胡遠(yuǎn)志，劉 盼，劉 西

(重慶理工大學(xué) a.車輛工程學(xué)院; b.汽車零部件先進(jìn)制造技術(shù)教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，重慶 400054)

相關(guān)零部件強(qiáng)度對(duì)車頂抗壓性能的影響

胡遠(yuǎn)志a，b，劉 盼a，b，劉 西a，b

(重慶理工大學(xué) a.車輛工程學(xué)院; b.汽車零部件先進(jìn)制造技術(shù)教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，重慶 400054)

針對(duì)豐田Yaris車型，利用LS-DYNA軟件分析了A柱、B柱、上橫梁、頂蓋第一橫梁、頂蓋第二橫梁等部件厚度不同時(shí)的車頂抗壓性能，并用Matlab對(duì)仿真結(jié)果進(jìn)行了三次樣條曲線插值分析，得到了各部件料厚變化時(shí)車頂抗壓性能大小的曲線，以及各個(gè)部件對(duì)車頂抗壓性能的影響。

車頂抗壓性能;零部件厚度變化;插值分析;翻滾

汽車翻滾雖然發(fā)生的概率較低，但其致死率卻非常高。據(jù)統(tǒng)計(jì)，在美國(guó)，翻滾事故發(fā)生比例雖然只有2.4%，但事故死亡人數(shù)卻占總事故死亡人數(shù)的33%。在澳大利亞，這一數(shù)字為16.7%。又有統(tǒng)計(jì)表明:75%的翻滾事故都是單車事故，翻滾事故死亡人數(shù)占單車事故死亡人數(shù)的50%［1-2］。

汽車翻滾會(huì)對(duì)人體頸部、頭部、脊椎等造成嚴(yán)重傷害。汽車在高速行駛過程中撞擊護(hù)欄或者急速轉(zhuǎn)彎很容易造成翻車，車輛騰空后首先撞擊地面的是A柱上方［3］。因此，如果車頂抗壓強(qiáng)度不夠，則會(huì)造成車頂侵入過大，從而對(duì)乘員生存空間造成嚴(yán)重威脅。美國(guó)自20世紀(jì)80年代就出臺(tái)了聯(lián)邦機(jī)動(dòng)車標(biāo)準(zhǔn)216號(hào)(FMVSS 216)《轎車頂部抗壓強(qiáng)度》法規(guī)。按照?qǐng)D1所示加載裝置，在下表面侵入量不超過127 mm的情況下，要求SWR (strength-to-weight ratio)即加載裝置與被測(cè)車輛之間的接觸力和整車整備質(zhì)量之比達(dá)到1.5，F(xiàn)MVSS 216a新標(biāo)準(zhǔn)則要求質(zhì)量小于2.7 t的乘用車這一數(shù)值需要達(dá)到3.0。美國(guó)高速公路安全保險(xiǎn)協(xié)會(huì)(IIHS)又根據(jù)這一法規(guī)提出了評(píng)價(jià)體系:SWR在

4.0 以上為優(yōu)秀(GOOD);在3.25～4.0為可接受(ACCEPTABLE);在 2.5～3.25為最低限度(MARGINAL);在2.5以下為差(POOR)。評(píng)價(jià)等級(jí)見圖2。A-NCAP于2014年開始推行FVMSS所規(guī)定的試驗(yàn)方法，要求SWR達(dá)到2.5，并在2016年增加到3.25［4］。由此可見，在世界范圍內(nèi)，對(duì)SWR的要求趨于嚴(yán)格。

圖1 車頂抗壓試驗(yàn)裝置

圖2 IIHS評(píng)價(jià)等級(jí)

1 車頂抗壓仿真

本文根據(jù)FMVSS 216法規(guī)建立了2007款豐田Yaris車型頂部抗壓有限元模型。整車整備質(zhì)量為1 078 kg。在不改變各部件材料的情況下，以變換材料厚度的方法改變各部件強(qiáng)度，分析各部件不同強(qiáng)度對(duì)車頂抗壓性能的影響。

按照?qǐng)D3所示加載裝置，建立了1 829 mm× 762 mm的矩形平面，并按照法規(guī)要求調(diào)整該平面的角度，賦予MATL20剛性材料。剛性矩形平面中心最前點(diǎn)據(jù)車頂最前點(diǎn)為254 mm。仿真過程通過定義“*BOUNDARY_PRESCRIBED_MOTION _option”關(guān)鍵字的方法施以強(qiáng)制位移［5］。文獻(xiàn)［4］中指出:車頂抗壓試驗(yàn)中主要的承力部件為A柱(A pillar)、B柱(B pillar)、上橫梁(roof rail)、頂蓋第一橫梁(header rail)、頂蓋第二橫梁(cross member)，如圖4所示。因此，本文對(duì)這5個(gè)部件做了5個(gè)水平下的5組仿真。初始模型中A柱、B柱、上橫梁、頂蓋第一橫梁、頂蓋第二橫梁的材料厚度如表1所示。

圖3 車頂抗壓有限元模型

圖4 關(guān)鍵承力部件

表1 關(guān)鍵部件初始材料厚度

為了驗(yàn)證仿真的可靠性，將仿真結(jié)果與2007款豐田Yaris車型的試驗(yàn)數(shù)據(jù)［7］進(jìn)行了對(duì)比。對(duì)比結(jié)果如圖5所示。仿真與試驗(yàn)接觸力曲線基本保持一致，最大接觸力誤差也較小，因此認(rèn)為仿真模型可靠。

圖5 仿真與試驗(yàn)結(jié)果對(duì)比

為了分析各個(gè)部件材料厚度變化對(duì)車頂抗壓性能的影響，分別對(duì)這5個(gè)部件取1.0，1.2，1.5， 1.8，2.0 mm五個(gè)水平的厚度進(jìn)行仿真分析，仿真結(jié)果如圖6所示。

圖6 各部件不同材料厚度下接觸力曲線

從仿真結(jié)果可以得出如下結(jié)論:

1)接觸力達(dá)到峰值時(shí)的侵入量基本都在50 mm左右，結(jié)合試驗(yàn)數(shù)據(jù)(侵入量在60 mm左右達(dá)到峰值)，說(shuō)明侵入量在50～60 mm時(shí)車頂抗壓性能最佳。

2)在127 mm的侵入過程中，基本只有1個(gè)峰值。只有在B柱厚度增加到1.5 mm以上，侵入量達(dá)到90 mm時(shí)才出現(xiàn)第2個(gè)峰值，說(shuō)明B柱厚度增加到一定程度時(shí)車頂抗壓性能有一較大突變。

3)從每幅圖中5條曲線的貼合程度可以看出:上橫梁、B柱不同材料厚度的5條曲線變化較大，說(shuō)明上橫梁、B柱厚度變化對(duì)車頂抗壓性能影響較大。A柱及頂蓋第一橫梁不同材料厚度的5條曲線變化相對(duì)較小，說(shuō)明A柱、頂蓋第一橫梁厚度變化對(duì)車頂抗壓性能影響相對(duì)較小。而頂蓋第二橫梁的5條曲線幾乎完全貼合在一起，說(shuō)明頂蓋第二橫梁對(duì)車頂抗壓性能的影響較弱。

2 插值分析

為了更加直觀地看出5個(gè)承力部件不同厚度對(duì)車頂抗壓性能的影響，分別測(cè)出了5種厚度下接觸力的最大值(見表2)，并采用三次樣條曲線插值的方法對(duì)5組數(shù)據(jù)進(jìn)行插值分析，利用Matlab繪制出樣條曲線。

表2 不同厚度下的最大接觸力 kN

為構(gòu)造三次樣條曲線，將所得5個(gè)點(diǎn)分為4個(gè)區(qū)間，在每個(gè)子區(qū)間［xi，xi+1］上構(gòu)造三次多項(xiàng)式:

將A柱所得5個(gè)點(diǎn)代入公式可得如下多項(xiàng)式:

在Matlab中繪出該曲線，如圖7所示。

用相同的方法求得B柱、上橫梁、頂蓋第一橫梁、頂蓋第二橫梁的三次多項(xiàng)式。為了直觀地看出5個(gè)部件厚度變化對(duì)車頂抗壓強(qiáng)度的影響程度，現(xiàn)將5條曲線繪制在同一幅圖中，如圖8所示。

圖7 A柱插值曲線

圖8 各部件插值曲線

根據(jù)圖8可以得到如下結(jié)論:

1)B柱厚度增加對(duì)車頂抗壓性能有顯著影響，并且觀察曲線可知:當(dāng)厚度從1.1 mm增至1.7 mm時(shí)，抗壓性能的提升較為明顯，隨后趨于緩和。

2)上橫梁對(duì)車頂抗壓性能的影響隨厚度的增加呈先增后減，而后又增加的趨勢(shì)。基于經(jīng)濟(jì)性，并結(jié)合上橫梁初始厚度(1.5 mm)，可以考慮將其厚度降至1.1 mm左右。

3)A柱及頂蓋第一橫梁對(duì)車頂抗壓性能的影響隨厚度的增加提升較為緩慢，因此在車身設(shè)計(jì)過程中可以酌情考慮調(diào)整。

本文只仿真了單因素變化對(duì)車頂抗壓性能的影響，而對(duì)于多因素的組合變化(如厚度與結(jié)構(gòu)組合、不同部件厚度組合等)的影響還有待進(jìn)一步研究。

3 結(jié)束語(yǔ)

本文闡述了當(dāng)前對(duì)車頂抗壓性能的法規(guī)要求現(xiàn)狀，以改變相關(guān)部件厚度的方法分析了幾個(gè)關(guān)鍵部件對(duì)車頂抗壓性能的影響。結(jié)果表明:

1)入侵量在50～60 mm時(shí)車頂抗壓性能最佳。

2)B柱及上橫梁對(duì)車頂抗壓性能的影響較大，A柱、頂蓋第一橫梁的影響次之，頂蓋第二橫梁對(duì)其影響較弱。

3)B柱厚度增加到一定程度時(shí)車頂抗壓性能有一較大突變。

本文只對(duì)單因素的影響進(jìn)行了分析，而對(duì)于多因素的影響還有待進(jìn)一步研究。另外，本文只針對(duì)單一車型，對(duì)于其他車型的結(jié)構(gòu)是否也能得出相應(yīng)結(jié)論還有待進(jìn)一步驗(yàn)證。

［1］DOT，NHTSA.National Automotive Sampling System: Crashworthiness Data System Coding and Editing Manual Department of Transportation［Z］.National Highway Traffi c Safety Administration，2009.

［2］王威，禹慧麗，王文利.乘用車頂部抗壓強(qiáng)度研究［C］//2011第十四屆汽車安全技術(shù)學(xué)術(shù)會(huì)議論文集.北京:［出版者不詳］，2011.

［3］唐波，趙曉紅.某車型針對(duì)《乘用車頂部抗壓強(qiáng)度》的開發(fā)［J］.汽車與配件，2011(10):32.

［4］Bambach M R.Fibre composite strengthening of thin steel passenger vehicle roof structures［D］.Australia: University of New South Wales，2012.

［5］胡遠(yuǎn)志，曾必強(qiáng)，謝書港.基于LS-DYNA和 Hyperworks的汽車安全仿真與分析［M］.北京:清華大學(xué)出版社，2011.

［6］姚傳義.數(shù)值分析［M］.北京:中國(guó)輕工業(yè)出版社，2009.

［7］NHTSA Test C0438.Toyota Yaris 4-door sedan with 5° pitch，25°roll.National Highway Traffic Safety Administration(NHTSA)［S］.Vehicle Research and Test Center (VRTC)，Ohio，USA.2007.

(責(zé)任編輯劉 舸)

Influence of Related Components Strength on Roof Crush Resistance

HU Yuan-zhia，b，LIU Pana，b，LIU Xia，b
(a.College of Vehicle Engineering;b.Key Laboratory of Advanced Manufacturing Technology for Automobile Parts，Ministry of Education，Chongqing University of Technology，Chongqing 400054，China)

Based on the Toyota Yaris vehicle models，the roof crush resistance performance was simulated and analyzed under different thickness of A pillar，B pillar，roof rail，header rail and cross member by using LS-DYNA software.The simulation results were analyzed using three spline curve interpolation with Matlab.The curve of roof crush resistance performance was obtained with the material thickness changing of the components and the corresponding influence of components on roof crush resistance performance was analyzed.

roof crush resistance;material thickness changing;interpolation analysis;rollover

U463

A

1674-8425(2015)11-0006-05

10.3969/j.issn.1674-8425(z).2015.11.002

2015-04-22

重慶高校創(chuàng)新團(tuán)隊(duì)建設(shè)計(jì)劃資助項(xiàng)目(KJTD201319);重慶市教委科學(xué)技術(shù)研究項(xiàng)目(KJ130832)

胡遠(yuǎn)志(1977—)，男，博士，教授，主要從事汽車主被動(dòng)安全、CAE技術(shù)和耐久可靠性技術(shù)研究;通訊作者劉西(1977—)，女，博士，副教授，主要從事汽車主被動(dòng)安全、人機(jī)工程研究。

胡遠(yuǎn)志，劉盼，劉西.相關(guān)零部件強(qiáng)度對(duì)車頂抗壓性能的影響［J］.重慶理工大學(xué)學(xué)報(bào):自然科學(xué)版，2015 (11):6-10.

format:HU Yuan-zhi，LIU Pan，LIU Xi.Influence of Related Components Strength on Roof Crush Resistance［J］. Journal of Chongqing University of Technology:Natural Science，2015(11):6-10.