某單排輕卡駕駛室正面碰撞安全性能仿真與試驗(yàn)研究

陳明亮，林偵文，黃勤，張奇

（江西五十鈴汽車有限公司 產(chǎn)品開發(fā)技術(shù)中心，江西 南昌 330001）

1 引言

隨著城市物流行業(yè)的快速發(fā)展，輕卡銷量得到高速增長(zhǎng)，但同時(shí)乘員的安全風(fēng)險(xiǎn)也日益嚴(yán)峻，需引起汽車生產(chǎn)廠家及全社會(huì)的共同關(guān)注和重視。我國(guó)輕卡行業(yè)駕駛室主流形式為平頭駕駛室，具有良好的造型和經(jīng)濟(jì)優(yōu)越性，與此同時(shí)，當(dāng)輕卡出現(xiàn)正面碰撞事故時(shí)，駕駛室白車身會(huì)經(jīng)歷由彈性變形過渡到很大的塑性變形，會(huì)擠壓和傷害前排駕駛員和副駕乘員的生存空間，造成人身傷害的巨大安全事故，故單排輕卡駕駛室本身的結(jié)構(gòu)強(qiáng)度和安全性能對(duì)乘員的生存空間和生命安全有著直接決定性影響[1-4]。考慮到當(dāng)前國(guó)內(nèi)輕卡主流車型是單排4.5T藍(lán)牌車型，因此開展單排輕卡駕駛室正面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)價(jià)值。

本文時(shí)依據(jù)交通部的營(yíng)運(yùn)貨車安全技術(shù)條件，基于安全分析軟件 Ls-Dyna，對(duì)某單排欄板輕卡駕駛室進(jìn)行正面碰撞CAE仿真分析，研究了其能量傳遞規(guī)律和評(píng)價(jià)了乘員生存空間，同時(shí)在襄陽試驗(yàn)場(chǎng)進(jìn)行了實(shí)車駕駛室正拍試驗(yàn)，實(shí)際驗(yàn)證校核該車型駕駛室安全性能設(shè)計(jì)能力水平。

2 單排駕駛室正面碰撞CAE分析

2.1 交通部營(yíng)運(yùn)貨車正面撞擊試驗(yàn)概述

交通部所定義的輕卡正面撞擊試驗(yàn)，是采用質(zhì)量均布的鋼制撞擊部件并且質(zhì)量不小于 1500kg，撞擊面為長(zhǎng)方形平面，撞擊器的質(zhì)心小于駕駛室座椅R點(diǎn)50mm，撞擊器應(yīng)沿平行于車輛地縱向中心平面，水平撞擊輕卡駕駛室前臉正面區(qū)域，如圖1，本文所研究的對(duì)象為總質(zhì)量4495kg的單排輕卡車型，對(duì)于撞擊能量的要求如下：

最大總質(zhì)量小于7.5T 的N2類車輛，撞擊能量為29.4KJ。

試驗(yàn)主要目標(biāo)，是考慮前部出現(xiàn)碰撞的特殊條件下的安全事故情形下，對(duì)主機(jī)廠研發(fā)制造的輕卡駕駛室和翻轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)及駕駛室強(qiáng)度進(jìn)行全面校核和評(píng)價(jià)[5]，以實(shí)現(xiàn)減小對(duì)駕駛員和副駕乘員的人身傷害風(fēng)險(xiǎn)，保障乘員具備足夠的生命安全空間。

圖1 正面撞擊試驗(yàn)示意圖

2.2 單排駕駛室正面碰撞有限元模型

本文運(yùn)用Hyperworks和Ls-dyna軟件，建立如圖2的某單排輕卡駕駛室正面碰撞仿真模型，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，CAE模型計(jì)算時(shí)間設(shè)定為150ms。

圖2 某單排輕卡駕駛室有限元模型

2.3 單排駕駛室正面碰撞CAE結(jié)果分析

2.3.1 翻轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)安全性能校核

翻轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)是整車系統(tǒng)的重要受力和安全部件，其力學(xué)性能對(duì)于整車駕駛室的安全具有重要影響，本文中，需校核整車駕駛室在正面撞擊情況下，翻轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)螺栓不應(yīng)全部剪切斷裂，需保證駕駛室處于固連狀態(tài)。圖3為某單排駕駛室車型正碰試驗(yàn)下的翻轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)安全強(qiáng)度仿真分析結(jié)果，結(jié)構(gòu)變形僅為0.63%，滿足材料強(qiáng)度要求。

圖3 某單排駕駛室車型正碰分析翻轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)強(qiáng)度結(jié)果

本文同時(shí)也對(duì)翻轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)的螺栓軸力和剪切力進(jìn)行了校核，得到如圖4的分析結(jié)果，由圖可知，發(fā)生正面碰撞時(shí)，不同固定螺栓所受到的軸向力和剪切力大小是不同的，且在前部時(shí)間區(qū)域，力的大小都達(dá)到峰值，而后期會(huì)振蕩衰減，且力的幅值滿足小于螺栓設(shè)計(jì)閾值目標(biāo)。

圖4 翻轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)螺栓力分析計(jì)算結(jié)果

2.3.2 乘員生存空間校核分析

CAE模型進(jìn)行完碰撞后，分別校核駕駛員和副駕乘員的生存空間，其中駕駛員大腿距方向盤最外端有80mm空間，駕駛員左大腿距轉(zhuǎn)向管柱外臂有21mm空間，右大腿距轉(zhuǎn)向管柱外臂有24mm空間，副駕乘員生存空間更充足，腿部距儀表板足有10mm（圖5）， 滿足法規(guī)要求。

圖5 乘員生存空間校核

3 駕駛室正面碰撞試驗(yàn)分析

本文在襄陽檢測(cè)中心進(jìn)行了某單排實(shí)車駕駛室正面碰撞試驗(yàn)（圖6），試驗(yàn)樣車為總質(zhì)量4495kg的單排欄板輕卡，通過控制擺臂高度來實(shí)現(xiàn)撞擊能量29.4KJ的要求，整車采用鐵鏈固定約束車架前后端，碰撞后再放置假人，校核乘員生存空間，試驗(yàn)邊界條件如圖6。

圖6 正面撞擊驗(yàn)證試驗(yàn)

圖7 駕駛員生存空間試驗(yàn)結(jié)

圖8 副駕乘員生存空間試驗(yàn)結(jié)果

撞擊試驗(yàn)后，檢查翻轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)螺栓狀態(tài)和校核主副駕駛乘員生存空間，經(jīng)現(xiàn)場(chǎng)檢測(cè)，單排欄板輕卡駕駛室翻轉(zhuǎn)支座螺栓僅發(fā)生較小范圍的塑性變形，固聯(lián)良好，未發(fā)生剪斷風(fēng)險(xiǎn)。假人放置于主副駕區(qū)域，駕駛員和副駕乘員腿部和其他部位離駕駛室儀表板和轉(zhuǎn)向管柱等部件距離較大，具備足夠的生存空間，滿足法規(guī)要求，與CAE模擬分析結(jié)果趨勢(shì)對(duì)標(biāo)一致，試驗(yàn)結(jié)果如圖7和圖8。

4 結(jié)論

文時(shí)依據(jù)交通部定義的安全技術(shù)條件，基于有限元安全分析軟件 Ls-Dyna，對(duì)某單排欄板輕卡駕駛室進(jìn)行正面碰撞CAE仿真分析和正面碰撞試驗(yàn)，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，同時(shí)進(jìn)行得實(shí)車正面撞擊試驗(yàn)結(jié)果也顯示乘員具備充分的生存空間，與CAE分析結(jié)果對(duì)標(biāo)趨勢(shì)一致。

因此本文綜合評(píng)定該單排欄板輕卡駕駛室正面碰撞安全性能滿足法規(guī)和設(shè)計(jì)目標(biāo)要求。