楊蔚

摘 要：隨著我國(guó)經(jīng)濟(jì)的不斷高速增長(zhǎng)，商用車(chē)行業(yè)得到了飛速發(fā)展。其中，輕型商用車(chē)占到商用車(chē)市場(chǎng)的一半。輕型商用車(chē)的保有量的大幅增加，帶來(lái)道路交通事故的頻發(fā)。為應(yīng)對(duì)國(guó)民經(jīng)濟(jì)對(duì)物流和出行的更高要求，如何提高輕型商用車(chē)碰撞安全性能成為重要的研究課題。本文主要研究《GB 11551-2014 汽車(chē)正面碰撞的乘員保護(hù)》關(guān)于N1類車(chē)型碰撞安全要求，重點(diǎn)闡述N1類商用車(chē)與M1類乘用車(chē)型安全性要求差異。然后以國(guó)內(nèi)某款輕型商用車(chē)為例，闡述使用有限元方法進(jìn)行建模和碰撞仿真，優(yōu)化設(shè)計(jì)整車(chē)安全性能，以滿足碰撞法規(guī)的要求。從整車(chē)碰撞試驗(yàn)的結(jié)果可以看出，該款輕型商用車(chē)的安全性能滿足國(guó)標(biāo)要求。

關(guān)鍵詞：輕型商用車(chē);碰撞安全;有限元;精度和可靠性

1 前言

近年來(lái)，我國(guó)汽車(chē)工業(yè)發(fā)展迅速，道路交通的逐漸普及及公共物流的快速成長(zhǎng)，給國(guó)內(nèi)商用車(chē)的發(fā)展帶來(lái)契機(jī)，商用車(chē)的銷(xiāo)量和市場(chǎng)保有量也在持續(xù)增加，其中，輕型商用車(chē)的銷(xiāo)量明顯大于中大型商用車(chē)。商用車(chē)的安全性能研發(fā)相對(duì)乘用車(chē)滯后，其發(fā)生安全事故時(shí)，乘員傷亡率較高，且商用車(chē)前部的緩沖區(qū)域相對(duì)乘用車(chē)普遍偏小，因而對(duì)于輕型商用車(chē)的碰撞安全性能研究就顯得尤為重要。關(guān)于商用車(chē)碰撞安全研究，國(guó)外開(kāi)展較早，Gendar[1]基于ECE R29[2]法規(guī)詳細(xì)研究了某商用車(chē)的碰撞性能，并將CAE技術(shù)引入到傳統(tǒng)駕駛室的開(kāi)發(fā)。Dwivedi[3]開(kāi)發(fā)一種可限制駕駛室變形的保護(hù)裝置，大大提高正面碰撞安全性能。國(guó)內(nèi)于近年開(kāi)展了大量研究，如王登峰[4]等人對(duì)商用車(chē)駕駛室進(jìn)行正面擺錘撞擊研究。徐中明等[5]對(duì)某重型越野車(chē)進(jìn)行基于靈敏度的輕量化研究。陸善彬等[6]研究了某商用車(chē)碰撞過(guò)程最小生存空間的評(píng)價(jià)問(wèn)題。

本文以輕型商用車(chē)為研究對(duì)象，根據(jù)《GB11551-2014》[7]對(duì)N1類車(chē)碰撞安全性能要求進(jìn)行解讀，并簡(jiǎn)要介紹其與M1類車(chē)安全性能的差異。再以國(guó)內(nèi)某款典型輕型商用車(chē)為例，結(jié)合計(jì)算機(jī)輔助工程（CAE）方法進(jìn)行整車(chē)碰撞性能的研究。最后基于實(shí)車(chē)試驗(yàn)進(jìn)行仿真模型與試驗(yàn)的數(shù)據(jù)對(duì)比，驗(yàn)證仿真模型的一致有效性。

2 N1類GB11551-2014碰撞安全解讀

N1類汽車(chē)指最大設(shè)計(jì)總質(zhì)量不超過(guò)3500kg的載貨汽車(chē)（主要包括微卡、輕卡、廂式貨車(chē)、皮卡等），碰撞安全主要包括車(chē)身安全要求及乘員安全要求。

2.1 車(chē)身安全要求

N1類車(chē)輛車(chē)身安全要求主要為：

a）在試驗(yàn)過(guò)程中，車(chē)門(mén)不得開(kāi)啟;

b）在試驗(yàn)過(guò)程中，前門(mén)鎖止系統(tǒng)不得發(fā)生鎖止;

c）碰撞試驗(yàn)后，除支持假人質(zhì)量的必要工具外不能使用其他工具，應(yīng)能：

1.對(duì)應(yīng)于每排座位，若有門(mén)，至少有一個(gè)能打開(kāi)。如果沒(méi)有門(mén)，移動(dòng)座椅或改變座椅靠背位置使得所有乘員能夠撤離。

2.將假人從約束系統(tǒng)中解脫時(shí)，如果發(fā)生了鎖止，通過(guò)在松脫位置上施加不超過(guò)60N的壓力，該約束系統(tǒng)能被打開(kāi)。

3.不調(diào)整座椅，從車(chē)中完好取出假人。

4.在碰撞過(guò)程中，燃油供給系統(tǒng)不應(yīng)發(fā)生泄漏。

5.碰撞試驗(yàn)后，若燃油供給系統(tǒng)存在液體連續(xù)泄漏，則在碰撞后前5min平均泄漏速率不得大于30g/min;如果來(lái)自燃油供給系統(tǒng)的液體與來(lái)自其他系統(tǒng)的液體混合，且不同的液體不容易分離和辨認(rèn)，則在評(píng)定連續(xù)泄漏時(shí)，收集到的所有液體都應(yīng)計(jì)入。

2.2 乘員安全要求

N1類車(chē)輛乘員安全要求主要為：前排外側(cè)座位假人性能要求，包括

a）頭部性能指標(biāo)（HPC）應(yīng)不大于1000，并且頭部合成加速度大于80g的時(shí)間累積不應(yīng)超過(guò)3ms，但不包括頭部反彈;

b）胸部壓縮指標(biāo)（ThCC）應(yīng)不大于57N*m;

c）大腿壓縮力指標(biāo)（FFC）在持續(xù)加載10-60ms過(guò)程中不大于7.58KN。

2.3 N1類車(chē)與M1類車(chē)安全性要求的差異

N1類車(chē)與M1類車(chē)安全性差異主要體現(xiàn)在乘員安全要求，N1類車(chē)型對(duì)以下幾點(diǎn)不做要求：

3 某典型輕卡整車(chē)碰撞模型介紹

本研究以國(guó)內(nèi)某典型輕型商用車(chē)為例，并結(jié)合計(jì)算機(jī)輔助技術(shù)建立具有高精度和高可靠性的有限元[8]仿真模型。并以該模型為基礎(chǔ)，進(jìn)行與法規(guī)相對(duì)應(yīng)碰撞工況的參數(shù)設(shè)定與碰撞仿真模擬[9]。

3.1 整車(chē)建模方法介紹

3.1.1 碰撞理論簡(jiǎn)介

碰撞仿真采用顯式積分法[10]，其仿真求解時(shí)間決定于最小時(shí)間步。

3.1.2 整車(chē)模型搭建

首先，零件網(wǎng)格劃分，包括輸入CAD導(dǎo)入、CAD模型幾何清理及網(wǎng)格的劃分及質(zhì)量檢查。其次，零部件之間連接關(guān)系的建立，包括焊點(diǎn)連接、膠粘連接、鉸鏈連接、螺栓連接等。最后，邊界條件設(shè)置、模型控制卡片等。搭建完的整車(chē)模型如圖2所示。

3.2 整車(chē)模型概況

整車(chē)模型由14個(gè)主要總成系統(tǒng)構(gòu)成，如圖3所示，單元數(shù)155萬(wàn)，節(jié)點(diǎn)數(shù)162萬(wàn)。

3.3 碰撞工況介紹

根據(jù)GB11551-2014《汽車(chē)正面碰撞的乘員保護(hù)》，最大設(shè)計(jì)總質(zhì)量不大于2.5噸的N1類汽車(chē)適用于該標(biāo)準(zhǔn)。國(guó)內(nèi)某典型輕型商用車(chē)總質(zhì)量約為1.7噸，可依據(jù)此法規(guī)進(jìn)行50km/h的正面碰撞性能評(píng)價(jià)。

4 某典型輕卡整車(chē)碰撞仿真試驗(yàn)分析

上文通過(guò)有限元仿真技術(shù)建立碰撞仿真模型，需對(duì)模型的精度、可靠性及相關(guān)參數(shù)有效性進(jìn)行試驗(yàn)驗(yàn)證。本章結(jié)合該典型輕卡整車(chē)正面碰撞試驗(yàn)結(jié)果與有限元仿真模型進(jìn)行對(duì)比分析。并從車(chē)身整體變形、關(guān)鍵區(qū)域侵入量、加速度水平等方面進(jìn)行一致性評(píng)定。

4.1 整車(chē)碰撞仿真結(jié)果

整車(chē)仿真模型運(yùn)動(dòng)姿態(tài)與試驗(yàn)基本一致，各總成間相對(duì)運(yùn)動(dòng)關(guān)系正確，零部件間受力關(guān)系及變形正常。正面碰撞中乘員艙關(guān)鍵位置侵入量、轉(zhuǎn)向結(jié)構(gòu)跳動(dòng)量、車(chē)門(mén)變形量、碰撞減速度水平等指標(biāo)是影響目標(biāo)車(chē)內(nèi)乘員安全的主要因素。一般情況下，采用防火墻/踏板侵入量、車(chē)門(mén)變形量和減速度曲線等參數(shù)來(lái)評(píng)價(jià)車(chē)體正面耐撞性能。

表2為某輕型商用車(chē)整車(chē)碰撞仿真結(jié)果：減速度峰值為40.8g，出現(xiàn)在10ms時(shí)刻;防火墻侵入量（最大值）為147mm，出現(xiàn)在真空阻力泵安裝點(diǎn)附近;制動(dòng)踏板X(qián)向侵入量（最大值）為89mm;加速踏板X(qián)向侵入量（最大值）為68mm;轉(zhuǎn)向管柱侵入量X向（最大值）為40mm，Z向（最大值）為29mm。

圖6為B柱下方車(chē)身減速度曲線，0～30ms對(duì)應(yīng)前縱梁前段至前懸架安轉(zhuǎn)點(diǎn)之間縱梁的潰縮變形;30ms～70ms對(duì)應(yīng)縱梁后段及乘員艙區(qū)域的車(chē)身變形。

圖7為防火墻變形云圖，變形最大位置位于真空阻力泵安裝處。

4.2 整車(chē)碰撞試驗(yàn)結(jié)果及分析

將整車(chē)仿真模型的結(jié)果與實(shí)車(chē)碰撞試驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行一致性評(píng)定，驗(yàn)證模型的精度。下圖8是碰撞結(jié)束后的試驗(yàn)和仿真模型圖，圖9是試驗(yàn)與仿真的加速度曲線對(duì)比。

從圖8和圖9可看出，試驗(yàn)數(shù)據(jù)與仿真數(shù)據(jù)的一致性較好，仿真模型精度處于較高水平。

4.3 整車(chē)安全開(kāi)發(fā)技術(shù)要點(diǎn)

整車(chē)安全開(kāi)發(fā)中，乘員艙生存空間是重要技術(shù)指標(biāo)，而影響乘員艙生存空間的關(guān)鍵因素包括其自身剛度以及碰撞能量。乘員艙剛度受限于幾何結(jié)構(gòu)、車(chē)體空間及成本核算，其剛度提高幅度有限。而對(duì)前縱梁碰撞吸能性和壓潰穩(wěn)定性的提高來(lái)減少乘員艙的碰撞能量是提高汽車(chē)安全性能的主要手段。本文通過(guò)提高商用車(chē)前縱梁的吸能性能及壓潰穩(wěn)定性的方式提升整車(chē)安全性能。

隨著縱梁厚度的不斷增加，前縱梁吸能量逐漸增加，有利于保持乘員艙的生存空間;但平均加速度也逐漸增加，壓潰穩(wěn)定性逐漸變差;加速度峰值逐漸增加，將增大乘員受損傷的風(fēng)險(xiǎn)。因而，在實(shí)際工程應(yīng)用中，需根據(jù)商用車(chē)實(shí)際的整車(chē)安全性能進(jìn)行合理的前縱梁吸能量及壓潰穩(wěn)定性匹配。

5 結(jié)論

本文以某輕型商用車(chē)為例對(duì)商用車(chē)整車(chē)安全開(kāi)發(fā)進(jìn)行研究。首先簡(jiǎn)述了商用車(chē)市場(chǎng)現(xiàn)狀、碰撞安全的重要性，并重點(diǎn)解讀了GB11551-2014關(guān)于N1類車(chē)的碰撞安全性要求。其次通過(guò)國(guó)內(nèi)某輕型商用車(chē)的整車(chē)安全模型搭建、模型組成、工況介紹來(lái)詳細(xì)展示商用車(chē)有限元設(shè)計(jì)開(kāi)發(fā)方式。最后以有限元仿真模型與實(shí)車(chē)試驗(yàn)結(jié)果的對(duì)比驗(yàn)證了仿真模型的精度和可靠性，并簡(jiǎn)要分析整車(chē)安全開(kāi)發(fā)技術(shù)要點(diǎn)，并說(shuō)明了整車(chē)安全性能要求前縱梁應(yīng)尋求吸能性能及壓潰穩(wěn)定性的合理匹配。

參考文獻(xiàn)：

[1]GENDAR，D.Numerical Simulations for Testing of Commercial Vehicle as Per ECE-R29 Regulations[J]. SAE Paper 2007-26-045.

[2]ECE R29-03，Uniform Provisions Concerning the Approval of Vehicles with Regard to the Protection of the Occupants of the Cab of a Commercial Vehicle[S].

[3]DWIVEDIP，KULKARNIA，CHALIPATS. Protection Devices to Improve Frontal Pendulum Impact Performance of Heavy Commercial Vehicles[J].SAE Paper 2011-26-0099.

[4]王登峰，劉麗亞，董學(xué)鋒，等.商用車(chē)駕駛室碰撞安全性的研究與改進(jìn)[J].汽車(chē)工程，2011，33（1）：2-5.

[5]徐中明，史方圓，張志飛，等.重型越野車(chē)駕駛室安全性仿真及結(jié)構(gòu)修改[J].汽車(chē)工程，2010，32（12）：1038-1041.

[6]陸善彬，張君媛，周劍，等.商用車(chē)ECER-29法規(guī)試驗(yàn)中乘員生存空間的研究[J] 汽車(chē)技術(shù)，2009（6）：43-47.

[7]國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)GB11551-2014《汽車(chē)正面碰撞的乘員保護(hù)》.

[8]王勖成，邵敏.有限單元法基本原理和數(shù)值方法.北京：清華大學(xué)出版社，1995.

[9]T Nakagawa Ken， Tatsuhiro， Crash Simulation of a Passenger Car. SAE900464.

[10]Ted Belysschko，Wing Kam Liu，Brian Moran.著;莊茁譯.連續(xù)體和結(jié)構(gòu)的非線性有限元[M].北京：清華大學(xué)出版社，2002.