高大威,楊　帆,馮金芝

(上海理工大學(xué) 機(jī)械工程學(xué)院,上海　200093)

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輕卡駕駛室結(jié)構(gòu)特性的綜合仿真分析

高大威,楊帆,馮金芝

(上海理工大學(xué) 機(jī)械工程學(xué)院,上海200093)

摘要運(yùn)用MSC Nastran、Ls-Dyna等CAE分析軟件,對(duì)輕型卡車駕駛室的結(jié)構(gòu)特性進(jìn)行仿真分析。建立了輕卡駕駛室有限元模型,設(shè)置載荷及邊界條件,對(duì)輕卡駕駛室的模態(tài)、靜態(tài)剛度、靜態(tài)強(qiáng)度進(jìn)行分析及評(píng)價(jià)。同時(shí),根據(jù)ECE R29安全標(biāo)準(zhǔn)建立輕卡駕駛室耐撞性分析模型,對(duì)其進(jìn)行正面擺錘沖擊試驗(yàn),通過(guò)選取駕駛員側(cè)的相關(guān)參數(shù)進(jìn)行仿真。仿真結(jié)果表明,駕駛員腿部護(hù)板到座椅墊前端的水平距離大于假人模型大腿厚度,因此,能保證有足夠空間放置假人模型。

關(guān)鍵詞輕型卡車;駕駛室;結(jié)構(gòu)特性;耐撞性

Comprehensive Simulation Analysis of Structural Characteristics of Light Truck Cab

GAO Dawei,YANG Fan,FENG Jinzhi

(School of Mechanical Engineering,University of Shanghai for Science & Technology,Shanghai 200093,China)

AbstractThe comprehensive analysis method for cab structural characteristics of a light truck is investigated with CAE analysis software such as MSC.Nastran and Ls-Dyna.The FEA model of light truck cab is established and the loads and the boundary conditions are set up.Mode,stiffness,strength and crashworthiness characteristics of the cab are analyzed and evaluated systemically.Meanwhile,according to safety standard ECE R29,the model of the crashworthiness analysis of a light truck cab is established to perform the simulation of the positive pendulum impact test.The living space of the passengers in the cab is analyzed and evaluated,referring to alternating the relative data of the side of the driver.Simulation shows that the horizontal distance between the leg protection plate of the driver and the front end of the chair is bigger than the thickness of the thigh of the dummy model,which guarantees the space for the dummy model.

Keywordslight truck;cab;structural characteristics;crashworthiness characteristics

近年來(lái),由卡車引發(fā)的交通事故日益增加,因此提升輕型卡車的結(jié)構(gòu)安全性已成為普遍需求。同時(shí)乘用車市場(chǎng)遠(yuǎn)大于商用車市場(chǎng),所以對(duì)于輕型卡車的研究力度相對(duì)不足,缺乏相關(guān)經(jīng)驗(yàn)支持,而有限元仿真分析法能夠有效地評(píng)價(jià)車輛在振動(dòng)與噪聲、安全性等方面的性能,是汽車產(chǎn)品前期開發(fā)的重要手段。隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)的進(jìn)步,有限元仿真方法取得了長(zhǎng)足的發(fā)展[1],已可較好地為輕卡駕駛室結(jié)構(gòu)做出科學(xué)評(píng)價(jià),因此能大幅降低車輛研發(fā)費(fèi)用,縮短研發(fā)時(shí)間。本文以某輕卡駕駛室為基礎(chǔ),建立有限元模型,對(duì)其模態(tài)、靜態(tài)剛度、靜態(tài)強(qiáng)度以及耐撞性進(jìn)行分析。根據(jù)對(duì)輕卡駕駛室的仿真計(jì)算結(jié)果得出結(jié)論,為結(jié)構(gòu)優(yōu)化及安全性能的提高提供了一定的參考[2]。

1輕卡駕駛室仿真分析模型

1.1結(jié)構(gòu)分析模型

將駕駛室的幾何模型導(dǎo)入Hypermesh軟件中,并進(jìn)行幾何清理,主要為:刪除直徑<10 mm的小孔、凸臺(tái)、倒角、圓角等冗余幾何特征;刪除重合的面和線以及線上所包含的多余點(diǎn);縫合沒(méi)有公共邊的相鄰曲面。單元類型為PSHELL殼單元,網(wǎng)格尺寸為10 mm,以四節(jié)點(diǎn)的單元為主,三節(jié)點(diǎn)的單元主要是滿足網(wǎng)格在各處過(guò)渡的需求。其中板件之間的點(diǎn)焊用CWELD單元模擬,剛性連接則采用RBE2單元模擬;駕駛室與車架的連接采用三向彈性單元CBUSH來(lái)模擬橡膠懸置。圖1為輕卡駕駛室有限元模型,其網(wǎng)格節(jié)點(diǎn)數(shù)為178 503,網(wǎng)格單元數(shù)為170 402。

圖1　有限元模型網(wǎng)格圖

1.2耐撞性分析模型

將待測(cè)試車輛按照法規(guī)要求的方法固定好,將擺錘拉起至相應(yīng)撞擊能量的高度后釋放使其自由下落,撞擊駕駛室前部,以模擬駕駛室遭受正面撞擊的情況。與輕卡結(jié)構(gòu)分析模型有所不同,為提高計(jì)算精度同時(shí)兼顧計(jì)算時(shí)間,該模型碰撞區(qū)網(wǎng)格尺寸為8 mm,非碰撞區(qū)有限元網(wǎng)格為10 mm,駕駛室模型單元數(shù)為293 120,節(jié)點(diǎn)數(shù)為304 468,三角形單元比例為4.10%。駕駛室與車架的連接依然使用CBUSH彈簧單元。定義模型接觸類型為自動(dòng)單面接觸,摩擦系數(shù)設(shè)為0.15。

根據(jù)法規(guī)要求,擺錘撞擊能量為30 kJ,擺錘的質(zhì)量m=1500 kg,擺錘中心到擺臂旋轉(zhuǎn)軸線的垂直距離d=4 000 mm,擺錘高度b=800 mm,寬度a=2 500,擺錘有限元模型如圖2所示。由以上已知條件,計(jì)算出擺錘處于最低位置時(shí)的旋轉(zhuǎn)角速度為1.734 rad/s,主慣性矩Iyy=1.996e10,Ixx=2.077e10,Izz=8.125e8(單位均為kg·mm2)。有限元模型如圖2所示。

圖2　擺錘有限元模型

2輕卡駕駛室動(dòng)態(tài)特性分析

輕卡駕駛室振動(dòng)狀態(tài)下的動(dòng)態(tài)特性可由自由邊界條件下的模態(tài)來(lái)評(píng)價(jià),參數(shù)主要有各階模態(tài)頻率和振型。將模型通過(guò)MSC.Nastran軟件計(jì)算,可得到駕駛室的前十階模態(tài)頻率及振型,如表1所示。

表1　前十階模態(tài)分析

通過(guò)查閱文獻(xiàn)[4],汽車在正常路面上行駛時(shí)路面對(duì)汽車的激勵(lì)頻率一般為20 Hz,而駕駛室的一階模態(tài)頻率為29.2 Hz。因此駕駛室具有較好的動(dòng)態(tài)特性,且不易發(fā)生共振。

3輕卡駕駛室靜態(tài)特性分析

輕卡駕駛室的靜態(tài)特性包括靜態(tài)剛度和靜態(tài)強(qiáng)度,而靜態(tài)剛度對(duì)駕駛室可靠性的貢獻(xiàn)是最大的,約為60%。靜態(tài)剛度的典型工況有兩種:靜態(tài)彎曲和靜態(tài)扭轉(zhuǎn)。靜態(tài)強(qiáng)度則包括了4種工況:起動(dòng)、制動(dòng)、轉(zhuǎn)彎和一輪懸空。

3.1靜態(tài)剛度分析

3.1.1彎曲剛度

彎曲工況需約束駕駛室與車架連接處的6個(gè)自由度,并在兩塊座位地板上均布4個(gè)368 N的垂向載荷。彎曲剛度分析的載荷及邊界條件,如圖3所示。

圖3　彎曲工況下所施加的載荷及邊界條件

經(jīng)過(guò)有限元計(jì)算,得到了該輕卡駕駛室有限元模型在彎曲工況下的最大撓度,位于車座位正中間。經(jīng)測(cè)量最大撓度數(shù)值為-1.437 mm,則該輕卡駕駛室彎曲剛度為

3.1.2扭轉(zhuǎn)剛度

與彎曲剛度不同,扭轉(zhuǎn)工況下的剛度邊界條件是約束車身與車架的后兩個(gè)連接點(diǎn)6個(gè)自由度。在扭轉(zhuǎn)工況下所施加的載荷是在車身與車架連接點(diǎn)的前兩個(gè)點(diǎn)的位置施加大小相等、方向相反、距離汽車中心線等距的鉛垂力1 000 N。扭轉(zhuǎn)工況下的扭轉(zhuǎn)角和扭轉(zhuǎn)剛度結(jié)果如表2所示,扭轉(zhuǎn)工況下模型的載荷如圖4所示。

表2　扭轉(zhuǎn)工況下的扭轉(zhuǎn)角和扭轉(zhuǎn)剛度結(jié)果

圖4　扭轉(zhuǎn)工況下模型的載荷和邊界條件

該車身有限元模型扭轉(zhuǎn)工況下的扭轉(zhuǎn)角為0.317 4°,小于參考車型的最大扭轉(zhuǎn)角0.61°。通過(guò)文獻(xiàn)[4]可知,扭轉(zhuǎn)剛度滿足要求。

3.2靜強(qiáng)度分析

3.2.1靜強(qiáng)度的模型建立

由于輕卡車架會(huì)影響靜態(tài)強(qiáng)度各個(gè)工況下的應(yīng)力分布,在計(jì)算各工況時(shí)需要將車架加入到模型中。車架與駕駛室的連接為橡膠懸置連接,為更好地模擬這一懸置,選用了擁有X、Y、Z三向剛度的CBUSH單元來(lái)模擬懸置,并賦予了CBUSH單元PBUSH屬性,來(lái)定義其X、Y、Z三向的剛度[5]。同時(shí),模型中增加配重,配重以MASS質(zhì)量點(diǎn)的方式添加,其中包括動(dòng)力總成126 kg,載貨箱164 kg和駕駛室中兩個(gè)人的重量(每人75 kg),并準(zhǔn)確調(diào)整整車質(zhì)心點(diǎn)。

根據(jù)汽車行駛過(guò)程中的起動(dòng)、制動(dòng)、轉(zhuǎn)彎、一輪懸空4種工況建立各工況的載荷和邊界條件,如表3所示。

表3　靜態(tài)強(qiáng)度各工況約束及載荷

3.2.2各工況靜態(tài)強(qiáng)度分析

強(qiáng)度分析結(jié)果評(píng)價(jià)指標(biāo)主要考察各部件的最大應(yīng)力[6],若應(yīng)力值小于屈服極限的部件,則該部件滿足性能要求。剔除由于動(dòng)力總成,載貨箱,駕駛室中的駕駛員和乘客配重及其他原因所引起的應(yīng)力集中現(xiàn)象,現(xiàn)將模型中>100 Mpa的零件取出,列于表4中。應(yīng)力云圖如圖5～圖8所示。

表4　靜態(tài)強(qiáng)度分析結(jié)果

圖5　起動(dòng)及制動(dòng)下輪罩處應(yīng)力云圖

圖6　后懸置連接板的應(yīng)力云圖

圖7　轉(zhuǎn)彎下的后圍應(yīng)力云圖

圖8　一輪懸空下車架右側(cè)縱梁環(huán)套應(yīng)力云圖

駕駛室所用板件的材料以DC01為主,材料的屈服強(qiáng)度在195 Mpa,絕大多數(shù)零部件符合屈服強(qiáng)度要求,期中轉(zhuǎn)彎和一輪懸空工況完全滿足強(qiáng)度要求,而在起動(dòng)和制動(dòng)工況下,駕駛室的輪罩板件均超過(guò)了屈服極限,需進(jìn)行改進(jìn)。

4輕卡駕駛室耐撞性分析

我國(guó)輕型卡車多為平頭車,其結(jié)構(gòu)特點(diǎn)決定了一旦汽車遭遇正面撞擊時(shí),由于駕駛室的吸能緩沖距離短,對(duì)乘員造成傷害的可能性也會(huì)增加[7]。隨著輕卡導(dǎo)致傷亡事故的增加,輕卡駕駛室的安全性越來(lái)越受到關(guān)注[8]。輕卡駕駛室的安全特性主要考察輕卡駕駛室的正面耐撞性,要求駕駛室在經(jīng)受碰撞后變形能盡可能小,給駕駛室中的人員帶來(lái)足夠的生存空間,并考察碰撞過(guò)程中的能量變化及平衡情況。

4.1正面擺錘沖擊安全法規(guī)

本文采用歐洲經(jīng)濟(jì)委員會(huì)法規(guī) 《關(guān)于對(duì)商用車駕駛室乘員保護(hù)方面的車輛認(rèn)證的統(tǒng)一規(guī)定》(ECE R29),其是檢測(cè)商用車駕駛室安全性能的統(tǒng)一要求[9-10]。ECE R29安全標(biāo)準(zhǔn)描述了關(guān)于商用車駕駛室乘員保護(hù)方面認(rèn)證的統(tǒng)一規(guī)定,其主要目標(biāo)是在前部碰撞的情況下對(duì)駕駛室和懸架的連接裝置進(jìn)行評(píng)價(jià)以及對(duì)駕駛室的全面強(qiáng)度進(jìn)行評(píng)價(jià),目的是最大程度上降低對(duì)乘員的傷害,保證乘員的生存空間,這一生存空間應(yīng)能容納規(guī)定的人體模型。

4.2正面擺錘沖擊分析

約束擺臂懸掛點(diǎn)處X、Y、Z、RX、RZ方向自由度,使得擺錘僅能繞Y軸旋轉(zhuǎn)沖擊駕駛室。車架固定,約束方式與之前靜強(qiáng)度約束方式相同。

4.2.1駕駛室整體變形分析

碰撞開始后駕駛室第0 ms,100 ms時(shí)的變形如圖9所示,前圍、車架、儀表板管梁等機(jī)構(gòu)有效的阻止了擺錘的侵入,車門有一定的變形,但不要求車門在實(shí)驗(yàn)后必須開啟。駕駛室整體后移一段距離,保持了較完整的框架結(jié)構(gòu),這就為乘員擁有足夠的生存空間提供了必要的保證。

圖9　駕駛室總體變形

4.2.2乘員生存空間分析

在方向盤、座椅及腿部護(hù)板上取參考點(diǎn),如圖10所示。其中,A為駕駛員腿部生存空間;B為駕駛員腿部生存空間;C為駕駛員胸部生存空間。對(duì)于乘員生存空間的指標(biāo),是以50百分位男性假人模型不與車輛的非彈性部件發(fā)生接觸為準(zhǔn)。該指標(biāo)的最小值如表5所示,反映了車身結(jié)構(gòu)生存空間大小的特征尺寸,并根據(jù)特征尺寸的具體數(shù)值進(jìn)行車身結(jié)構(gòu)生存空間的分析評(píng)價(jià)。

表5　50百分位男性假人模型關(guān)鍵部位尺寸參數(shù)

圖10　駕駛員生存空間參考點(diǎn)示意圖

仿真計(jì)算結(jié)果如圖11和圖12所示,可看出駕駛員小腿生存空間最小值為185.00 mm,遠(yuǎn)大于模型膝蓋前后尺寸106 mm;駕駛員大腿生存空間最小值為174.53 mm,遠(yuǎn)大于模型大腿上下尺寸141 mm。腿部護(hù)板到座椅坐墊前端的水平距離大于假人模型大腿厚度,因此能保證有足夠的空間來(lái)放置假人模型。

圖11　腿部與坐墊前端水平距離

圖12　方向盤與坐墊之間垂直距離

參考點(diǎn)5與點(diǎn)6之間X方向距離即為駕駛員胸部生存空間,如圖13所示。

圖13　方向盤與座椅靠背之間水平距離

由圖13可看出,駕駛員胸部生存空間最小值為421.01 mm,遠(yuǎn)大于模型膝蓋前后尺寸230 mm。方向

盤到座椅靠背的水平距離大于假人模型的胸厚,故同樣能保證有足夠的空間來(lái)放置假人模型。因此,本文研究的輕卡駕駛室碰撞后的剩余生存空間能容納假人模型,符合法規(guī)要求。

5結(jié)束語(yǔ)

本文通過(guò)仿真軟件用有限元法分析并評(píng)價(jià)了輕卡駕駛室的靜、動(dòng)態(tài)特性及正面耐撞性。根據(jù)相應(yīng)法規(guī),賦予各個(gè)工況響應(yīng)的載荷及邊界條件,詳細(xì)闡述了模態(tài)、靜態(tài)剛度、靜態(tài)強(qiáng)度的分析結(jié)果,發(fā)現(xiàn)了在靜態(tài)強(qiáng)度的一些工況下,輪罩應(yīng)力值超過(guò)屈服極限的現(xiàn)象,指出了在結(jié)構(gòu)特性上的不足。同時(shí),在正面擺錘沖擊中分析了駕駛室整體變形情況,為輕卡車身結(jié)構(gòu)和被動(dòng)安全性能的研發(fā)提供了相應(yīng)的參考。

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中圖分類號(hào)TP391.9;U465.1

文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼A

文章編號(hào)1007-7820(2016)03-012-05

doi:10.16180/j.cnki.issn1007-7820.2016.03.004

作者簡(jiǎn)介:高大威(1979—),女,博士,講師。研究方向:車身現(xiàn)代化設(shè)計(jì)方法。楊帆(1988—),男,碩士研究生。研究方向:車身碰撞優(yōu)化分析。

基金項(xiàng)目:國(guó)家自然科學(xué)基金資助項(xiàng)目(51305269)

收稿日期:2015- 08- 03