基于有限元法的某雙排輕卡駕駛室安全性能仿真研究

楊會(huì)華，王莉，潘開(kāi)廣，黃勤

基于有限元法的某雙排輕卡駕駛室安全性能仿真研究

楊會(huì)華1，王莉1，潘開(kāi)廣2，黃勤1

（1.江西五十鈴汽車有限公司 產(chǎn)品開(kāi)發(fā)技術(shù)中心，江西 南昌 330001；2.江西交通職業(yè)技術(shù)學(xué)院 汽車工程系，江西 南昌 330013）

為驗(yàn)證某雙排輕卡駕駛室的碰撞安全性能是否滿足國(guó)家法規(guī)及設(shè)計(jì)要求，文章基于有限元方法，分析了某雙排駕輕卡駛室頂部碰撞及正面碰撞的安全性能，CAE分析結(jié)果顯示，駕駛員和乘員頂部生存空間充足，正面碰撞下，前排乘員生存空間充足，因此該雙排輕卡駕駛室碰撞安全性能滿足法規(guī)和設(shè)計(jì)要求。

雙排輕卡；駕駛室；碰撞；安全性能

1 引言

自新冠疫情復(fù)工復(fù)產(chǎn)以來(lái)，國(guó)民經(jīng)濟(jì)重回快速發(fā)展軌道，輕卡銷量也節(jié)節(jié)攀升，雙排駕駛室輕卡車型，以其同時(shí)具備多乘員容納性和優(yōu)越的載貨性能，越來(lái)越得到用戶的青睞和使用，但是駕乘人員的安全風(fēng)險(xiǎn)也逐漸嚴(yán)峻，需引起主機(jī)廠及全社會(huì)人員的共同關(guān)注和重視。目前國(guó)內(nèi)輕卡行業(yè)駕駛室主要以平頭駕駛室形式為主，具有優(yōu)異的的造型美學(xué)和經(jīng)濟(jì)優(yōu)越性，與此同時(shí)，當(dāng)輕卡出現(xiàn)頂壓和正面碰撞等安全事故時(shí)，雙排駕駛室白車身系統(tǒng)會(huì)經(jīng)歷由彈性變形轉(zhuǎn)變?yōu)楹艽蟮乃苄宰冃危瑫?huì)擠壓和傷害前排和后排乘員的生存空間，造成人身傷害的重大安全事故，故雙排輕卡駕駛室本身的結(jié)構(gòu)安全性能對(duì)乘員的生存空間和生命安全有著直接決定性影響[1-5]。當(dāng)前國(guó)內(nèi)輕卡主流車型為4.5T藍(lán)牌車型，因此開(kāi)展雙排輕卡駕駛室碰撞安全性能的研究具有十分重要的經(jīng)濟(jì)價(jià)值和社會(huì)意義。

本文時(shí)依據(jù)交通部的營(yíng)運(yùn)貨車安全技術(shù)條件，基于CAE軟件Ls-Dyna，對(duì)某雙排欄板輕卡駕駛室進(jìn)行了頂部碰撞和正面碰撞CAE仿真分析，研究了雙排駕駛室碰撞時(shí)的能量傳遞規(guī)律和評(píng)價(jià)了乘員安全生存空間，校核該車型駕駛室安全性能設(shè)計(jì)能力水平。

2 雙排駕駛室頂部碰撞CAE分析

2.1 雙排駕駛室碰撞有限元模型

本文運(yùn)用Hyperworks和Ls-dyna軟件，建立如圖1的某雙排輕卡駕駛室碰撞仿真模型，網(wǎng)格尺寸大小6mm，車門和前后圍等鈑金件材料為DC系列，屈服強(qiáng)度為160-350MPa,玻璃采用SEAM單元與鈑金件連接。撞擊采用剛體三維長(zhǎng)方體單元模擬。本文所研究的單排輕卡駕駛室主要由車門，地板等寶鋼DC系列材料鈑金件和內(nèi)外飾部件組成，零部件間連接關(guān)系主要是通過(guò)點(diǎn)焊及膠粘建立，模型中附屬部件采用一維Mass質(zhì)量單元模擬，雙排駕駛室質(zhì)量為402kg，有限元模型如圖1，約束車架全部自由度，在駕駛室頂部加載強(qiáng)度為800mm/s的強(qiáng)制速度，邊界條件如圖2。

圖1 雙排輕卡駕駛室有限元模型

圖2 頂壓碰撞試驗(yàn)邊界條件

2.2 雙排駕駛室頂部碰撞CAE結(jié)果分析

2.2.1 頂部強(qiáng)度結(jié)果分析

按照上述邊界條件，得到圖3的駕駛室頂位移-力曲線可知，頂部可以承受20KN反力，能量傳遞合理，駕駛室頂部鈑金最大塑性應(yīng)變?yōu)?.004，小于目標(biāo)閾值0.05，滿足設(shè)計(jì)目標(biāo)。

2.2.2 雙排駕駛室乘員生存空間校核

本文同時(shí)研究了雙排駕駛室在頂部碰撞情形下，乘員的生存空間安全問(wèn)題，按照上述加載工況，得到如圖4的分析結(jié)果，本文雙排駕駛室可以承受21KN的力，發(fā)生在78ms時(shí)，駕駛室員頭部空間依然有300mm的余量空間，生存空間滿足國(guó)家法規(guī)要求。

圖4 某雙排駕駛室頂部碰撞乘員生存空間分析結(jié)果

3 雙排駕駛室正面碰撞CAE分析

3.1 雙排駕駛室正面碰撞邊界條件

本文運(yùn)用Hyperworks和Ls-dyna軟件，根據(jù)國(guó)家交通部法規(guī)要求，利用上述雙排輕卡駕駛室有限元模型，擺錘撞擊面與駕駛室前端相接觸，擺錘的質(zhì)心和主駕R點(diǎn)相平行，撞擊能量為29.4Kj，約束車架全部自由度，邊界條件如圖5所示。

圖5 雙排駕駛室正面撞擊邊界條件示意圖

3.2 雙排駕駛室正面碰撞強(qiáng)度分析結(jié)果

本文按照上述駕駛室正面碰撞加載邊界條件，對(duì)某雙排輕卡駕駛室進(jìn)行了CAE安全分析，得到如圖6的能量傳遞結(jié)果圖和翻轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)應(yīng)力結(jié)果云圖，結(jié)果顯示，初始撞擊能量在29.4KJ，沙漏在合理范圍內(nèi)，能量轉(zhuǎn)換正常。車架前端應(yīng)力較合理，存在吸能設(shè)計(jì)，翻轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)未發(fā)生剪斷風(fēng)險(xiǎn)，滿足設(shè)計(jì)要求。

3.3 雙排駕駛室正面碰撞強(qiáng)度分析結(jié)果

圖7 雙排駕駛室正面碰撞生存空間校核結(jié)果

本文按照上述分析邊界條件，對(duì)某雙排駕駛室正面碰撞分析后進(jìn)行了生存空間的校核，得到如圖7的分析結(jié)果，駕駛室員腿部空間充足，未與轉(zhuǎn)向管柱及儀表板發(fā)生干涉，滿足法規(guī)要求，具備足夠的生存空間。

4 結(jié)論

本文時(shí)根據(jù)交通部定義的安全技術(shù)條件，基于CAE有限元分析軟件Hyperworks和Ls-Dyna，對(duì)某雙排輕卡駕駛室進(jìn)行了頂部碰撞及正面碰撞CAE仿真分析，結(jié)果顯示：

CAE仿真模型中主駕駛員和副駕乘員未與駕駛室其他部件出現(xiàn)干涉，顯示乘員的生存空間是滿足法規(guī)要求，綜合評(píng)定該雙排輕卡駕駛室安全性能滿足法規(guī)和設(shè)計(jì)目標(biāo)要求。

[1] 劉麗亞.商用車駕駛室乘員安全性仿真分析與試驗(yàn)研究[D].吉林:吉林工業(yè)大學(xué),2011.

[2] 雷飛,李貴濤.高強(qiáng)度鋼在商用車正碰安全性設(shè)計(jì)中的應(yīng)用研究 [J].機(jī)械強(qiáng)度,2017,39(1):71-78.

[3] 武和全.汽車車架碰撞安全性分析及其優(yōu)化設(shè)計(jì)[D].南昌:南昌大學(xué),2007.

[4] 黃勤.基于LS-dyna的某輕卡駕駛室正面碰撞安全性能研究[J].南方農(nóng)機(jī),2020,11(1):31-33.

[5] 程闊,張健.駕駛室擺錘碰撞碰撞的仿真分析[J].機(jī)械科學(xué)與技術(shù),2010(9):1268-1276.

Simulation Study on the Safety Performance of a double row Cab of Light Truck with FEM

Yang HuiHua1, Wang Li1, Pan Kaiguang2, Huang Qin1

( 1.Product Development & Technical Center, JiangLing Motors Co, Ltd, Jiangxi Nanchang 330001; 2.Department of Automotive Engineering, Jiangxi V&T College of Communications, Jiangxi Nanchang 330013 )

In order to verify whether the collision safety performance of a double row light truck cab meets the national regulations and design requirements, Based on the finite element method, this paper analyzes the safety performance of a double row light truck cab top impact and frontal collision. CAE analysis results show that the driver and passengers have enough living space at the top, while the front passenger has enough living space under the frontal collision. Therefore, the safety performance of the double row light truck cab meets the requirements of regulations and design.

Double row light truck; Cab;Crash; Safety performance

A

1671-7988(2020)24-130-03

U467

A

1671-7988(2020)24-130-03

楊會(huì)華，就職于江西五十鈴汽車有限公司產(chǎn)品開(kāi)發(fā)技術(shù)中心。

10.16638/j.cnki.1671-7988.2020.24.043

CLC NO.: U467