周云

摘 要：通過對側(cè)面碰撞試驗中出現(xiàn)的門護(hù)板破裂情況進(jìn)行分析，將整車側(cè)面碰撞時車門內(nèi)鈑金的變形簡化，建立了一種可以再現(xiàn)整車側(cè)面碰撞時門護(hù)板破裂的試驗方法。對汽車門護(hù)板總成進(jìn)行側(cè)面碰撞CAE分析，并依據(jù)此方法進(jìn)行了實際的門護(hù)板試驗，其結(jié)果顯示的破裂與整車試驗中出現(xiàn)的門護(hù)板破裂具有較好的一致性。該門護(hù)板試驗方法易于實現(xiàn)，可以滿足實際工程應(yīng)用，為減小門護(hù)板在側(cè)面碰撞中出現(xiàn)破裂的風(fēng)險提供了科學(xué)依據(jù)，為驗證門護(hù)板在側(cè)面碰撞中的安全性提供了新的方法。

關(guān)鍵詞：側(cè)面碰撞；CAE；門護(hù)板破裂；試驗方法

中圖分類號：U463.83+4 文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A 文章編號：1005-2550（2017）04-0035-05

Abstract： Based on the analysis of the door trim breakage occurred in the side impact test， and simplified the deformation of the inner metal sheet， a door trim side impact test method which could reproduce the breakage of the door trim was established. Simulated the door trim system side impact test by CAE， and then the side impact tests were conducted， the result showed good correlation of the door trim breakage between the door trim test and the full vehicle test. This door trim test method can be easily applied in engineering， and it can provide scientific basis to reduce the risk of the door trim breakage occurring in the side impact， and it is a new way to validate the safety of the door trim in the side impact test.

Key Words： side impact； CAE； breakage of door trim； test method

引 言

汽車碰撞安全歷來是各主機廠關(guān)注的重點內(nèi)容，而汽車側(cè)面碰撞則是汽車碰撞安全的重要考核項之一，國家標(biāo)準(zhǔn)GB20071-2006[1]制定了專門的試驗規(guī)程和要求來考核汽車側(cè)面碰撞的安全性。標(biāo)準(zhǔn)中對側(cè)面碰撞的安全性分為兩類指標(biāo)進(jìn)行衡量，其一是車內(nèi)乘員的性能指標(biāo)，即頭部、胸部、腹部、骨盆的性能值；其二是特殊要求，主要包含非性能指標(biāo)的一些要求，其中要求“所有內(nèi)部構(gòu)件在脫落時均不得產(chǎn)生鋒利的突出物和鋸齒邊，以防止增加傷害乘員的可能”[1]。目前，針對第一種考核指標(biāo)，已有較為深入的研究，針對門護(hù)板系統(tǒng)也有成熟的零部件試驗方法進(jìn)行考察。董學(xué)勤等[2]通過計算機仿真，對車門內(nèi)飾板相關(guān)部位的結(jié)構(gòu)和側(cè)面氣囊進(jìn)行了改進(jìn)優(yōu)化，并進(jìn)行了零部件試驗的驗證。曲杰等[3]參照國家標(biāo)準(zhǔn)和行業(yè)規(guī)范，對某企業(yè)門護(hù)板進(jìn)行了仿真分析和試驗，并以此為基礎(chǔ)對緩沖塊進(jìn)行結(jié)構(gòu)優(yōu)化。但針對門護(hù)板破裂時產(chǎn)生的鋒利突出物和鋸齒邊的研究并不多見，除了在實車碰撞試驗上進(jìn)行驗證外，基于零部件試驗的門護(hù)板系統(tǒng)考察方式還沒有形成成熟、統(tǒng)一的意見。

本文基于整車側(cè)面碰撞試驗，探索了可能導(dǎo)致門護(hù)板在側(cè)面碰撞過程中的發(fā)生破裂的因素。針對某車型，進(jìn)行了門護(hù)板子系統(tǒng)CAE碰撞模擬，對可能造成門護(hù)板破裂的原因進(jìn)行了分析，并結(jié)合零部件試驗和實車碰撞試驗，對在側(cè)面碰撞過程中發(fā)生的門護(hù)板破裂問題進(jìn)行了研究和驗證。

1 整車側(cè)面碰撞試驗結(jié)果分析

所選車型按照C-NCAP側(cè)面碰撞標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行整車側(cè)面碰撞試驗，圖1為碰撞后的前左門護(hù)板。從圖1中可以看到碰撞后門護(hù)板有破裂，破裂處對著假人腿部，碰撞過程中裂紋上下部分錯開可能導(dǎo)致人體被割傷。因為此破裂范圍較大，其位置又處于攝像機死角，很難從整車試驗過程中判斷出導(dǎo)致門護(hù)板破裂的原因，所以有必要在門護(hù)板試驗中重現(xiàn)此破裂，研究導(dǎo)致其破裂的主要原因，便于進(jìn)行有效的改善。

2 側(cè)面碰撞中門護(hù)板發(fā)生破裂的可能因素

側(cè)面碰撞時門護(hù)板受到車門鈑金的沖擊發(fā)生變形并撞向乘員，由于車門鈑金和乘員身體的加速度不同，車門鈑金受到壁障塊的沖擊，產(chǎn)生朝向車內(nèi)的較高的加速度，而乘員身體在此刻靜止，加速度為零。門護(hù)板安裝在車門鈑金上，跟隨車門鈑金一起運動，在接觸到車內(nèi)乘員后，由于加速度的不同而受到車門鈑金和乘員的擠壓。在此過程中門護(hù)板可能發(fā)生局部破裂，形成“鋒利的突出物或鋸齒邊”對人體產(chǎn)生傷害，最可能造成此問題的原因有兩點：

一， 在車門內(nèi)鈑金向車內(nèi)變形過程中，鈑金在局部發(fā)生劇烈變形，發(fā)生斷裂，斷裂處有較突出的尖銳物刺穿門護(hù)板而導(dǎo)致門護(hù)板破裂，例如鈑金局部折彎或斷裂產(chǎn)生的尖角；或者是車門內(nèi)的零件本身有較硬且尖銳的角，在碰撞過程中受到車門鈑金的推擠而刺穿門護(hù)板，例如車門內(nèi)電線接頭。

二， 車門內(nèi)鈑金變形過大，導(dǎo)致門護(hù)板變形很大，同時門護(hù)板又受到車內(nèi)人體或座椅等環(huán)境件的阻礙，使其局部發(fā)生劇烈變形，產(chǎn)生的應(yīng)變可能超出其自身的斷裂極限應(yīng)變值，此時門護(hù)板發(fā)生破裂，破裂過程中可能形成尖銳的突出物或鋸齒邊對人體產(chǎn)生傷害。

當(dāng)門護(hù)板因尖銳物刺穿時，可以很容易的發(fā)現(xiàn)造成破裂的尖銳物，這樣就很容易進(jìn)行改善；但當(dāng)門護(hù)板因車門內(nèi)鈑金變形過大而造成破裂時，由于裂紋的擴展，很難從實際樣件上找出導(dǎo)致門護(hù)板破裂的具體位置，因此，不借助其他工具和方法就很難去進(jìn)行針對性的改善。

3 門護(hù)板總成CAE仿真

3.1 門護(hù)板總成模型建立

基于LS-DYNA建立門護(hù)板網(wǎng)格模型[4]，模型包含門護(hù)板總成，車門內(nèi)鈑金和沖擊塊。其中車門內(nèi)鈑金中部挖空，只保留與門護(hù)板配合的翻邊和卡扣孔；沖擊塊為變形后的車門內(nèi)鈑金局部和車內(nèi)假人人體和座椅等環(huán)境件。模型均采用殼單元，焊點采用梁單元。

材料選擇如下：鈑金件與沖擊塊采用金屬，門護(hù)板各零件采用塑膠材料，根據(jù)LS-DYNA提供的材料模型：

1）沖擊塊和鈑金選用20號材料（*MAT_RIGID）， 沖擊塊的剛性遠(yuǎn)大于門護(hù)板，在試驗過程中沖擊塊的變形相較于門護(hù)板的變形可忽略不計。

2） 門護(hù)板各零件采用24號材料（*MAT_ PIECEWISE_LINEAR_PLASTICITY），該模型可以考慮應(yīng)變率對材料強度的影響。基于ISO527-2，進(jìn)行不同應(yīng)變率下的拉伸試驗，得到各應(yīng)變率下塑膠材料的真實應(yīng)力-真實應(yīng)變曲線，轉(zhuǎn)換為有效應(yīng)力應(yīng)變曲線后輸入。

3）焊點采用67號材料（*MAT_NONLINEAR_ ELASTIC_DISCRETE_BEAM），該模型可以模擬焊點的斷裂行為。焊點試樣在拉伸試驗下測得其拉伸極限值為150N。

在模型中設(shè)置自動面面接觸（*CONTACT_ AUTOMATIC_SURFACE_TO_SURFACE）來模擬沖擊塊與門護(hù)板的接觸，設(shè)置自動單面接觸（*CONTACT_AUTOMATIC_SINGLE_SURFACE）來模擬門護(hù)板自身的接觸。

3.2 門護(hù)板側(cè)侵入CAE分析

在實車碰撞中，車門鈑金會發(fā)生變形，但在進(jìn)行門護(hù)板試驗時，沖擊塊的形狀已經(jīng)考慮了鈑金的變形，因此根據(jù)設(shè)定，車門內(nèi)鈑金施加固定約束。沖擊塊分別沿Y方向以恒定速度和預(yù)設(shè)位移沖擊門護(hù)板，預(yù)設(shè)位移為實車碰撞中內(nèi)鈑金相對門護(hù)板的變形量，沖擊速度和沖擊塊位移由整車CAE分析得出，其過程示意如圖2所示：

通過LS-DYNA對模型求解后，觀察沖擊后門護(hù)板的變形情況是否與整車碰撞試驗一致，驗證CAE模型。經(jīng)調(diào)試后，門護(hù)板CAE分析結(jié)果中的門護(hù)板變形與整車碰撞試驗中門護(hù)板變形的主要特征一致，兩者符合性較好，如圖3所示：

3.3 門護(hù)板破裂原因分析

CAE分析結(jié)果中門護(hù)板變形狀態(tài)下應(yīng)力分布圖顯示，門護(hù)板扶手外蓋前端焊接柱根部存在應(yīng)力集中現(xiàn)象，此處應(yīng)變值較高，存在較高的破裂風(fēng)險。同時，扶手外蓋中部存在一條應(yīng)力帶，該區(qū)域應(yīng)力值明顯高于其他區(qū)域，且應(yīng)力帶位置與整車試驗中裂痕吻合。此高應(yīng)力區(qū)域分別與車內(nèi)乘員腿部和鈑金內(nèi)玻璃升降電機相對，在碰撞過程中門護(hù)板由于沖擊塊的沖擊而向車內(nèi)變形，而電機處的變形較大，當(dāng)門護(hù)板與乘員腿部接觸后，在電機和成員腿部的作用下，此處門護(hù)板受到嚴(yán)重的擠壓，使其在局部發(fā)生了劇烈的變形。而門護(hù)板在此處正好存在焊接柱，由于焊接柱本身較強，難以發(fā)生變形，因此在較弱的焊接柱根部形成了應(yīng)力集中。而同時由于乘員腿部阻止了扶手外蓋向車內(nèi)的平移，扶手外蓋形成了繞乘員腿部的翻轉(zhuǎn)，在翻轉(zhuǎn)處變形較大，形成了應(yīng)力帶。因此，門護(hù)板的破裂可能從扶手外蓋前端焊接柱根部開始，然后沿著應(yīng)力帶延伸開，如圖4所示：

4 門護(hù)板總成側(cè)面侵入試驗

4.1 試驗設(shè)備

門護(hù)板側(cè)侵入試驗夾具和沖擊塊系統(tǒng)分別如圖5所示。其中夾具為中空結(jié)構(gòu)，周邊設(shè)置與門護(hù)板卡扣固定的安裝孔，用于固定門護(hù)板；沖擊塊系統(tǒng)分為沖擊頭和沖擊塊支架，其中沖擊頭為鋁合金，其形狀分別與變形的門內(nèi)鈑金局部和車內(nèi)環(huán)境件一致，與門護(hù)板的相對位置在模型中測得。將沖擊頭分置于門護(hù)板兩側(cè)組成沖擊塊模組，用于模擬碰撞過程中車門鈑金和車內(nèi)假人及其他環(huán)境件；沖擊塊支架用于安裝和固定沖擊頭。

試驗通過液壓系統(tǒng)提供動力驅(qū)動沖擊塊對門護(hù)板進(jìn)行沖擊，通過控制電腦對沖擊塊的沖擊行程和沖擊速度進(jìn)行設(shè)定，采用速度傳感器和加速度傳感器對沖擊塊的速度、位移和反力進(jìn)行測量和監(jiān)控。

4.2 試驗過程

1） 將夾具通過螺栓和壓塊固定于試驗臺上。

2） 將沖擊塊系統(tǒng)按預(yù)設(shè)位置分別放置于夾具兩側(cè)并進(jìn)行校準(zhǔn)，再將沖擊塊支架固定于試驗臺上。

3） 將液壓缸推桿與沖擊塊模組進(jìn)行對接。

4） 將門護(hù)板安裝到夾具上，按預(yù)設(shè)的速度和順序驅(qū)動沖擊塊模組對門護(hù)板進(jìn)行沖擊。

5） 觀察沖擊后門護(hù)板的狀態(tài)。

6） 試驗過程中通過數(shù)據(jù)采集儀對沖擊塊的速度和位移進(jìn)行采集和記錄。

7） 因為試驗中沖擊塊的沖擊速度很快，需要使用高速攝像機對實驗過程進(jìn)行錄影，便于后期進(jìn)行解析。

試驗工裝總成如圖6所示：

4.3 試驗結(jié)果

門護(hù)板系統(tǒng)試驗結(jié)果顯示，在試驗后門護(hù)板扶手外蓋焊接柱根部破裂，如圖7所示。此破裂位置與整車試驗中門護(hù)板破裂位置一致，但與整車試驗不同的是，在整車試驗中裂痕的長度更長，而在門護(hù)板系統(tǒng)試驗中裂痕僅有一小段。造成此差異的可能原因在于在整車試驗中，門護(hù)板上的出現(xiàn)破裂后，車門的變形還在持續(xù)進(jìn)行，裂痕繼續(xù)擴展；而在門護(hù)板系統(tǒng)試驗中，僅能模擬裂痕出現(xiàn)的最初階段，由于受到試驗條件的限制，無法模擬裂痕擴展階段。但結(jié)合CAE分析中的應(yīng)力分布情況，可以判斷出裂痕的發(fā)展趨勢是與整車碰撞中一致的。這種設(shè)置雖然沒有完全模擬出整車碰撞試驗中門護(hù)板的破裂情況，但能夠確定破裂形成的起始點和具體原因，為改善方案提供了準(zhǔn)確的科學(xué)依據(jù)。

5 結(jié)論

以某車型在整車側(cè)面碰撞過程中門護(hù)板的破裂為例，結(jié)合CAE仿真分析，將車門內(nèi)鈑金的變形簡化為多個沖擊塊的位移，以此制定門護(hù)板試驗方法并進(jìn)行了有效的驗證。該門護(hù)板試驗方法可以再現(xiàn)門護(hù)板在整車中出現(xiàn)的破裂情況，而且此方法易于實現(xiàn)，可以滿足實際工程應(yīng)用的需要。該方法為在門護(hù)板系統(tǒng)設(shè)計工作中降低假人受到的傷害風(fēng)險提供了科學(xué)的依據(jù)，為進(jìn)一步提升門護(hù)板在側(cè)面碰撞中的安全性能提供了新的驗證途徑和參考。

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