一種電動垃圾車?架正面碰撞分析

宋穎廖穎慧胡勇

1. 漢陽專用汽車研究所 湖北武漢 4300562. 中國質量認證中心武漢分中心 湖北武漢 430077

一種電動垃圾車?架正面碰撞分析

宋穎1廖穎慧1胡勇2

1. 漢陽專用汽車研究所 湖北武漢 430056
2. 中國質量認證中心武漢分中心 湖北武漢 430077

1　引言

隨著國家大力推進新能源汽車產業，越來越多的企業紛紛進入電動汽車領域，開始研發、生產和銷售電動汽車，社會必將對電動汽車的安全性能提出越來越高的要求。目前比較常見的是在城市街道和社區運營的電動垃圾車，由于現階段該類車輛屬于低速車輛，其最高車速（40 km/h）未能達到碰撞試驗車速，且駕駛室車門屬于半封閉式，因此對該類車輛的骨架強度以及安全性能進行分析很有必要。現階段對其進行碰撞特性方面的研究，正是為升級改造該類車輛而做的相關預研性研究。

2　液壓系統組成

能否準確地建立整車骨架碰撞仿真模型將會直接影響到仿真結果的準確性。由于板殼結構模型可較好地反映碰撞過程中結構的變形，因此采用全板殼結構和全彈塑性體建立模型。對碰撞仿真影響不大的部件（車輪、車橋、懸掛、車載電池等）予以簡化，以集中載荷的形式加載在相應部位，可縮小計算規模。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?架碰撞仿真參數的設置

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。這種多層單點積分和沙漏粘性阻尼控制的四節點四邊形非線性薄殼單元，適用于大位移和大轉動，具有很高的計算效率。

材料模型采用雙線性隨動硬化材料模型（bilinear kinematic hardening）。因壁障和地面在碰撞過程中不會產生變形，故對壁障采用剛性材料模型。

3.2網格劃分

在劃分網格時，車輛前部單元尺寸相對較小，后部尺寸相對較大，為防止碰撞時產生穿透現象，壁障與車輛前部單元尺寸不宜相差過大，單元尺寸一般在15～20 mm范圍內取值。網格劃分完成后，總單元數為31 256個，其中整車單元數為22 730個，壁障單元數為8 526個。

3.3碰撞初速度

根據GB 11551—2003《乘用車正面碰撞的乘員保護》中規定：在碰撞瞬間，車輛速度應為48～50 km/h，故設定整車與壁障碰撞時刻的速度為50 km/h。

3.4接觸與摩擦

采用單面接觸算法。該算法程序將搜索模型中的所有外表面，檢查其是否相互發生穿透，不需要定義接觸面與目標面。其中FD=0.3（動摩擦系數）；FS=0.3（靜摩擦系數）。

3.5計算時間

汽車的碰撞過程一般在接觸壁障后的120～150 ms內結束。計算時間步長由計算機自動計算設置控制，一般在3.5×10-7～4.7× 10-7s范圍。整個仿真計算耗時約為60 h。

4　碰撞仿真結果分析

通過對碰撞仿真結果的分析，從碰撞發生后的骨架變形情況和乘員所承受的載荷可評價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

通過模擬碰撞仿真過程，發現車輛與壁障接觸后便開始發生變形，變形量達到最大后便開始反彈，且此時發生車輛前部下墜、尾部上翹的現象，如圖2所示。

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

圖2　整車?架碰撞變形

針對碰撞過程中發生的整車骨架前部下墜，尾部上翹的現象，分析認為：由于壁障與整車骨架前部作用力的合力點與整車慣性中心在車的垂直方向上存在距離差，因此碰撞過程中產生的慣性力將繞壁障與整車骨架前部作用力的合力點而形成了一個轉動力矩，在它的作用下，整車骨架尾部則出現了上翹。

4.2駕駛員生存空間分析

碰撞結束時，整個地板骨架結構變形程度非常嚴重，駕駛員座椅下地板骨架縱向收縮變形量較大，發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，甚至是導致轉向柱刺入人體造成直接傷害，或由于駕駛室的變形過大而使生存空間受到嚴重擠壓導致乘員無法逃生。前擋風玻璃骨架變形嚴重，直接與墻壁碰撞接觸，則易造成擋風玻璃破碎，駕駛室乘員有可能會被甩出車外，或剛性物體刺入車內，造成駕駛室乘員受傷。

4.3駕駛室座椅處碰撞加速度分析

通過觀察整個加速度歷程曲線可以發現：當碰撞發生在10 ms瞬間時，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杠與壁障碰撞接觸的主要時間段，而且在該時間段內速度變化劇烈，這說明車體前部結構在設計上并不是十分合理，導致車體前部的緩沖效果不佳。

目前根據相關的碰撞試驗數據得知，若某車型剛好達到碰撞安全標準，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，這一數值略低于安全標準所限制的加速度最大值范圍。結合本車碰撞仿真計算的數據分析，存在兩個問題：a. 整車前部變形量過大，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安全值，乘員身體將受到嚴重傷害。因此，該車型的骨架結構在正面碰撞時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

進行優化時既要保證人員的安全性，同時還要保證結構的強度與剛度，避免對使用壽命造成影響。

圖3　駕駛室座椅地板處加速度曲線

基于以上分析對整車骨架進行兩處優化（如圖4）：a. 在保險杠內加裝波紋管，提高骨架緩沖吸能效果，碰撞時波紋管的破壞模式是對稱疊縮型破壞模式，該模式具有變形量大，變形模式穩定并且能量吸收便于控制的特點；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量的增加。

值得注意的是，波紋管安裝位置應盡量靠近前縱梁，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?架優化示意

6　改進后的整車碰撞仿真結果分析

改進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化前，座椅地板處橫梁的彎曲變形量也大幅下降，整個駕駛室空間的壓縮量較小，如圖5所示。從這些變化來看，整車的碰撞吸能特性得到了一定的提高，說明了波紋管在碰撞時的緩沖吸能作用明顯，有效地減小了駕駛室區域的變形量，并且駕駛室區域的結構剛度也有所提高，對保護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生的縱向收縮變形量明顯小于結構優化前，前擋風玻璃骨架變形較優化前有所減小，這在一定程度上減小了前擋風玻璃破碎的可能性，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向柱刺入人體造成直接傷害的可能性。同時，由于駕駛室的空間相對增大，為駕駛員逃生留下了較大余地。

在碰撞發生后的20～30 ms區間，碰撞加速度變化較大，通過觀察整個加速度歷程曲線可以發現：加速度最大值出現在25 ms左右時，大小約為500 m/s2，如圖6所示。分析表明這是前保險杠與壁障碰撞接觸的主要時間段，且加速度最大值較優化前有了大幅度下降，并在這一時段內速度下降趨勢較優化前有所減緩。

圖6　駕駛室座椅地板處加速度曲線

這說明采用的優化措施可以在碰撞發生時能起到一定的緩沖吸能作用，不但整車的結構強度得到了提高，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題。

7　結語

通過對整車骨架正面碰撞的有限元分析，發現整車骨架碰撞過程中暴露出的設計缺陷，從結構吸能與材料吸能兩方面提出優化方案并予以論證，從而實現整車骨架耐撞性能的提升及提高整車的安全性，對今后的電動垃圾車產品開發和生產具有較大的意義。

［1］ 王宏雁，高衛民，賈宏波.轎車正面碰撞計算機數值模擬的分析［J］.安全與環境學報，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化［J］.江蘇理工大學學報，2001.5（3）：29-32.

Analysis of Frontal Impact of An Electric Garbage Truck

SONG-Ying et al

通過對一款電動垃圾車整車骨架進行正面碰撞仿真分析，從碰撞發生后的骨架變形情況和乘員所承受的載荷來評價整車骨架的耐撞性能及乘員的安全性，并提出了改進方法；尤其是利用新型吸能部件來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，現從事專用汽車產品檢測工作。

2015-10-20