輕型商用車整車碰撞安全開發

楊蔚

摘 要：隨著我國經濟的不斷高速增長，商用車行業得到了飛速發展。其中，輕型商用車占到商用車市場的一半。輕型商用車的保有量的大幅增加，帶來道路交通事故的頻發。為應對國民經濟對物流和出行的更高要求，如何提高輕型商用車碰撞安全性能成為重要的研究課題。本文主要研究《GB 11551-2014 汽車正面碰撞的乘員保護》關于N1類車型碰撞安全要求，重點闡述N1類商用車與M1類乘用車型安全性要求差異。然后以國內某款輕型商用車為例，闡述使用有限元方法進行建模和碰撞仿真，優化設計整車安全性能，以滿足碰撞法規的要求。從整車碰撞試驗的結果可以看出，該款輕型商用車的安全性能滿足國標要求。

關鍵詞：輕型商用車;碰撞安全;有限元;精度和可靠性

1 前言

近年來，我國汽車工業發展迅速，道路交通的逐漸普及及公共物流的快速成長，給國內商用車的發展帶來契機，商用車的銷量和市場保有量也在持續增加，其中，輕型商用車的銷量明顯大于中大型商用車。商用車的安全性能研發相對乘用車滯后，其發生安全事故時，乘員傷亡率較高，且商用車前部的緩沖區域相對乘用車普遍偏小，因而對于輕型商用車的碰撞安全性能研究就顯得尤為重要。關于商用車碰撞安全研究，國外開展較早，Gendar[1]基于ECE R29[2]法規詳細研究了某商用車的碰撞性能，并將CAE技術引入到傳統駕駛室的開發。Dwivedi[3]開發一種可限制駕駛室變形的保護裝置，大大提高正面碰撞安全性能。國內于近年開展了大量研究，如王登峰[4]等人對商用車駕駛室進行正面擺錘撞擊研究。徐中明等[5]對某重型越野車進行基于靈敏度的輕量化研究。陸善彬等[6]研究了某商用車碰撞過程最小生存空間的評價問題。

本文以輕型商用車為研究對象，根據《GB11551-2014》[7]對N1類車碰撞安全性能要求進行解讀，并簡要介紹其與M1類車安全性能的差異。再以國內某款典型輕型商用車為例，結合計算機輔助工程（CAE）方法進行整車碰撞性能的研究。最后基于實車試驗進行仿真模型與試驗的數據對比，驗證仿真模型的一致有效性。

2 N1類GB11551-2014碰撞安全解讀

N1類汽車指最大設計總質量不超過3500kg的載貨汽車（主要包括微卡、輕卡、廂式貨車、皮卡等），碰撞安全主要包括車身安全要求及乘員安全要求。

2.1 車身安全要求

N1類車輛車身安全要求主要為：

a）在試驗過程中，車門不得開啟;

b）在試驗過程中，前門鎖止系統不得發生鎖止;

c）碰撞試驗后，除支持假人質量的必要工具外不能使用其他工具，應能：

1.對應于每排座位，若有門，至少有一個能打開。如果沒有門，移動座椅或改變座椅靠背位置使得所有乘員能夠撤離。

2.將假人從約束系統中解脫時，如果發生了鎖止，通過在松脫位置上施加不超過60N的壓力，該約束系統能被打開。

3.不調整座椅，從車中完好取出假人。

4.在碰撞過程中，燃油供給系統不應發生泄漏。

5.碰撞試驗后，若燃油供給系統存在液體連續泄漏，則在碰撞后前5min平均泄漏速率不得大于30g/min;如果來自燃油供給系統的液體與來自其他系統的液體混合，且不同的液體不容易分離和辨認，則在評定連續泄漏時，收集到的所有液體都應計入。

2.2 乘員安全要求

N1類車輛乘員安全要求主要為：前排外側座位假人性能要求，包括

a）頭部性能指標（HPC）應不大于1000，并且頭部合成加速度大于80g的時間累積不應超過3ms，但不包括頭部反彈;

b）胸部壓縮指標（ThCC）應不大于57N*m;

c）大腿壓縮力指標（FFC）在持續加載10-60ms過程中不大于7.58KN。

2.3 N1類車與M1類車安全性要求的差異

N1類車與M1類車安全性差異主要體現在乘員安全要求，N1類車型對以下幾點不做要求：

3 某典型輕卡整車碰撞模型介紹

本研究以國內某典型輕型商用車為例，并結合計算機輔助技術建立具有高精度和高可靠性的有限元[8]仿真模型。并以該模型為基礎，進行與法規相對應碰撞工況的參數設定與碰撞仿真模擬[9]。

3.1 整車建模方法介紹

3.1.1 碰撞理論簡介

碰撞仿真采用顯式積分法[10]，其仿真求解時間決定于最小時間步。

3.1.2 整車模型搭建

首先，零件網格劃分，包括輸入CAD導入、CAD模型幾何清理及網格的劃分及質量檢查。其次，零部件之間連接關系的建立，包括焊點連接、膠粘連接、鉸鏈連接、螺栓連接等。最后，邊界條件設置、模型控制卡片等。搭建完的整車模型如圖2所示。

3.2 整車模型概況

整車模型由14個主要總成系統構成，如圖3所示，單元數155萬，節點數162萬。

3.3 碰撞工況介紹

根據GB11551-2014《汽車正面碰撞的乘員保護》，最大設計總質量不大于2.5噸的N1類汽車適用于該標準。國內某典型輕型商用車總質量約為1.7噸，可依據此法規進行50km/h的正面碰撞性能評價。

4 某典型輕卡整車碰撞仿真試驗分析

上文通過有限元仿真技術建立碰撞仿真模型，需對模型的精度、可靠性及相關參數有效性進行試驗驗證。本章結合該典型輕卡整車正面碰撞試驗結果與有限元仿真模型進行對比分析。并從車身整體變形、關鍵區域侵入量、加速度水平等方面進行一致性評定。

4.1 整車碰撞仿真結果

整車仿真模型運動姿態與試驗基本一致，各總成間相對運動關系正確，零部件間受力關系及變形正常。正面碰撞中乘員艙關鍵位置侵入量、轉向結構跳動量、車門變形量、碰撞減速度水平等指標是影響目標車內乘員安全的主要因素。一般情況下，采用防火墻/踏板侵入量、車門變形量和減速度曲線等參數來評價車體正面耐撞性能。

表2為某輕型商用車整車碰撞仿真結果：減速度峰值為40.8g，出現在10ms時刻;防火墻侵入量（最大值）為147mm，出現在真空阻力泵安裝點附近;制動踏板X向侵入量（最大值）為89mm;加速踏板X向侵入量（最大值）為68mm;轉向管柱侵入量X向（最大值）為40mm，Z向（最大值）為29mm。

圖6為B柱下方車身減速度曲線，0～30ms對應前縱梁前段至前懸架安轉點之間縱梁的潰縮變形;30ms～70ms對應縱梁后段及乘員艙區域的車身變形。

圖7為防火墻變形云圖，變形最大位置位于真空阻力泵安裝處。

4.2 整車碰撞試驗結果及分析

將整車仿真模型的結果與實車碰撞試驗結果進行一致性評定，驗證模型的精度。下圖8是碰撞結束后的試驗和仿真模型圖，圖9是試驗與仿真的加速度曲線對比。

從圖8和圖9可看出，試驗數據與仿真數據的一致性較好，仿真模型精度處于較高水平。

4.3 整車安全開發技術要點

整車安全開發中，乘員艙生存空間是重要技術指標，而影響乘員艙生存空間的關鍵因素包括其自身剛度以及碰撞能量。乘員艙剛度受限于幾何結構、車體空間及成本核算，其剛度提高幅度有限。而對前縱梁碰撞吸能性和壓潰穩定性的提高來減少乘員艙的碰撞能量是提高汽車安全性能的主要手段。本文通過提高商用車前縱梁的吸能性能及壓潰穩定性的方式提升整車安全性能。

隨著縱梁厚度的不斷增加，前縱梁吸能量逐漸增加，有利于保持乘員艙的生存空間;但平均加速度也逐漸增加，壓潰穩定性逐漸變差;加速度峰值逐漸增加，將增大乘員受損傷的風險。因而，在實際工程應用中，需根據商用車實際的整車安全性能進行合理的前縱梁吸能量及壓潰穩定性匹配。

5 結論

本文以某輕型商用車為例對商用車整車安全開發進行研究。首先簡述了商用車市場現狀、碰撞安全的重要性，并重點解讀了GB11551-2014關于N1類車的碰撞安全性要求。其次通過國內某輕型商用車的整車安全模型搭建、模型組成、工況介紹來詳細展示商用車有限元設計開發方式。最后以有限元仿真模型與實車試驗結果的對比驗證了仿真模型的精度和可靠性，并簡要分析整車安全開發技術要點，并說明了整車安全性能要求前縱梁應尋求吸能性能及壓潰穩定性的合理匹配。

參考文獻：

[1]GENDAR，D.Numerical Simulations for Testing of Commercial Vehicle as Per ECE-R29 Regulations[J]. SAE Paper 2007-26-045.

[2]ECE R29-03，Uniform Provisions Concerning the Approval of Vehicles with Regard to the Protection of the Occupants of the Cab of a Commercial Vehicle[S].

[3]DWIVEDIP，KULKARNIA，CHALIPATS. Protection Devices to Improve Frontal Pendulum Impact Performance of Heavy Commercial Vehicles[J].SAE Paper 2011-26-0099.

[4]王登峰，劉麗亞，董學鋒，等.商用車駕駛室碰撞安全性的研究與改進[J].汽車工程，2011，33（1）：2-5.

[5]徐中明，史方圓，張志飛，等.重型越野車駕駛室安全性仿真及結構修改[J].汽車工程，2010，32（12）：1038-1041.

[6]陸善彬，張君媛，周劍，等.商用車ECER-29法規試驗中乘員生存空間的研究[J] 汽車技術，2009（6）：43-47.

[7]國家標準GB11551-2014《汽車正面碰撞的乘員保護》.

[8]王勖成，邵敏.有限單元法基本原理和數值方法.北京：清華大學出版社，1995.

[9]T Nakagawa Ken， Tatsuhiro， Crash Simulation of a Passenger Car. SAE900464.

[10]Ted Belysschko，Wing Kam Liu，Brian Moran.著;莊茁譯.連續體和結構的非線性有限元[M].北京：清華大學出版社，2002.