劉森海 ，范政武 ，楊 輝

（1.江鈴重型汽車有限公司，山西 太原 030032，2.江鈴汽車股份有限公司，江西 南昌 330001）

1 引言

有關(guān)商用車碰撞安全的研究，國外開展的較早，并且已經(jīng)形成了三大主要的碰撞安全法規(guī)體系：歐洲經(jīng)濟(jì)委員會ECER29法規(guī)，瑞典VVFS2003：29法規(guī)，以及美國SAEJ2420/J2422法規(guī)[1]。國內(nèi)在借鑒歐洲ECER29-02法規(guī)的基礎(chǔ)上，出臺了《商用車駕駛室乘員保護(hù)》規(guī)定，并于2011年7月開始實施。在歐美等國對商用車安全事故的統(tǒng)計中，商用車正面碰撞與滾翻造成的傷亡最嚴(yán)重[1]。正面前圍撞擊過程中，車身部件能量吸收從大到小的排序是：地板，前圍，側(cè)圍。其中地板吸收能量的主要部件是縱梁和地板覆蓋板[3]。相比于頂蓋靜壓與后圍靜壓，前圍碰撞發(fā)生后，結(jié)構(gòu)發(fā)生潰縮的空間極為有限，因此前圍的碰撞研究與改善更為緊迫。

有關(guān)商用車碰撞安全方面的研究，某大學(xué)與一汽技術(shù)中心就前圍碰撞與頂蓋靜壓作了相關(guān)的試驗與仿真，提出增加板件之間封閉的空腔結(jié)構(gòu)，前圍橫梁與地板縱梁加強(qiáng)板，前圍吸能塊，改變懸置支架結(jié)構(gòu)與材料等方法，改善了前圍碰撞的安全性能[2-3]。目前，商用車駕駛室前圍使用吸能結(jié)構(gòu)的裝置還不多見，相關(guān)的試驗驗證也較為匱乏。針對某公司開發(fā)的一款“籠式”骨架結(jié)構(gòu)駕駛室進(jìn)行碰撞安全研究，檢驗這種支撐梁結(jié)構(gòu)駕駛室前圍碰撞的安全性能，就碰撞仿真分析結(jié)果提出改進(jìn)意見，通過仿真與試驗驗證，為后續(xù)的車身定型與改進(jìn)提供參考。

2 駕駛室結(jié)構(gòu)分析

研究樣車的駕駛室結(jié)構(gòu)，如圖1所示。該駕駛室由支撐梁骨架焊接而成，骨架結(jié)構(gòu)呈籠狀，在骨架基礎(chǔ)上覆蓋前圍、后圍、側(cè)圍、頂蓋和地板總成的覆蓋板，形成完整的白車身。

圖1 研究駕駛室結(jié)構(gòu)Fig.1 The Structure of Test Cab

該駕駛室前圍支撐梁結(jié)構(gòu)，如圖2所示。前圍支撐梁骨架主要由前圍上橫梁，前圍立柱，前圍下橫梁組成。前圍上、下橫梁兩側(cè)分別與A柱總成焊接，下橫梁與地板主縱梁焊接，保證了前圍與側(cè)圍、地板的良好銜接。前后駕駛室懸置分別安裝在地板主縱梁下端。

圖2 駕駛室前圍結(jié)構(gòu)Fig.2 The Structure of Cab Dash Panel

當(dāng)擺錘撞擊到前圍時，撞擊能量主要沿前圍上、下橫梁，一部分沿駕駛室前懸置，到達(dá)車架，另一部分沿地板主縱梁、地板邊梁、駕駛室后懸置到達(dá)車架的路徑傳遞，傳遞過程中前圍上、下橫梁，地板縱梁會發(fā)生彈性與潰縮形變，駕駛室前、后懸置后傾，從而吸收撞擊的主要能量，過程中不允許零部件的脫落，要求車內(nèi)乘客有充足的生存空間。

3 碰撞仿真分析

3.1 建模與仿真

按照歐標(biāo)ECER29-02與國標(biāo)GB26512-2011對擺錘撞擊試驗的要求，將試驗擺錘抬起到一定高度，釋放之后使之自由下落，在擺臂處于豎直位置時能以一定的能量撞擊駕駛室。

前圍擺錘撞擊分析中，將寬度為2500mm、高度為800mm、厚度為600mm，質(zhì)量為1500kg的擺錘采用工字梁擺臂懸吊在支架轉(zhuǎn)軸上，保證擺錘的重心點(diǎn)距轉(zhuǎn)軸3600mm，擺臂處于豎直位置時重心點(diǎn)應(yīng)在試驗車輛R點(diǎn)下方54mm處。保證擺錘的撞擊能量為44.1KJ。采用鐵制鏈條連接地面固定點(diǎn)與樣車底盤，確保駕駛室與地面剛性連接。仿真環(huán)境中，采用剛性連接限制樣車底盤的位移。調(diào)整座椅至中間位置，在駕駛與副駕駛處放置第50百分位的男性人體模型，使假人的H點(diǎn)與座椅R點(diǎn)重合。經(jīng)測算，試驗假人與車內(nèi)零部件的最小間距在假人膝蓋與轉(zhuǎn)向管柱之間，其最小間距是35mm。

對于仿真分析的前處理：（1）駕駛室采用HYPERMESHV12.0軟件建立有限元模型，有限元網(wǎng)格基本尺寸為10mm，模型共790013個單元格。（2）駕駛室模型中鈑金件采用SHELL單元，膠采用SOLID單元；車身板件之間的焊接采用Beam單元，材料為MAT100；彈塑性材料采用24號材料模式。（3）車身零部件之間的接觸采用AUTOMATICSINGLESURFACE接觸類型。不接觸設(shè)定為AUTOMATICSURFACETOSURFACE。采用LS-DYNA 971求解器進(jìn)行運(yùn)算，在D3PLOT12.0后處理軟件中分析仿真結(jié)果。

3.2 前圍撞擊仿真結(jié)果

從駕駛室結(jié)構(gòu)保持狀態(tài)，懸置連接狀態(tài)，試驗假人生存空間，車門的可開啟與否四個角度評價試驗結(jié)果如下：（1）撞擊后，前圍上、下橫梁，地板主縱梁都發(fā)生了形變，但未脫落，前圍的較大形變出現(xiàn)在前圍上橫梁，如圖4（a）所示。最大位移量為217mm；（2）駕駛室懸置向后傾斜，但未發(fā)生斷裂；（3）撞擊后，試驗假人腹部與方向盤距離為75mm，膝部與轉(zhuǎn)向管柱發(fā)生了干涉；（4）門框最大變形量小于30mm。從仿真結(jié)果，如圖4（a）所示，可知該駕駛室未發(fā)生破壞，零部件沒有掉落，懸置保持連接狀態(tài)，因此其整體結(jié)構(gòu)滿足設(shè)計要求，但前圍零部件與假人發(fā)生肢體接觸，前圍侵入方面不符合設(shè)計與標(biāo)準(zhǔn)要求。

4 安全性分析與優(yōu)化

通過對研究樣車的仿真分析可知，該支撐梁結(jié)構(gòu)駕駛室出現(xiàn)前圍部件與假人肢體干涉的情況。分析產(chǎn)生的原因，主要是在擺錘與前圍的接觸過程中，前圍上橫梁首先與擺錘接觸，在發(fā)生較大潰縮變形后，前圍下橫梁才與擺錘接觸，這導(dǎo)致過多的撞擊能量被前圍上橫梁吸收而不是經(jīng)前圍下橫梁至地板梁，導(dǎo)致前圍部件過多侵入駕乘人員的生存空間。因此接下來的優(yōu)化應(yīng)該從引導(dǎo)撞擊能量向前圍下橫梁轉(zhuǎn)移方面考慮，并適當(dāng)增加吸能部件。

參考國內(nèi)外的相關(guān)優(yōu)化方案，某大學(xué)與一汽技術(shù)中心研究人員提出在前圍結(jié)構(gòu)增加吸能塊的方案，在仿真驗證中取得良好的效果；奔馳汽車公司也在ACTROS重卡的前圍踏板箱上增加吸能裝置，并取得了良好的效果[3，6]。在綜合技術(shù)可行性與成本考慮后，提出增加前圍吸能盒結(jié)構(gòu)，來改善前圍的撞擊安全性。

4.1 前圍吸能盒結(jié)構(gòu)

將兩個左右對稱的吸能盒焊接在前圍下橫梁與地板主縱梁相接的前端，保證吸能盒潰縮吸收部分碰撞能量的同時，將大部分能量傳導(dǎo)至地板主縱梁和地板邊梁，經(jīng)前后懸置分散到底盤。

吸能盒是由四個潰縮板和一個迎撞板組成的封閉空腔結(jié)構(gòu)，如圖3所示。其中，潰縮板為內(nèi)凹結(jié)構(gòu)，用來引導(dǎo)潰縮沿凹向收縮的方向，由于上下左右都是內(nèi)凹結(jié)構(gòu)，保證其受到偏向這四個方向的撞擊時，吸能盒均能起到較好吸收撞擊能量的作用。潰縮板上沖壓有加強(qiáng)肋，使吸能盒保持一定的強(qiáng)度和剛度。

圖3 前圍吸能盒結(jié)構(gòu)Fig.3 The Structure of Cab Crash Box

4.2 前圍優(yōu)化驗證

將加入前圍吸能盒的有限元模型導(dǎo)入LS-DYAN再次碰撞分析。擺錘撞擊后，吸能盒發(fā)生了明顯的潰縮變形，吸能盒整體向上彎曲，迎撞板明顯內(nèi)凹，說明前圍吸能盒較明顯地吸收部分碰撞能量。檢查撞擊后的應(yīng)變云圖，吸能盒與前圍下橫梁連接處的應(yīng)力應(yīng)變值處于安全范圍，前圍整體應(yīng)變量滿足設(shè)計要求。對比增加吸能盒前后前圍的潰縮量，前圍上下橫梁的位移量有明顯下降，前圍上橫梁最大減少了60mm的潰縮，如圖4（b）所示。分析假人生存空間可知，試驗假人沒有與車內(nèi)零部件發(fā)生肢體接觸，試驗假人腹部與方向盤距離為116mm，膝部與轉(zhuǎn)向管柱間距為2.6mm。分析撞擊能量變化曲線發(fā)現(xiàn)，擺錘撞擊過程中，動能與內(nèi)能的轉(zhuǎn)換大約持續(xù)了38ms，如圖5所示。這個時間歷程大于了國內(nèi)同類車型24ms左右的水平[4]，說明試驗樣車碰撞能量吸收較為平緩，不會因加速度過大對駕駛員產(chǎn)生傷害。

圖4 撞擊后應(yīng)變云圖對比Fig.4 The Contrast of Strain Cloud Pictures

圖5 撞擊后能量轉(zhuǎn)換圖Fig.5 Transition Diagram of Crash Energy

綜上仿真優(yōu)化結(jié)果表明，該駕駛室前圍經(jīng)擺錘撞擊后，滿足安全法規(guī)要求。接下來將在實車試驗中驗證這種優(yōu)化的效果。

5 擺錘撞擊試驗驗證

裝配出滿足試驗要求的樣車按照國標(biāo)GB26512-2011與歐標(biāo)ECER29-02要求進(jìn)行實車試驗。

試驗中，擺錘抬起角度為64°，對應(yīng)撞擊能量為44.7kJ。車架與試驗臺采用鐵鏈剛性連接。

圖6 實車駕駛室部件形變Fig.6 The Deformation of Crash Test

擺錘撞擊試驗結(jié)果如下：（1）撞擊后，前圍吸能盒，上下橫梁發(fā)生潰縮變形但未潰散，駕駛室地板梁發(fā)生上折彎曲，如圖6所示。（2）駕駛室懸置向后傾斜，沒有發(fā)生斷裂；（3）試驗假人沒有與車內(nèi)零部件發(fā)生肢體接觸，撞擊后的駕駛室有足夠的生存空間。試驗假人腹部與方向盤距離為101mm，膝部與轉(zhuǎn)向管柱間距為2.1mm；（4）撞擊過程中車門沒有打開，撞擊后車門可以開啟。綜上試驗結(jié)果表明，該駕駛室可以滿足碰撞法規(guī)要求。對比仿真與試驗的結(jié)果可以發(fā)現(xiàn)：（5）在駕駛室前圍結(jié)構(gòu)局部形變上，仿真結(jié)果與試驗結(jié)果變形趨勢相同，形變接近；（6）擺錘撞擊后，實車試驗中，假人腹部與方向盤間距為101mm，仿真結(jié)果為116mm，仿真誤差為15%。實車試驗中，假人膝部與轉(zhuǎn)向管柱間距為2.1mm，仿真間距為2.6mm，仿真誤差為25%。基于以上分析，可以認(rèn)為仿真結(jié)果具有一定的可信性。

6 結(jié)論

從仿真分析角度對“籠式”支撐梁駕駛室進(jìn)行前圍擺錘碰撞測試，驗證該結(jié)構(gòu)良好整體安全性能的同時，揭露該駕駛室前圍存在干涉假人生存空間的隱患。借鑒國內(nèi)外的優(yōu)化經(jīng)驗，提出了前圍吸能盒設(shè)計，在后續(xù)的仿真分析中驗證了這種吸能盒吸收碰撞能量并引導(dǎo)能量向駕駛室地板梁轉(zhuǎn)移的效果，優(yōu)化后的前圍碰撞位移量有大幅度降低。

從實車試驗角度對改進(jìn)后的駕駛室前圍安全性能進(jìn)行了分析，試驗結(jié)果表明，該駕駛室可以滿足國內(nèi)安全法規(guī)的要求，其前圍吸能盒能明顯吸收部分碰撞能量。對比仿真與試驗的結(jié)果，在駕駛室局部變形趨勢與假人生存空間方面，仿真與試驗的誤差可以保持在25%以內(nèi)，證明該仿真模型達(dá)到了一定的可信度。