【技术帖】某商用车驾驶室结构碰撞仿真与优化研究

近年来,国内主机厂商及高校科研院所在商用车碰撞安全领域做了大量的研究。文献[4]对比分析了ECE R29—02和ECE R29—03法规的异同,通过仿真计算得到了商用车在ECE R29—03中的性能表现,并定性地提出了一系列结构改进措施。文献[5]通过模态测试与实车碰撞试验,验证了轻卡驾驶室有限元模型的准确性。针对侧面20°摆锤撞击试验中出现假人生存空间不足现象,通过顶部填充泡沫、增加顶部横梁等措施对驾驶室进行了改进。文献[6]为改善某轻卡的正面碰撞安全性能,基于析因设计方法筛选设计变量,采用最优拉丁超立方试验设计建立响应面模型,以质量不增加为约束条件进行驾驶室正面碰撞安全性优化设计。

目前我国现行法规采用GB 26512—2011《商用车驾驶室乘员保护》标准考察商用车安全性能,其沿袭自ECE R29—02商用车被动安全法规,但标准缺少对于商用车驾驶室A柱强度的考核,且正面碰撞能量要求较低,已不能满足我国商用车性能高速发展的现状。在此背景下,新版GB 26512—2021《商用车驾驶室乘员保护》标准已于2021年2月20日由国家市场监督管理总局和国家标准化管理委员会联合发布。相较于2011版国家标准,它的主要变化有:①增加了正面A柱撞击试验;②在正面撞击试验中,N3类车辆和总质量超过7 500 kg的N2类车辆,撞击能量增加为55 kJ;③对于N3类车辆和总质量超过7 500 kg的N2类车辆在顶部强度试验中,增加了驾驶室侧面摆锤20°撞击试验。新国标对我国商用车驾驶室的安全性能提出了更高的要求。

在新旧标准更替之际,以国产某型通过GB 26512—2011标准的某型载货车为研究对象,参照GB 26512—2021标准要求,将有限元分析与实车试验相结合,借助于Hypermesh和Ls-Dyna软件对目标商用车驾驶室进行碰撞仿真分析。针对顶压试验中出现乘员生存空间不足现象,以结构灵敏度与传递路径分析结果作为依据,对驾驶室进行结构优化设计。

汽车碰撞是典型的动态非线性问题,包含几何、材料和动态接触边界非线性,Ls-Dyna软件求解非线性结构动力响应的运动方程可表示为

(1)其中,M为质量矩阵;C为阻尼矩阵;K为刚度矩阵;F为外部载荷作用向量;at为物体的广义坐标向量。

Ls-Dyna处理碰撞问题时,运用显示积分法中的中心差分法进行求解计算,利用位移量来表示加速度与速度[7] :

这是为什么呢？因为孩子的成长需要这些东西，这些东西对他就像养分一样。比如说因为做了某件事情被老师罚站，孩子就会印象深刻，知道这事后面有一个秩序，要遵守游戏规则，不遵守就要受到惩罚，这样的经验很重要。

(2)

(3)将式(2)、式(3)代入式(1)中,得到离散时间点位移求解的递推式为

(4)碰撞力学系统中的各个节点都满足动量守恒、质量守恒和能量守恒定律[8]。

动量守恒定律可表示为(5)式中,σij 为柯西应力;ρ为物体瞬时密度;fi 为单位质量体积力;为物体加速度。

质量守恒定律表示为

(6)式中,ρ0为初始密度;为相对体积系数雅可比矩阵。

能量守恒定律可表示为

(7)式中,E为瞬时能量;Sij 为偏应力张量,为应变率张量;p为压力;q为体积黏性阻力;V为瞬时体积。

以国产模型载货车为研究对象,其驾驶室长、宽、高分别为2.35、2.5、3.2 m。驾驶室主要结构包括左右车门、侧围板、前面板、前风窗玻璃、后围板、地板、驾驶室内中控台以及转向机构等部件。其中,驾驶室四周围板以及车顶主要使用的材料是DC04,A柱以及驾驶室侧梁主要使用材料的则是B210P1。根据所选研究对象在HyperMesh的Ls-Dyna模板下建立驾驶室模型,模型包含驾驶室车身、前面板、仪表板横梁(Car Cross Beam,CCB)、仪表台、转向管柱、悬置、假人等。汽车碰撞是一个瞬态的复杂物理过程,它包含以大位移、大转动和大应变为特征的几何非线性,以材料弹塑性变形为特征的材料非线性和以接触摩擦为特征的边界非线性特征,因此需要采用非线性材料[9]。其中转向管柱采用20号(刚性材料、壳单元)材料模型,车身和车架等采用24号(弹塑性材料、壳单元)材料模型。焊点采用beam单元和100号材料模型,螺栓使用rigid连接。为防止边对边的渗透和所有的初始渗透,以实际的壳厚度设置为接触厚度,采用AUTOMATIC接触类型。驾驶室碰撞仿真有限元模型,如图1所示。

图1 驾驶室碰撞仿真有限元模型
Fig.1 Finite element model of cab collision simulation

根据 GB 26512—2021标准要求,对目标车型进行正面摆锤碰撞模拟,并对该车型进行实车正面摆锤碰撞试验。与2011版标准相比,仅调整了撞击能量为55 kJ,其他约束条件保持不变,故此处不再赘述。

正面摆锤碰撞试验结果与仿真结果的比较,如图2所示。车身保险杠上部变形情况基本一致,前挡风玻璃未破裂,主副驾车门均可顺利打开,假人具有足够的生存空间,该车顺利通过了正面摆锤碰撞试验。同时也验证了该驾驶室碰撞仿真模型的真实性,为后续碰撞仿真优化模拟建立了可靠的基础。

图2 正面摆锤碰撞试验结果
Fig.2 Collision test results of frontal pendulum

正面A柱摆锤撞击为GB 26512—2021新增项目,旨在模拟车辆在发生90°侧翻撞击路边栏杆导致A柱弯曲变形。研究对象为某国产载货车总质量8.8 t,标准中要求针对N2类车辆中总质量>7.5 t及N3类车辆,撞击能量为29.4 kJ。碰撞试验开始前,将座椅调到最后位置,确定座椅“R”点,调整假人,使假人“H”点与座椅“R”点重合,移动假人及座椅使座椅处于“试验H点”位置,约束车架与驾驶室悬置连接处的6个自由度,完成假人定位及车身约束后,根据试验工况构建模型进行加载,撞击器采用质量为1 000 kg,长为2 500 mm,直径为600 mm的圆柱体刚体壁垒进行模拟,调整撞击器使其重心在挡风玻璃上下边缘中心纵向平面上,初始速度根据动能定理E=1/2mv2,求得v=7.67 m/s,其中m=1 000 kg,E=29.4 kJ。如图3所示,建立碰撞仿真模型,采用Ls-Dyna求解器,求解时间为400 ms。在碰撞仿真终止后,根据图4查看假人是否与转向管柱、方向盘、仪表台发生接触,从而判定该项测试是否通过。

图3 正面A柱摆锤碰撞模型
Fig.3 Collision model of frontal A-pillar pendulum

图4 正面A柱碰撞云图
Fig.4 Nephogram of frontal A-pillar collision

表1及图5仿真结果表明,经正面A柱摆锤撞击碰撞后,方向盘、仪表台等均未与假人接触,驾驶室悬置系统未发生断裂,满足法规对驾驶室A柱碰撞的要求。

表1 正面 A 柱摆锤撞击仿真结果
Tab.1 Simulation results of frontal A-pillar pendulum impact

图5 正面A柱碰撞仿真结果
Fig.5 Simulation results of frontal A-pillar collision

GB 26512—2011中的顶部强度试验,仅考虑了车辆在发生180°滚翻时对驾驶室顶盖强度的要求,而忽略了在90°滚翻时驾驶室A柱部分变形对乘员生存空间的影响。基于此,新版标准对于N3类车辆以及总质量超过7 500 kg的N2类车辆在顶部静压试验的基础上,加入了驾驶室侧面摆锤20°撞击试验,且撞击能量不小于17.6 kJ。

在试验之前,首先将座椅调到最后位置,以确定座椅“R”点,调整假人,使假人“H”点与座椅“R”点重合,移动假人及座椅使座椅处于“试验H点”位置(中间最低位置),假人大腿分别向外侧转动20°角度。约束车架与驾驶室悬置连接处的6个自由度,导入加载装置模块。研究对象为某国产载货车,其总质量为8.8 t,因此加载包括两个阶段:第一阶段为侧面动态加载,第二阶段为顶部准静态加载。顶部强度试验两阶段加载示意图,如图6所示。侧面摆锤壁障质量为1 500 kg,长2 083 mm,宽1 852 mm。与驾驶室纵向中心平面成20°角,初始速度根据动能定理E=1/2mv2,从而求得v=7.67 m/s。顶部刚体壁障为平整矩形,其长2 054 mm,宽2 445 mm覆盖整个车顶部,顶压壁障施加Z向静态载荷,输出顶部加载模块与驾驶室接触力与时间曲线,查看接触力最大值,当其最大接触力不小于98 kN,或者大于前轴最大载荷,查看最大接触力对应的时刻,车顶部与假人头部之间是否存在接触,从而判定该项测试是否通过。

图6 顶部强度试验加载示意图
Fig.6 Loading diagram of top strength test

求解器采用Ls-Dyna,求解时间为650 ms,侧面动态加载和顶部准静态加载于一个模型中计算。侧面动态加载完成后,等待结构反弹0.05 s,开始顶部加载。侧面动态加载250 ms,给50 ms的结构反弹时间,于300 ms开始顶部加载,整个求解时间650 ms,侧面冲击完成之后,取消侧面撞击器与车身的接触设置。在顶部撞击器接触反力为98 000 N的对应时刻,如图7与表2所示碰撞仿真结果表明:在驾驶室顶部强度试验中,车身门窗上边缘侵入假人头部,假人左肩与车窗玻璃区域相接触,生存空间不足,无法保护乘员安全。

表2 仿真统计结果
Tab.2 Simulation statistical results

图7 生存空间检查
Fig.7 Living space inspection

针对顶部强度试验中假人生存空间不足,对驾驶室结构开展受力传递路径分析,提出相对应的改进方案,以期提升驾驶室的被动安全性能。

5.1 结构优化设计

灵敏度分析作为优化过程中的重要环节,通过分析结果来体现设计变量的改变对于整体结构响应的影响程度[10]。由于驾驶室的灵敏度分析为线性静态分析,其加载力的大小几乎不影响计算结果,故此处用10 000 N的集中载荷力模拟碰撞试验,这样可以一定程度分析每个工况下大部分零件的灵敏度,结果如图8所示。顶部加载、侧顶盖撞击工况均加载10 000 N的集中力,约束前后悬置6向自由度,如图9所示。

图8 结构灵敏度分析结果
Fig.8 Analysis results of structural sensitivity

图9 结构灵敏度工况设置
Fig.9 Structure sensitivity working condition setting

根据传力路径进行结构设计旨在发生碰撞时,通过材料、结构的合理变形,将碰撞区域的能量通过合理的传力路径转移到非碰撞区域,从而实现吸能的效果,增大车身的缓冲作用,以防止车内乘员受到二次碰撞,从而提高被动安全性能[11]。图10和图11分别为顶压传力路径和侧压传力路径图,结合图10、图11分析可知,顶压载荷主要通过顶盖上方横梁,将力传递到A柱、后围立柱结构,材料分布集中区域即为厚度需要加强位置;侧面摆锤载荷传力路径由上边梁,继续传导到A柱和后围。

图10 顶压传力路径图
Fig.10 Diagram of top pressure transmission path

图11 侧压传力路径图
Fig.11 Diagram of lateral pressure transmission path

5.2 优化方案仿真

结合上述的结构灵敏度分析和传力路径分析结果,对驾驶室结构进行了如下改进,优化方案如表3所示。

表3 优化方案示意图
Tab.3 Schematic diagram of optimization scheme

如图12所示,头顶与顶棚间的Z向距离在结构优化以后仿真结果为109.5 mm;头部与侧围内板Y向距离在结构优化以后仿真结果为149 ,具体对比结果见表4,结果显示均能达到新版标准中大于40 mm的要求。因此,改进后的驾驶室结构可以达到优化的目的。

表4 结构优化前后生存空间对比
Tab.4 Comparison of living space before and after structural optimization

图12 结构优化后生存空间
Fig.12 Living space after structural optimization

上述优化方案加强了驾驶室整体结构的刚度,优化了碰撞力的传递路径,通过碰撞试验验证了优化后驾驶室的安全性,有效保障了驾乘人员的生存空间。实验结果如图13所示,结果表明优化后的驾驶室在进行正面A柱碰撞试验以及顶部强度试验时,都能符合国家标准安全要求。

图13 实验验证
Fig.13 Experimental verification

本文将有限元仿真分析与实车碰撞实验相结合,针对顶部实验结果不符合碰撞安全标准的问题,提出驾驶室结构优化方案,并通过对优化后的结构进行仿真以及实车实验验证,主要结论如下:

1)将有限元分析与实车碰撞实验技术相结合,采用Hypermesh和Ls-Dyna对目标商用车驾驶室进行碰撞仿真,并通过实车碰撞试验验证了模型准确性。

2)通过正面摆锤碰撞仿真与试验结果表明,该车型的有限元模型精度较高,能够满足实际工程需求。

3)采取延长纵梁焊接、更改后围整体结构等改进措施,有效加强了驾驶室结构刚度,保障了驾乘人员充足的生存空间,有效提高了商用车驾驶室的被动安全性能。

4)改进后的驾驶室结构可以满足新标准对于碰撞的要求,为后续的车辆研发提供了一定的参考价值。