基于《汽車正面碰撞的乘員保護(hù)》的某輕卡碰撞CAE模型對(duì)標(biāo)探索與實(shí)踐

摘 要：文章旨在探討基于《汽車正面碰撞的乘員保護(hù)》的某輕卡碰撞CAE模型的建立與修正。通過對(duì)該標(biāo)準(zhǔn)的詳細(xì)解讀和分析，結(jié)合實(shí)際案例，本研究建立了一套適用于某輕卡碰撞仿真的整車CAE模型及分析方法。經(jīng)整車實(shí)物碰撞驗(yàn)證和比對(duì)，B柱加速度曲線相似度高達(dá)96.5%，加速度曲線峰值時(shí)刻基本吻合、試驗(yàn)峰值優(yōu)于CAE峰值20g，駕駛室門框變形量差異小于20mm，證明該CAE模型在預(yù)測(cè)碰撞情況和評(píng)估車輛安全性能方面具有較高的準(zhǔn)確性和可靠性。本研究的成果為輕卡碰撞仿真提供了一種新的方法和視角，對(duì)于提升輕卡碰撞安全性能具有重要指導(dǎo)意義和實(shí)踐價(jià)值。

關(guān)鍵詞：輕卡碰撞 CAE模型建立與修正 B柱加速度 駕駛室變形量

隨著車輛碰撞CAE仿真技術(shù)在汽車安全領(lǐng)域的重要性日益凸顯，對(duì)標(biāo)《汽車正面碰撞的乘員保護(hù)》（GB 11551-2014，以下簡(jiǎn)稱GB 11551）[1]將有助于提高碰撞仿真的準(zhǔn)確性和可靠性，從而推動(dòng)輕型卡車碰撞安全性能的評(píng)估和優(yōu)化[2]。

目前，業(yè)內(nèi)關(guān)于輕卡碰撞仿真領(lǐng)域的研究，大都集中于滿足GB 26512標(biāo)準(zhǔn)[3]要求，陳東益等[4]提出了基于ECER29-03標(biāo)準(zhǔn)的碰撞過程中乘員生存空間的虛擬評(píng)價(jià)方法，牛思杰等[5-7]在新一代輕卡開發(fā)中，對(duì)正面撞擊、雙A柱撞擊和頂部強(qiáng)度進(jìn)行了大量仿真分析，根據(jù)碰撞載荷傳遞路徑，在關(guān)鍵部位進(jìn)行結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)加強(qiáng)和優(yōu)化，碰撞性能達(dá)成了開發(fā)目標(biāo)。然而，基于GB 11551標(biāo)準(zhǔn)的輕卡碰撞CAE仿真技術(shù)研究極少[8]且多集中在傳統(tǒng)碰撞模型上，缺乏對(duì)輕卡等大能量汽車碰撞失效CAE預(yù)測(cè)的深入探索與應(yīng)用。本研究旨在填補(bǔ)這一空白，為輕卡碰撞仿真技術(shù)的發(fā)展提供新的思路與方法。

本文旨在建立一個(gè)基于GB 11551標(biāo)準(zhǔn)的輕卡碰撞CAE模型，并通過對(duì)標(biāo)實(shí)踐，探索其在輕卡碰撞仿真中的應(yīng)用效果。本研究將采用CAE仿真建模、子系統(tǒng)碰撞失效、對(duì)標(biāo)實(shí)驗(yàn)等方法，驗(yàn)證輕卡整車碰撞CAE模型的準(zhǔn)確性與可靠性，推動(dòng)輕卡碰撞安全技術(shù)進(jìn)步。

1 輕卡CAE模型對(duì)標(biāo)基本原則

1.1 CAE模型對(duì)標(biāo)流程

輕卡高速碰撞CAE模型對(duì)標(biāo)，其前提條件是建立一個(gè)基礎(chǔ)模型。基礎(chǔ)模型至少應(yīng)當(dāng)包含：與整車CAD數(shù)據(jù)對(duì)應(yīng)的網(wǎng)格、材料力學(xué)性能曲線庫(kù)、連接關(guān)系、整車重量和質(zhì)心坐標(biāo)等數(shù)據(jù)。

根據(jù)GB 11551的規(guī)定，對(duì)基礎(chǔ)模型設(shè)置的邊界條件進(jìn)行檢查與修正。采用LS-DYNA求解器對(duì)模型進(jìn)行有限元計(jì)算[9-10]，計(jì)算完成后，應(yīng)重點(diǎn)考察車架與車身的變形模式。本文針對(duì)輕卡整車重量大、碰撞能量大的特點(diǎn)，重點(diǎn)關(guān)注前端構(gòu)件、發(fā)動(dòng)機(jī)懸置、燃油系統(tǒng)和后懸掛系統(tǒng)的失效情況以修正CAE模型具體對(duì)標(biāo)流程見圖2。

1.2 CAE計(jì)算對(duì)標(biāo)范圍

GB 11551規(guī)定的N1 類車輛車身安全要求主要為：a） 在試驗(yàn)過程中，車門不得開啟；b） 在試驗(yàn)過程中，前門鎖止系統(tǒng)不得發(fā)生鎖止；c） 碰撞試驗(yàn)后，除支持假人質(zhì)量的必要工具外不能使用其他工具，應(yīng)能：

（1）對(duì)應(yīng)于每排座位，若有門，至少有一個(gè)能打開。如果沒有門，移動(dòng)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(tǒng)中解脫時(shí)，如果發(fā)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(tǒng)能被打開。（3）不調(diào)整座椅，從車中完好取出假人。【考察碰撞過程中車門系統(tǒng)功能性和碰撞后乘員艙完整性】（4）在碰撞過程中，燃油供給系統(tǒng)不應(yīng)發(fā)生泄漏。（5）碰撞試驗(yàn)后，若燃油供給系統(tǒng)存在液體連續(xù)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(tǒng)的液體與來自其他系統(tǒng)的液體混合，且不同的液體不容易分離和辨認(rèn)，則在評(píng)定連續(xù)泄漏時(shí)，收集到的所有液體都應(yīng)計(jì)入。【考察整個(gè)碰撞過程燃油系統(tǒng)完整性】

1.3 CAE計(jì)算加速度評(píng)價(jià)

本文研究了曲線相似性評(píng)價(jià)方法[11]，參考ISO18571標(biāo)準(zhǔn)，提出了輕卡碰撞B柱加速度CAE曲線與實(shí)測(cè)曲線的相似度計(jì)算方法如下：

R=wz*Z+wp*Ep+wm*Em+ws*Es

wz+wp+wm+ws=1

其中，R為曲線相似度值，Z為通道值、Ep為相位差、Em為峰值差、Es為曲線斜率差，wz、wp、wm、ws為與之對(duì)應(yīng)的權(quán)重系數(shù)。

2 輕卡CAE模型對(duì)標(biāo)過程

2.1 燃油系統(tǒng)失效對(duì)標(biāo)

本文使用SPH例子法模擬油液，替代等效配重的表達(dá)方式，可以準(zhǔn)確模擬油液對(duì)殼體的沖擊以及箱體真實(shí)變形。如圖3所示，CAE分析結(jié)果顯示油箱本體最大塑性應(yīng)變?yōu)?6.3%，未超過材料DC04的失效應(yīng)變38%，符合要求。油箱箍帶最大塑性應(yīng)變?yōu)?8.3%，超過材料的Q195的失效應(yīng)變33%，油箱箍帶將發(fā)生失效。實(shí)際碰撞過程中也發(fā)生了箍帶斷裂導(dǎo)致油箱脫落的情況。因此，采用SPH法模擬油液可以有效提高輕卡碰撞CAE模型對(duì)標(biāo)水平。

2.2 后懸系統(tǒng)失效對(duì)標(biāo)

由于輕卡高速碰撞時(shí)產(chǎn)生的慣性力大，車輛正面撞擊剛性墻后端Pitch角更大，甩尾現(xiàn)象更加明顯，后懸系統(tǒng)容易失效掉落。因此，更改CAE模型中后懸掛設(shè)置方式，對(duì)后懸掛系統(tǒng)的材料設(shè)置失效應(yīng)變，達(dá)到此應(yīng)變的網(wǎng)格將被刪除，可以更準(zhǔn)確地模擬整車運(yùn)動(dòng)姿態(tài)。

2.3 車架變形模式對(duì)標(biāo)

車架變形模式與CAE模型的可靠性直接相關(guān)，根據(jù)基礎(chǔ)車型的高速碰撞結(jié)果，調(diào)整CAE模型車架前端的材料剛度，將吸能盒潰縮變形改為第一橫梁折彎變形，精確地復(fù)現(xiàn)該輕卡高速碰撞的變形模式，如圖5。

3 輕卡高速碰撞實(shí)物驗(yàn)證

3.1 加速度曲線相似度驗(yàn)證

經(jīng)過整車CAE模型對(duì)標(biāo)與修正，采用1.3所述的加速度曲線相似度評(píng)價(jià)方法，獲得B柱加速度CAE曲線與實(shí)驗(yàn)曲線如圖6，其中黑色為CAE曲線，紅色為實(shí)驗(yàn)曲線。曲線相似度高達(dá)96.5%，加速度曲線峰值時(shí)刻基本吻合、試驗(yàn)峰值優(yōu)于CAE峰值20g。

3.2 駕駛室變形侵入對(duì)標(biāo)驗(yàn)證

車輛的變形與完整性是一種辯證的關(guān)系，設(shè)計(jì)工程師需要精心設(shè)計(jì)并嚴(yán)格測(cè)試，以確保在發(fā)生碰撞時(shí)，車輛能夠在保護(hù)乘客安全的同時(shí)，通過合理的變形來吸收和分散碰撞能量。對(duì)于輕型卡車而言，駕駛室變形侵入是輕卡高速碰撞結(jié)構(gòu)完整性的評(píng)價(jià)指標(biāo)，變形侵入越大，碰撞后車門被擠壓不能打開的風(fēng)險(xiǎn)越高，同時(shí)乘員艙內(nèi)的生存空間越小。

駕駛室門框變形量差異小于20mm，A柱至座椅固定點(diǎn)相對(duì)位置變化量差異小于25mm（表2）。

4 總結(jié)

本文通過計(jì)算機(jī)輔助工程（CAE）技術(shù)，依據(jù)GB 11551，對(duì)某型號(hào)輕型卡車進(jìn)行碰撞仿真分析，以評(píng)估其在高速正面碰撞下的安全性能。通過建立精確的輕卡碰撞模型，設(shè)置燃油系統(tǒng)、后懸系統(tǒng)等失效條件，能夠有效地模擬實(shí)際碰撞場(chǎng)景，為車輛設(shè)計(jì)提供重要的安全性能指標(biāo)。

在對(duì)標(biāo)探索階段，研究采用了SPH模擬油液可以更準(zhǔn)確地復(fù)現(xiàn)碰撞形態(tài)，提出了基于ISO 18571標(biāo)準(zhǔn)的B柱加速度曲線相似度計(jì)算方法。

經(jīng)整車實(shí)物碰撞驗(yàn)證和比對(duì)，B柱加速度曲線相似度高達(dá)96.5%，加速度曲線峰值時(shí)刻基本吻合、試驗(yàn)峰值優(yōu)于CAE峰值20g，駕駛室門框變形量差異小于20mm，A柱至座椅固定點(diǎn)相對(duì)變形量差異小于25mm，證明對(duì)標(biāo)修正后的CAE模型在評(píng)估車輛安全性能方面具有較高的準(zhǔn)確性和可靠性。

本研究的意義在于，它不僅展示了GB 11551標(biāo)準(zhǔn)下輕卡碰撞CAE模型的開發(fā)和應(yīng)用流程，而且通過對(duì)標(biāo)探索，為輕卡的安全設(shè)計(jì)提供了科學(xué)依據(jù)和實(shí)踐指導(dǎo)。

基金項(xiàng)目：江西省重點(diǎn)研發(fā)計(jì)劃項(xiàng)目“復(fù)雜場(chǎng)景下新能源汽車碰撞數(shù)字孿生關(guān)鍵技術(shù)”（20232BBE50008）研究成果。

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