滿足FMVSS 201U的汽車立柱飾板開發研究

彭云，彭宏，李東強，毛飛，黃少娟，魏嘵菲

滿足FMVSS 201U的汽車立柱飾板開發研究

彭云，彭宏，李東強，毛飛，黃少娟，魏嘵菲

（廣州汽車集團股份有限公司汽車工程研究院，廣東 廣州 511434）

為滿足北美法規FMVSS 201，結合汽車整車開發流程，針對立柱飾板提出了滿足FMVSS 201U的開發流程，在項目關鍵節點通過合理設計方法，結合仿真與試驗結果提出優化方案，縮短了開發周期，降低了開發成本。

FMVSS 201U；立柱飾板；CAE

前言

根據汽美國國家事故采樣系統統計，在道路交通事故中，超過1/3的傷亡是乘員頭部與汽車內飾件發生碰撞造成的，降低因乘員頭部與內飾件二次碰撞造成的損傷尤為重要[1]。美國國家公路交通安全管理局（NHTSA）制定了FMVSS 201U法規，以考察立柱上飾板及頂棚零件的安全性設計[2]。雖然國標乘用車內部凸出物法規GB 11552未考慮上部飾件頭碰保護要求，但考慮到乘員安全性要求，設計開發滿足FMVSS 201U的內飾變得非常有必要。G. Spingler[3]對 A 柱上測試點進行頭部碰撞試驗仿真，研究了測試點位置及碰撞時轉動運動對傷害值的影響，并通過在 A 柱上增加合理的肋結構以減小對頭部的傷害。王[4]基于B柱CAE模型分析了飾板厚度、材料、結構對HIC影響。Ben[5]和向[6]以A柱為例介紹了CAE模型建模方法，并與試驗結果對比。曾[7]介紹了滿足FMVSS 201U的內飾設計原則，分析了內飾件的造型，吸能塊的形式與布置，吸能材料的選擇和吸能結構設計等因素對內飾件頭部碰撞保護的影響。

為解決立柱飾板的FMVSS 201U安全性開發要求，結合整車開發流程，利用仿真與試驗相結合的方法，在設計階段優化立柱飾板，能大大提升法規符合性要求。

1 FMVSS 201U法規介紹

針對乘用車以及額定車輛總重不超過4536kg的多用途乘用車、卡車和客車（不適用額定車輛總重大于3860kg的客車）。質量為4.54kg的50百分位混Ⅲ假人自由頭部模型（Free Motion Head，FMH）以19.2或24km/h（不帶側氣簾車型碰撞速度為24km/h；帶側氣簾車型在氣簾系統50mm以內區域碰撞速度為19.2km/h，氣簾系統50mm以外區域碰撞速度為24km/h）在規水平接近角和垂直定接近角撞擊上部內飾件，要求HIC（d）應小于1000[8]。根據法規要求確定碰撞點位置，要求碰撞點落于FMH的前額碰撞區域，如圖1、圖2所示。針對各目標點所在的不同內飾件，法規對FMH碰撞時的發散的水平角與垂直角有明確規定，各目標點的發射角度，如圖3，表1所示。

圖1 碰撞點示意圖

圖2 FMH前額碰撞區域示意圖

圖3 水平接近角與垂直接近角示意圖

表1 碰撞點水平接近角與垂直接近角范圍

2 碰撞機理分析

假人頭部損傷計算公式如下：

碰撞過程中，根據能量守恒定律，如式3和式4，初始能量受頭模質量與撞擊速度影響，為恒定值。頭模與內飾表面接觸過程受到作用力的方向與質心不在一個方向，故產生旋轉力矩，將一部分能量轉換為轉動動能，而假人頭部損傷受平動影響，旋轉動能越大，平動加速度越小，假人損傷值越低。垂直接近角增大，頭模轉動能量越大，HIC值越低，水平接近角越接近0度，HIC值越大[9]-[10]。

圖4 FMH垂直角度、水平角度與HIC(d)的相關性

3 基于FMVSS 201U的立柱飾板正向開發流程

圖5 立柱飾板FMVSS 201U主要開發節點

如圖5所示，在概念設計階段，根據FMVSS201U的試驗流程確認碰撞區域及碰撞點位置，在主斷面設計時，結合對標庫及經驗庫數據，校核內造型面與鈑金之間的吸能空間，校核FMH接觸區域曲面輪廓，通過增大吸能空間與提高轉動能量來降低HIC(d)。在詳細設計階段，通過合理設計背部吸能結構，結合CAE分析方法降低HIC(d)。根據FMVSS201U試驗流程進行DV試驗驗證，同時將仿真分析模型與試驗結果進行擬合性分析，確認分析結果的準確性。

結合整車開發流程，在項目關鍵開發節點上，提出了滿足FMVSS 201U的內飾正向開發流程，如圖6所示。

圖6 滿足FMVSS 201U內飾開發流程圖

4 案例分析

以某款車型開發為例，根據FMVSS 201U法規要求，確認碰撞點，及FMH碰撞水平接近角及垂直接近角，根據材料庫參數及3D數據用Hypermesh建立仿真分析模型。然后用LSDYNA軟件計算出碰撞點HIC(d)，結合試驗結果，對CAE模型進行修正，同時制定優化方案。結果顯示，優化方案明顯降低了假人頭部損傷，為后續新車型開發提供的設計經驗。

4.1 CAE仿真模型建立

為了反映車身剛度對FMVSS 201U結果影響，模型中包含白車身和內飾。懸架和動力傳動系統對結果影響較小，可以忽略。在白車身和懸架連接處的節點約束6個方向自由度。卡扣采用塑料材料殼單元模擬，與白車身用剛性連接，如圖7所示。

圖7 仿真模型

根據FMSS 201的要求確定碰撞點坐標，同時調整FMH的垂直角度和水平角度。最終輸出碰撞點及FMH位置信息，表2為AP2碰撞點信息表。

表2 AP2碰撞點及FMH位置信息

將計算模型提交后處理器計算，輸出碰撞動畫、加速度位移曲線及HIC(d)值。圖8為AP2仿真結果，HIC (d, 36) = 1281，超出法規要求。

4.2 試驗關鍵要求

根據201U頭碰試驗操作規則，按要求完成配重、胎壓檢測、車身姿態確認等準備工作。然后根據CAE仿真分析結果，選取仿真結果中高風險點作為試驗碰撞點。根據仿真分析結果調整模型的水平角、垂直角、碰撞速度等信息。圖9為AP2碰撞信息示意。

圖9 AP2碰撞信息

4.3 CAE結果及優化

CAE模型建立后根據試驗結果進行擬合性優化，其中密封條采用3D實體建模，按實際裝配狀態調整密封條唇邊，使唇邊貼合飾板邊緣面。安全帶高調器中可調整結構需要建模，通知保證機構件的運動關系，導向環與螺栓連接的相對轉動運動需要保留，同時碰撞點位置和碰撞角度根據試驗結果調整。

以AP2為例，碰撞速度為24km/h,HIC仿真結果為1281.7，HIC試驗結果為1207.2，加速度與位移曲線仿真與試驗一致性較高，如圖10所示。

圖10 AP2試驗與仿真結果對比

表3 優化方案結果對比

為降低HIC值，可以通過調整CAS、背部增加筋條等方案增大吸能效果。具體方案及仿真結果如表3所示。

通過對比4個方案，最終采用方案三，造型A面向外移動10mm，背部增加筋條，同時考慮A柱中的側氣簾正常展開，在氣簾區域增加弱化槽，最終優化方案CAE結果HIC(d)為792，滿足分析要求，圖11為優化后A柱上飾板實物圖。

5 總結

針對立柱飾板的FMVSS201U法規符合性，結合整車開發流程，提出了基于安全性的正向開發流程，通過仿真與試驗結合方法優化方案，最終滿足法規要求，該方法可適用于頂棚系統零件的開發。

[1] 古杰.基于大規模仿真數據的騎車人碰撞行為研究[D].北京:清華大學,2010.

[2] National Highway Traffic Safety Administration,Dept.of Transporta -tion.Standard No.201:Occupant Protection in Interior Impact,49 CFR,Ch.V,Parts 571.201[S].Federal Motor Vehicle Safety Standards, October 1998,

[3] G.Spingler.FMVSS 201:Appropriate Injected Rib Design for Trim Panels [R]. SAE Paper 2007-01-2128,2007.

[4] 王亞軍,陳超卓,吳沈榮.FMVSS201 規程在車輛內飾件與乘員頭部碰撞中的應用,汽車安全與節能學報,2010.

[5] Ben Dennis and Richard Sturt, “CAE METHODS FOR SIMULAT -ING FMVSS 201 INTERIOR HEAD IMPACT TESTS”, Interna -tional Technical Conference on the Enhanced Safety of Vehicles Cd Rom, 2001.

[6] 向良明,徐以國.基于有限元碰撞分析的汽車柱飾板結構優化[J]. 設計研究,2012.

[7] 曾憲菁,滿足頭部碰撞法規FMVSS 201U要求的內飾設計[J].汽車工程,2013,5(2):152-158.[8] NHTSA, Laboratory Test Procedure For FMVSS 201 Occupant Protection in Interior Impact Upper Interior Head Impact Protection, TP201U-01, April 3, 1998.

[8] Wang Yang, BI Tengfei, Du Tianqiang, Kong Jun, Wang Kun,” Research on the Relation between HIC(d) and Approach Angle in FMVSS 201U Headform Test”,The 10th Int, Forum of Automotive Traffic Safety(INFATS), Shenzhen-Hongkong, China, January 2013.

[9] 呂婕.汽車內飾件與乘員頭部碰撞仿真自動化模塊開發及應用.吉林大學.碩士學位論文.2016.

Development and research of automotive pillar trim for FMVSS 201U

Peng Yun, Peng Hong, Li Dongqiang, Mao Fei, Huang Shaojuan, Wei Xiaofei

( Guangzhou Automobile Group Co., Ltd. Automobile Engineering Research Institute, Guangdong Guangzhou 511434 )

In order to meet the North American regulations FMVSS 201, combined with the vehicle development process, the development process of FMVSS 201U is proposed for the pillar trim, and the optimization plan is adopted at the key nodes of the project through reasonable design methods, combined with simulation and test results, shortening the development cycle and reducing Development costs.

FMVSS 201U;Pillar trim;CAE

U463

A

1671-7988(2019)18-85-04

U463

A

1671-7988(2019)18-85-04

彭云，碩士，就職于廣州汽車集團股份有限公司汽車工程研究院，主要研究方向為汽車被動安全、汽車內飾結構設計等。

10.16638/j.cnki.1671-7988.2019.18.028