面向新法規的的卡車駕駛室頂壓性能提升

摘 要：某重卡駕駛室在碰撞摸底試驗中生存空間、頂部承載力均無法滿足《商用車駕駛室乘員保護》（GB26512-2021）的要求。為了提高頂部承載力，增大乘員的頭部生存空間，建立該駕駛室的側壓-頂壓碰撞有限元分析（FEA）模型，并通過仿真與試驗對標驗證模型的有效性。根據車身框架結構能量傳遞和閉合腔體傳力特點精準鎖定A柱、后圍、頂蓋的薄弱部位并制定有效優化方案。結果表明：疏通A柱、頂蓋和后圍等關鍵傳力路徑，形成閉合腔體截面能有效提升頂部承壓力，使駕駛室在滿足生存空間的前提下，頂壓承載力由70 kN提升至102 kN，承載性能提升了31.3%。該結構優化思路可為白車身結構設計開發提供理論指導。

關鍵詞： 商用車駕駛室；頂部強度；結構優化；有限元分析（FEA）模型

中圖分類號： U 463.83 文獻標識碼： A DOI： 10.3969/j.issn.1674-8484.2024.02.003

汽車側翻碰撞作為一種較為常見的安全事故，其死亡人數約占總交通事故死亡人數的30%，并有逐年升高的趨勢[1-2]。商用車作為中國公路運輸行業的載體，承擔了主要的運輸任務，但由于其車身質量大、尺寸大的特點，一旦發生失穩側翻事故，會造成嚴重的人員傷亡和交通設施破壞[3-6]。相關政府部門在不斷地完善商用車安全法規以期獲得更高的商用車碰撞安全性能，降低乘員的損傷。相對于舊版的GB 26512-2011 [7]，新版的GB 26512-2021《商用車駕駛室乘員保護》 [8] 對駕駛室的碰撞安全性提出了更高的要求，主要表現在碰撞項目的增加以及碰撞能量的升高[9]。根據新法規要求，最大設計總質量大于7.5 t 的N2 類車輛和所有的N3 類車輛，在進行頂部靜壓試驗前應進行駕駛室側面擺錘20°撞擊試驗[10]。該項目的加入更能真實地模擬商用車發生側翻事故時的受力變形情況，同時該工況對駕駛室頂部強度安全性提出了更高的要求。

王登峰[11] 針對某商用車駕駛室頂壓試驗中暴露出的問題， 對駕駛室后圍和地板縱梁結構進行了有限元分析和結構改進，改進基于歐洲ECE R29-02 法規，該法規與中國舊版法規內容基本一致，頂壓力容易達到法規要求；LV Chang[12] 基于ECE R29-02 驗證了某重卡駕駛室的頂部強度是否合規并給出結構改進建議；謝旭良[13] 對某高頂駕駛室進行頂部強度有限元仿真分析，結果表明試驗與仿真結果吻合較好。WANG Dengfeng [14] 建立了一汽某重卡駕駛室有限元模型，基于各國不同的重卡駕駛室法規探究了3 種20°撞擊擺錘對駕駛室變形的影響，并給出了可能提升駕駛室碰撞性能的方案，方案來源于主觀經驗。A. R.Velankar [15] 基于SAE J2422 法規對駕駛室側面、頂部進行準靜態加載分析，準靜態加載相對于顯示分析工況更寬松，且部件的屈曲變形模擬較粗糙。以上商用車頂壓相關研究多以舊版法規合規標準為目標進行設計優化，結構強度要求低；應用較嚴格版本法規的研究憑借經驗給出可能的改進方向，并未給出真實有效的方案，且借助經驗識別風險點試錯成本較高，增加了研發周期。G. Bae 和 P. K. Kim [16-17] 等通過將關鍵部件材料更換為熱成型、高強鋼等方法進行耐撞性優化，但優化成本較高。

本文基于最新版的GB 26512-2021 法規要求建立某重卡駕駛室側壓—頂壓碰撞有限元分析模型，從模型能量守恒、試驗仿真駕駛室變形模式、頂壓承載曲線對標等三方面驗證模型的有效性。根據車身框架結構能量傳遞及閉合腔體截面傳力特點，精確鎖定后圍立柱、駕駛員側A 柱、頂蓋加強梁等薄弱部位，規避了主觀經驗判斷試錯成本高的風險；通過疏通整車坐標系下駕駛室的Y 向、Z 向傳力路徑，形成腔體閉合回路等方案進行結構優化，能夠以較低的成本有效提升側面及頂部的耐撞性能，為后續駕駛室耐撞性設計提供了理論指導。

1 駕駛室頂部強度分析模型建立

1.1 駕駛室有限元模型

駕駛室有限元模型由白車身、車門、儀表臺機構、轉向機構、懸置和車架構成。如圖1 所示，該有限元模型一共包含3 057 219 個節點，3 462 179 個殼單元和47 836 個體單元，其中車身本體主要為鈑金件，采用2D 單元模擬；懸置鑄件通過四面體單元模擬；鉸鏈、螺栓等采用1D 單元模擬；膠粘、燒焊、點焊通過建立六面體單元模擬。為保證獲得較高的計算精度，仿真選用嚴格的網格質量檢查標準[18]，控制三角形網格占比小于5%，對關鍵部位的關鍵特征網格進行局部細化。為消除部件間的穿透，模型中主要建立了3 種接觸：① 整車的自接觸，關鍵字為*AUTOMATIC_SINGLE_SURFACE ；② 擺錘與整車的面面接觸，在LS_DYNA中用*AUTOMATIC_SURFACE_TO_SURFACE 卡片來模擬；③ 焊點與整車之間建立類型為*AUTOMATIC_NODES_TO_SURFACE 的接觸。

1.2 模型邊界條件

按照法規的要求，側壓—頂壓加載示意如圖2 所示。其中，側壓擺錘總質量1.577 t，尺寸為2 500 mm×2 500 mm，懸吊軸到擺錘中心的距離為3.7 m，初始撞擊能為17.6 kJ， 經動能公式計算得到擺錘加載角速度作為仿真輸入；頂壓以恒定的速度1 m/s 沿Z 軸負向進行加載。約束車架6 個自由度，側壓擺錘平面與車輛縱向中心平面的夾角為20°，調整并固定好擺錘，約束擺錘除沿轉軸轉動以外的自由度，先進行側壓加載再進行頂壓分析。為與試驗對標，使駕駛室側壓預加載后彈性變形完全恢復，所以模型選取側向預加載時間為500 ms。

2 有限元分析模型的驗證

2.1 能量曲線

有限元仿真計算要涉及多種積分算法和不同的接觸算法，系統為了保證計算正常進行，會在模型計算時自動增加某些部件的質量，但是質量增加太多會導致計算結果不可信；同時非全積分的積分算法會引起沙漏能，繼而影響系統總能量守恒[19-20]。因此本文在后處理中輸出了系統能量曲線以及質量增加（αm） 曲線驗證模型的可信度。如圖3 所示，該模型總能量（Etotal） 守恒，沙漏能小于總能量的5%，其中附加質量為18.6 kg，占整車總質量的3.8%。綜合系統能量變化曲線和質量增加曲線可得該頂部強度分析模型可信。

2.2 仿真與試驗駕駛室變形對比

為全面驗證頂部強度有限元模型的有效性，將整車重要部位試驗碰撞變形與仿真結果進行對比，如圖4所示。結果表明，仿真和試驗駕駛室整體變形模式基本一致。

2.3 仿真與試驗頂部加載力對比

在首輪碰撞摸底試驗中，頂部強度試驗后輸出了頂部加載力（F） 曲線，并與仿真輸出的頂蓋—撞擊器接觸力曲線進行對比。如圖5 所示， 試驗與仿真得到的力—位移（S）曲線的趨勢基本一致，且峰值力均在70 kN左右，兩峰值大小誤差在5% 以內，吻合度較好。試驗加載至駕駛室瀕臨壓潰狀態時，頂壓力呈下降趨勢。

綜上所述，模型自身的系統能量驗證，仿真與試驗的變形對比、車輛碰撞后頂部承載力曲線對比等結果均證明了頂部強度分析模型的有效性。

但是，根據法規GB 26512-2021 要求，頂壓加載力為車輛前部的1 個軸或多個軸的最大軸荷的靜載荷，且最大為98 kN [8]，本文駕駛室頂部強度的加載載荷為98 kN。根據圖4 頂部加載力對比曲線，該車型駕駛室的最大頂壓承載力為70 kN，小于法規要求的98 kN。因此，要對駕駛室結構碰撞強度進行優化提升。

3 結構優化

3.1 問題剖析

為判斷碰撞過程中的能量流動，計算輸出駕駛室各大總成主要吸能部件吸能量，具體情況如圖6 所示。

雖然地板總成結構件較多，但總成整體吸能少，變形較小，因此推斷地板結構設計合理，無需進行結構調整。側圍、后圍、頂蓋等總成結構部件較少，總成吸能量大，因此單個部件吸能量較大，應著重關注其變形，其中處于傳力路徑的重要部件以及會影響乘員艙生存空間的結構件應進行結構優化，減小吸能變形。

側壓碰撞駕駛室主要受力為側向力，Y 向傳力路徑為左側圍—頂蓋橫梁—右側圍，頂蓋總成既影響傳力又影響乘員艙頭部生存空間，因此， 選取頂蓋前后橫梁各2 個位置輸出其截面力。頂壓碰撞為Z 向受力，由于商用車多為框架結構，主要Z 向傳力路徑為頂蓋—A 柱/B 柱/ 后圍—地板前、后懸置。為了解各主要承力部件的實際傳力情況，在LS-dyna 軟件中設置*DATABASE_CROSS_SECTION 關鍵字，輸出駕駛室側圍、后圍、頂蓋等吸能總成主要傳力路徑的截面力，側圍總成單側A 柱選取上、中、下3 個位置進行輸出，后圍選取單側立柱上下2 個位置，A 柱、B 柱、后圍選取位置左右對稱，具體截面位置選取如圖7 所示。

側壓碰撞后駕駛室會產生傾斜角度，導致頂壓時駕駛位一側的頂蓋先接觸頂壓壓板，若駕駛室傾斜角度過大，則容易造成駕駛位側頂蓋單側承力，導致左右側圍受力不均，駕駛員頭部生存空間不足。根據圖8B 柱截面力（FS） 示意圖，該駕駛室左側B 柱承力遠大于右側，出現了兩側受力不均的情況，需分析駕駛室變形模式確定駕駛室傾角過大的主要原因，減小駕駛室的傾斜變形。

頂壓后右側A 柱未發生較大變形，傳力暢通。左側A 柱上部與中部截面中間位置出現彎折變形，造成上部壓力未及時向下傳遞。根據圖9 所示頂壓過程左側A 柱變形情況，側壓后頂壓初始時刻A 柱出現了輕微折痕；由于初始頂壓階段能量主要由頂蓋變形吸收，所以圖10 所示A 柱截面力曲線頂壓前0.2 s 數值較小；后續隨著壓板下壓，頂壓開始0.2 s 后，A 柱傳力逐漸升高加劇A 柱折彎變形；頂壓開始后0.26 s 時A 柱受力最大。根據圖9，頂壓0.26～0.50 s，折彎變形不斷加劇，A 柱上部截面力開始逐漸大于A 柱中部截面，自上而下傳力減弱。因此需疏通左側A 柱上部與中部截面間的傳力路徑，改善A 柱折彎。A 柱下截面還受到車門自頂蓋傳遞至下部的力，所以截面力大于A 柱上、中截面。

與左側A 柱問題一致，如圖11 所示，頂壓后后圍立柱中部折彎。從圖12 中也可見同側結構后圍立柱上端截面力大于下端截面，傳力路徑出現了中斷；左側立柱相同位置截面力遠大于右側立柱，進一步說明駕駛室側傾變形過大造成駕駛員側頂蓋單側受力。

頂蓋橫梁左右2 個截面位置、形狀完全對稱，側壓過程中頂蓋后橫梁的截面力如圖13 所示。圖14 為碰撞后頂部變形結果，由于頂蓋剛度不足，頂蓋側壓后頂蓋橫梁變形，導致傳力不暢，左側截面力大于右側，頂蓋后橫梁受力大于頂蓋前橫梁。該駕駛室為平頂駕駛室，頂部吸能變形空間有限，應以頂蓋結構加強增大生存空間為主要改進方向。

3.2 改進方案

參照碰撞后駕駛室變形模式，碰撞能量吸收、主要路徑截面傳力特點，參考相關文獻[21-22]，制定了該重卡駕駛室的頂壓加強方案。由于本車型為量產駕駛室，因此應通過盡可能小的改動來獲得較強的頂壓性能。本方案旨在提高后圍總成、A 柱等支撐結構的抗彎性能，貫通駕駛室Y、Z 方向的傳力路徑。圖15 展示了駕駛室改進方案中8 處改進結構。結構件1和2 為新增件，兩結構件的增加解決了頂蓋前后搭接區域塌陷變形的問題，連接了頂部與后圍其他部件，疏通了頂部向后圍、后懸的傳力路徑，同時增大頂蓋剛度，增加駕駛員頭部生存空間； 結構件3 和結構件4 作為后圍主要傳力部件，其中改進前的結構件3 是由2 個斷開的結構件組成，壓力無法有效傳遞，改進后的結構件3 和4 貫通了后圍的Z 向傳力路徑；結構件5 連接頂部和后圍，既能改善頂蓋塌陷變形，又在增大頭部空間的同時增加Z 向和Y 向傳力；加強結構件7 和8 與原有的地板后橫梁形成閉環腔體結構，該結構可使后橫梁均勻受力，避免應力集中，有效改善該橫梁的力學性能，兩結構件也有效減小了側壓后駕駛室的側傾角度，使左右側頂部受力均勻。針對圖9 所示的A 柱折彎變形，A 柱內板加強件和A 柱外板加強件無有效搭接，導致該結構無法承受頂部向下傳遞的壓力。因此，增加結構加強件9，與A 柱外板、內板形成閉合腔體截面，旨在增大A 柱折彎區域的抗壓強度，使頂部壓力可以向下傳遞至前懸，疏通A 柱的Z 向傳力路徑。結構優化后的駕駛室形成的閉合腔體如圖16 所示。

4 改進后駕駛室分析結果

4.1 改進后駕駛室變形結果

頂壓力達到98 kN 時駕駛室的變形情況如圖17 所示，可見頂壓力達到98 kN 時，加強后A 柱折彎變形消失，頂壓力通過A 柱傳遞至前圍和前懸；后圍總成加強后，后圍立柱不再發生失穩折彎，后圍與地板連接處的壓潰變形顯著改善；同時，頂蓋后部的突鼓變形減小，保證了假人頭部的生存空間。因此，通過對駕駛室本體結構進行改進，在提高頂部承壓力的同時也顯著提高了駕駛室假人的生存空間。

4.2 頂部承壓力

圖18 為碰撞后頂部加載力曲線，如圖所示，加強后的駕駛室頂部加載力高于法規要求的98 kN，頂壓后駕駛室抗壓強度符合法規要求。

4.3 駕駛室乘員生存空間

圖19 為頂壓力達到98 kN 時乘員生存空間的測量結果圖，加強后的駕駛室乘員頭部生存空間充足。根據法規GB26512-2021 要求，頂壓試驗后選用Hybrid- Ⅲ假人進行駕駛室生存空間測量，其中，主駕駛側頭部到頂蓋Z 向距離為167 mm，副駕駛乘員頭部距離頂蓋Z 向距離為180 mm。法規要求駕駛室頂壓之前駕駛員側需要進行側面預加載，駕駛室會向副駕駛一側傾斜，導致頂壓時主駕駛一側的頂部最先承受壓力，因此，副駕駛乘員頭部生存空間需要大于主駕駛側。

4.4 頂壓強度試驗

經過改進后的駕駛室重新在天津中國汽車技術研究中心進行了碰撞認證試驗，由圖20 可知側壓碰撞和頂壓碰撞后的變形形式均與仿真變形趨勢一致，碰撞后主駕駛以及副駕駛假人的頭部空間充足，能夠滿足GB26512-2021《商用車駕駛室乘員保護》規定的生存空間要求。

5 結論

論文依據最新版法規《商用車駕駛室乘員保護（GB26512-2021）》 的要求，開展某重卡駕駛室頂部抗壓性能的結構優化工作。

依據部件總成吸能量曲線，獲得了變形風險點；通過截面力的變化準確判斷駕駛室的傳力阻斷點，找到關鍵承力部件及傳力路線，快速鎖定導致頂壓耐撞性能差的駕駛員側A 柱、后圍立柱、頂蓋加強件等薄弱部位。該方法可避免主觀經驗判斷引起的失誤，更加高效準確可靠。

通過重新設計搭接結構（A 柱折彎點搭接優化）、對主要傳力路徑部件進行局部加強（ 后圍立柱結構優化）、加強影響生存空間的部件（ 頂蓋總成結構加強）等方案，將頂部承載力由70 kN 提升至102 kN，頂部承載性能提升了31.3%，且乘員生存空間在滿足法規要求的前提下余量較多。該結構優化設計思路啟發研發人員應在新車型的開發階段對駕駛室搭接結構、傳力路徑進行合理地規劃及設計，可通過將關鍵傳力部件設計為框架結構、與其他部件形成閉合腔體等方法保證駕駛室具有較高的結構強度和耐撞性能。

對建立的側壓-頂壓碰撞有限元模型進行了仿真、試驗結果對比，結果表明仿真后駕駛室主要變形與試驗結果一致，頂壓承載力曲線仿真、試驗走勢一致，且峰值力誤差在5%以內。模型有效性較高，仿真結果及結論可信度高。

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基金項目 / Supported by ： 超級節能型重型載貨汽車混合動力系統開發研究項目（2017YFB0103500）。