面與整車速度方向成90°。

圖1　整車有限元模型

3　整車?架碰撞仿真參數(shù)的設(shè)置

3.1單元類型、材料模型的選擇

單元類型采用非線性材料模型的Belytschko-Tsay殼單元。這種多層單點(diǎn)積分和沙漏粘性阻尼控制的四節(jié)點(diǎn)四邊形非線性薄殼單元，適用于大位移和大轉(zhuǎn)動(dòng)，具有很高的計(jì)算效率。

材料模型采用雙線性隨動(dòng)硬化材料模型（bilinear kinematic hardening）。因壁障和地面在碰撞過(guò)程中不會(huì)產(chǎn)生變形，故對(duì)壁障采用剛性材料模型。

3.2網(wǎng)格劃分

在劃分網(wǎng)格時(shí)，車輛前部單元尺寸相對(duì)較小，后部尺寸相對(duì)較大，為防止碰撞時(shí)產(chǎn)生穿透現(xiàn)象，壁障與車輛前部單元尺寸不宜相差過(guò)大，單元尺寸一般在15～20 mm范圍內(nèi)取值。網(wǎng)格劃分完成后，總單元數(shù)為31 256個(gè)，其中整車單元數(shù)為22 730個(gè)，壁障單元數(shù)為8 526個(gè)。

3.3碰撞初速度

根據(jù)GB 11551—2003《乘用車正面碰撞的乘員保護(hù)》中規(guī)定：在碰撞瞬間，車輛速度應(yīng)為48～50 km/h，故設(shè)定整車與壁障碰撞時(shí)刻的速度為50 km/h。

3.4接觸與摩擦

采用單面接觸算法。該算法程序?qū)⑺阉髂Ｐ椭械乃型獗砻妫瑱z查其是否相互發(fā)生穿透，不需要定義接觸面與目標(biāo)面。其中FD=0.3（動(dòng)摩擦系數(shù)）；FS=0.3（靜摩擦系數(shù)）。

3.5計(jì)算時(shí)間

汽車的碰撞過(guò)程一般在接觸壁障后的120～150 ms內(nèi)結(jié)束。計(jì)算時(shí)間步長(zhǎng)由計(jì)算機(jī)自動(dòng)計(jì)算設(shè)置控制，一般在3.5×10-7～4.7× 10-7s范圍。整個(gè)仿真計(jì)算耗時(shí)約為60 h。

4　碰撞仿真結(jié)果分析

通過(guò)對(duì)碰撞仿真結(jié)果的分析，從碰撞發(fā)生后的骨架變形情況和乘員所承受的載荷可評(píng)價(jià)整車骨架的耐撞性能及乘員的安全性。

4.1整車?架變形分析

通過(guò)模擬碰撞仿真過(guò)程，發(fā)現(xiàn)車輛與壁障接觸后便開始發(fā)生變形，變形量達(dá)到最大后便開始反彈，且此時(shí)發(fā)生車輛前部下墜、尾部上翹的現(xiàn)象，如圖2所示。

車輛前部是碰撞變形的主要區(qū)域，其前圍骨架以及地板骨架在碰撞過(guò)程中產(chǎn)生了明顯的塑性變形。地板處橫梁發(fā)生嚴(yán)重彎折變形，駕駛室門框變形嚴(yán)重，極度向上彎曲，故極易導(dǎo)致前車門在碰撞后無(wú)法正常開啟。而車廂部分未發(fā)生塑性變形，主要是由于車廂與前部駕駛室沒(méi)有直接的剛性接觸，碰撞發(fā)生后，沒(méi)有發(fā)生大的力傳導(dǎo)。

圖2　整車?架碰撞變形

針對(duì)碰撞過(guò)程中發(fā)生的整車骨架前部下墜，尾部上翹的現(xiàn)象，分析認(rèn)為：由于壁障與整車骨架前部作用力的合力點(diǎn)與整車慣性中心在車的垂直方向上存在距離差，因此碰撞過(guò)程中產(chǎn)生的慣性力將繞壁障與整車骨架前部作用力的合力點(diǎn)而形成了一個(gè)轉(zhuǎn)動(dòng)力矩，在它的作用下，整車骨架尾部則出現(xiàn)了上翹。

4.2駕駛員生存空間分析

碰撞結(jié)束時(shí)，整個(gè)地板骨架結(jié)構(gòu)變形程度非常嚴(yán)重，駕駛員座椅下地板骨架縱向收縮變形量較大，發(fā)生了較大的彎曲變形。在事故中容易造成乘員與方向盤、儀表板碰撞而受到傷害，甚至是導(dǎo)致轉(zhuǎn)向柱刺入人體造成直接傷害，或由于駕駛室的變形過(guò)大而使生存空間受到嚴(yán)重?cái)D壓導(dǎo)致乘員無(wú)法逃生。前擋風(fēng)玻璃骨架變形嚴(yán)重，直接與墻壁碰撞接觸，則易造成擋風(fēng)玻璃破碎，駕駛室乘員有可能會(huì)被甩出車外，或剛性物體刺入車內(nèi)，造成駕駛室乘員受傷。

4.3駕駛室座椅處碰撞加速度分析

通過(guò)觀察整個(gè)加速度歷程曲線可以發(fā)現(xiàn)：當(dāng)碰撞發(fā)生在10 ms瞬間時(shí)，加速度最大值為1 270 m/s2，如圖3所示。分析表明這是前保險(xiǎn)杠與壁障碰撞接觸的主要時(shí)間段，而且在該時(shí)間段內(nèi)速度變化劇烈，這說(shuō)明車體前部結(jié)構(gòu)在設(shè)計(jì)上并不是十分合理，導(dǎo)致車體前部的緩沖效果不佳。

目前根據(jù)相關(guān)的碰撞試驗(yàn)數(shù)據(jù)得知，若某車型剛好達(dá)到碰撞安全標(biāo)準(zhǔn)，其前排乘員座椅處的碰撞加速度最大值一般限制在800～1 200 m/s2，而座椅地板處加速度最大值為1 270 m/s2，這一數(shù)值略低于安全標(biāo)準(zhǔn)所限制的加速度最大值范圍。結(jié)合本車碰撞仿真計(jì)算的數(shù)據(jù)分析，存在兩個(gè)問(wèn)題：a. 整車前部變形量過(guò)大，將影響乘員的安全；b. 乘員所承受的碰撞加速度最大值也超過(guò)安全值，乘員身體將受到嚴(yán)重傷害。因此，該車型的骨架結(jié)構(gòu)在正面碰撞時(shí)的耐撞性能是比較差的，如何提高耐撞性方面有所作為顯得尤為重要。

5　整車?架的改進(jìn)

進(jìn)行優(yōu)化時(shí)既要保證人員的安全性，同時(shí)還要保證結(jié)構(gòu)的強(qiáng)度與剛度，避免對(duì)使用壽命造成影響。

圖3　駕駛室座椅地板處加速度曲線

基于以上分析對(duì)整車骨架進(jìn)行兩處優(yōu)化（如圖4）：a. 在保險(xiǎn)杠內(nèi)加裝波紋管，提高骨架緩沖吸能效果，碰撞時(shí)波紋管的破壞模式是對(duì)稱疊縮型破壞模式，該模式具有變形量大，變形模式穩(wěn)定并且能量吸收便于控制的特點(diǎn)；b. 車架前端橫梁型材與駕駛室地板橫梁由原所選材料Q235改為16Mn，以提高骨架前部的剛度，也可以有效控制整車質(zhì)量的增加。

值得注意的是，波紋管安裝位置應(yīng)盡量靠近前縱梁，最好是其中心軸線能與前縱梁中心軸線重合，其吸能效果最佳。

圖4　整車?架優(yōu)化示意

6　改進(jìn)后的整車碰撞仿真結(jié)果分析

改進(jìn)后整車骨架碰撞仿真變形仍主要集中在前部，駕駛室門框變形量明顯小于優(yōu)化前，座椅地板處橫梁的彎曲變形量也大幅下降，整個(gè)駕駛室空間的壓縮量較小，如圖5所示。從這些變化來(lái)看，整車的碰撞吸能特性得到了一定的提高，說(shuō)明了波紋管在碰撞時(shí)的緩沖吸能作用明顯，有效地減小了駕駛室區(qū)域的變形量，并且駕駛室區(qū)域的結(jié)構(gòu)剛度也有所提高，對(duì)保護(hù)乘員安全起到了一定的積極作用。

駕駛員座椅處地板骨架橫梁產(chǎn)生的縱向收縮變形量明顯小于結(jié)構(gòu)優(yōu)化前，前擋風(fēng)玻璃骨架變形較優(yōu)化前有所減小，這在一定程度上減小了前擋風(fēng)玻璃破碎的可能性，即可有效防止外物刺入以及駕駛員被甩出車外。整個(gè)駕駛室空間的壓縮量較小，在一定程度上減小了乘員與方向盤、儀表板碰撞而受到傷害或是轉(zhuǎn)向柱刺入人體造成直接傷害的可能性。同時(shí)，由于駕駛室的空間相對(duì)增大，為駕駛員逃生留下了較大余地。

在碰撞發(fā)生后的20～30 ms區(qū)間，碰撞加速度變化較大，通過(guò)觀察整個(gè)加速度歷程曲線可以發(fā)現(xiàn)：加速度最大值出現(xiàn)在25 ms左右時(shí)，大小約為500 m/s2，如圖6所示。分析表明這是前保險(xiǎn)杠與壁障碰撞接觸的主要時(shí)間段，且加速度最大值較優(yōu)化前有了大幅度下降，并在這一時(shí)段內(nèi)速度下降趨勢(shì)較優(yōu)化前有所減緩。

圖6　駕駛室座椅地板處加速度曲線

這說(shuō)明采用的優(yōu)化措施可以在碰撞發(fā)生時(shí)能起到一定的緩沖吸能作用，不但整車的結(jié)構(gòu)強(qiáng)度得到了提高，而且整車的碰撞吸能特性也得到了極大改善，較好地解決了安全性問(wèn)題。

7　結(jié)語(yǔ)

通過(guò)對(duì)整車骨架正面碰撞的有限元分析，發(fā)現(xiàn)整車骨架碰撞過(guò)程中暴露出的設(shè)計(jì)缺陷，從結(jié)構(gòu)吸能與材料吸能兩方面提出優(yōu)化方案并予以論證，從而實(shí)現(xiàn)整車骨架耐撞性能的提升及提高整車的安全性，對(duì)今后的電動(dòng)垃圾車產(chǎn)品開發(fā)和生產(chǎn)具有較大的意義。

［1］ 王宏雁，高衛(wèi)民，賈宏波.轎車正面碰撞計(jì)算機(jī)數(shù)值模擬的分析［J］.安全與環(huán)境學(xué)報(bào)，2001.1（5）：1-3.

［2］ 王曉，劉星榮，葛如海.波紋管在汽車碰撞吸能中的正交優(yōu)化［J］.江蘇理工大學(xué)學(xué)報(bào)，2001.5（3）：29-32.

Analysis of Frontal Impact of An Electric Garbage Truck

SONG-Ying et al

通過(guò)對(duì)一款電動(dòng)垃圾車整車骨架進(jìn)行正面碰撞仿真分析，從碰撞發(fā)生后的骨架變形情況和乘員所承受的載荷來(lái)評(píng)價(jià)整車骨架的耐撞性能及乘員的安全性，并提出了改進(jìn)方法；尤其是利用新型吸能部件來(lái)提高整車骨架耐撞性能。

正面碰撞 耐撞性能 安全性 吸能部件

Through a frontal impact simulation analysis of an electric garbage truck skeleton，the skeleton anti-collision performance and the safety of the passenger were evaluated by the deformation and the loads， and improvements was made. Especially the new energyabsorbing components was used to increase the collision resistance of the skeleton.

ffrontal impact； anti-collision performance； safety； energy-absorbing components

U469.72+2；U469.6+91

A

1004-0226（2016）03-0094-03

宋穎，男，1984年生，工程師，現(xiàn)從事專用汽車產(chǎn)品檢測(cè)工作。

2015-10-20