基于頭碰工況的某儀表板有限元分析及優化

李金龍 馬媛媛 肖攀 周建文

（中國汽車工程研究院股份有限公司）

隨著汽車行業的發展，消費者在選購汽車產品的時候越來越關注駕駛室乘客的安全問題。當汽車在發生碰撞時，頭部往往會撞擊到汽車儀表板內部凸出物而受到傷害，故在交通事故發生時，頭部作為無法有效保護的部位成為受到傷害最多的部位之一[1]。所以儀表板作為內飾件中功能最強大、結構最復雜及工藝要求最高的部件，不僅要滿足功能性、舒適性及裝飾性要求，還要有較高的安全性[2]。為了避免汽車儀表板凸出物在碰撞時對乘客產生較大的傷害，我國制定了相應的法規（GB 11552—2009）對車內部凸出物進行限制。文章針對儀表板內部凸出物頭部碰撞問題，利用有限元分析的方法對測試點進行仿真分析，得到計算結果并對儀表板結構進行優化。該分析對儀表板的設計優化具有指導意義。

1 確定頭部碰撞區的邊界

在建立儀表板頭碰有限元模型之前，首先按照GB 11552—2009的相關法規確定出頭部碰撞基準區[3]。頭部碰撞區是前排乘客頭部可能碰到的區域，頭部碰撞區由碰撞區邊界和免檢區的邊界組合而成。

碰撞區域上邊界為玻璃內表面往里100 mm，下邊界為儀表板水平線；免檢區是由主副駕駛免檢區、門護板及A柱護板免檢區組成。主駕駛免檢區是因為轉向盤的存在而產生的，當轉向盤管柱分別在上止點和下止點位置時，轉向盤外徑向外擴127 mm得到2個圓。過轉向盤的最低點做1條直線，該直線與圓圍成的區域即為駕駛員側免檢區域[4]。副駕駛免檢區是利用直徑為165 mm的球頭裝置測量得到的，該測量器長度為736～840 mm且可連續。測量器一端安裝了球頭，另一端模擬人體胯關節并固定在座椅R點。具體操作方法：將一端固定在副駕駛座椅的R點，此時測量器長為最小值736 mm，在儀表板上移動另一端的球頭模型。通過此操作可以再在儀表板上得到一條曲線，再把長度調整為840 mm，進行同樣的操作，得到另一條曲線，2條曲線之外的區域即為副駕駛免檢區[5]。門護板及A柱護板的表面往里偏移82.5 mm的區域即為門護板及A柱護板免檢區。

綜合以上規定，最終得到儀表板頭部碰撞區位置，如圖1所示中紅色區域。

圖1 儀表板頭部碰撞區位置圖

在此區域中頭部碰撞器將以24.1 km/h的速度撞擊到儀表板任意表面，球頭加速度超過80 g的時間不能持續3 ms以上。在得到的頭部碰撞區內選取頭碰測試點，其中儀表板的棱角、尖角及多個部件的縫合連接區域為分析重點。文章共選取15個頭部碰撞分析點，其位置，如圖2所示。

圖2 儀表板頭部碰撞分析點位置分布圖

2 建立儀表板頭部碰撞分析有限元模型

截取車身和儀表板的相關部件，建立儀表板頭部碰撞分析有限元模型，其中包括儀表板骨架、CCB支架、蒙皮以及與剛度相關的所有組件，且在儀表板頭部碰撞區周邊起支撐作用的組件及結構必須存在[6]。利用HyperMesh軟件對儀表板各部件進行網格劃分，塑料件和金屬鈑金件均用殼單元劃分。有限元模型中的CCB二保焊用rigid單元模擬，部件之間的卡扣以及螺栓連接用rigid單元連接，焊點連接使用DYNA軟件中的焊點單元DYNA100連接。將儀表板內部的電氣組件建立為剛體，剛體與柔性體的連接利用ConstRigidR-body的連接關系進行處理。最終保證所建立的儀表板模型能夠達到與實際一樣的連接效果。整個模型建立自動接觸，頭部碰撞器與儀表板之間采用面面接觸。頭部碰撞器建立為剛體模型，頭部直徑為165 mm，最終得到的頭部碰撞有限元模型含有246 664個單元，249 136個節點。安裝在CCB支架上的電氣部件均按照實際質量進行配重。儀表板頭部碰撞有限元模型，如圖3所示。

圖3 儀表板頭部碰撞有限元模型圖

儀表板頭部碰撞有限元模型的邊界條件：儀表板總成與車身結構有多處連接點，約束每個連接點的3個平動自由度及3個旋轉自由度。其約束位置，如圖4所示。

圖4 儀表板總成邊界條件示意圖

3 分析結果及優化建議

3.1 分析結果統計

對以上15個頭碰分析點依次進行分析計算，在計算結果中導出碰撞器頭部點的加速度曲線。對該曲線在有限元后處理軟件中進行處理，最終得到每個點的3 ms加速度值，如表1所示。按照法規要求碰撞器3 ms加速度值不能超過80 g。

表1 各測試點的碰撞器3 ms加速度結果統計 g

頭部碰撞器在第2個分析點做碰撞測試時，頭部碰撞器的3 ms合成加速度值為83.1 g，超過法規要求的80 g，不滿足法規設計要求。其加速度曲線，如圖5所示。

圖5 優化前第2測試點頭部碰撞器加速度曲線圖

3.2 優化建議及結果

本儀表板采用硬質塑料，材料相對較硬，在第2分析點周邊的右中部面板、中央出風口面板、儀表板本體厚度分別為3，2.5，3 mm。3個面板的厚度均較厚，在碰撞時不容易發生潰縮，局部剛度較大。

從結構上分析，該點為3個部件縫合連接區域，連接卡扣及螺栓連接比較多，連接卡扣和螺栓連接點結構會大大增加該區域的剛度。右中部面板背面安裝卡扣較多且有加強筋，使得右中部面板本體剛度就比較大。距離該碰撞點最近的CCB支架（圖6中藍色支架）厚度為2 mm，明顯高于其他支架的厚度。綜合以上結構特點，該位置在碰撞過程中很難發生潰縮，從而導致頭部碰撞器的3 ms合成加速度較大。綜合以上分析，提出3種優化方法：1）將該區域的CCB安裝支架的厚度降為1.5 mm；2）刪除右中部面板背面的一條加強筋（圖6中紅色邊框所示）；3）將右中部面板本體的厚度降為2.5 mm。具體結構，如圖6所示。

圖6 儀表板結構第2測試點位置結構圖

優化后的儀表板第2測試點位置結構剛度明顯降低，在頭部碰撞過程中會更容易發生潰縮變形，從而減小頭部碰撞器的3 ms合成加速度。優化后結構第2測試點頭部碰撞器3 ms加速度值為77.3 g，低于內凸頭碰標準要求的80 g，滿足設計標準要求。其加速度曲線，如圖7所示。

圖7 優化后第2測試點頭部碰撞器加速度曲線圖

4 結論

文章闡述了儀表板頭部碰撞仿真的分析過程，并按照GB 11552—2009相關要求對頭部碰撞區以及免檢區域進行了詳細地劃分；詳細介紹了儀表板頭部碰撞有限元模型的建立過程，利用有限元分析的方法對儀表板結構的頭部碰撞性能進行了分析計算。根據計算結果找出該儀表板結構局部剛度過大的位置，通過局部結構的弱化進行優化，保證了儀表板頭部碰撞性能。在儀表板設計階段就對結構進行優化，能大大提高儀表板通過內凸試驗的概率。該仿真計算為儀表板的設計優化提供了理論依據，有效縮短了研發周期，降低了研發成本并保證了儀表板質量。