車寬

(上海蔚來汽車有限公司，上海 201804)

0 引言

根據(jù)2001—2014年的14年間的中國交通事故統(tǒng)計[1]：交通事故共殺死了1 142 516人，受傷人數(shù)也高達5 086 562人，對人員和財產(chǎn)造成了極大的損失。據(jù)哈佛大學的研究和預測，交通事故會在2020年左右成為全世界致死因素排行榜的第三位，僅次于疾病和自然災害導致的死亡[2]。

交通事故中，主要是側面碰撞和正面碰撞，而從傷害部位來看，頭部、胸部、肩部、臀部和下肢最容易受到傷害，其中胸部、肩部、下肢和臀部一般不會直接導致死亡，而頭部傷害切能直接導致行人死亡，因此對頭部的研究也就是汽車碰撞中的重中之重啊。 在中國由于后排乘客很大部分不習慣系安全帶，在發(fā)生正面碰撞時，后排的乘客頭部會撞到副儀表板上，如果副儀表結構不能提供很好的吸能作用，會造成乘員頭部短時間受到極大減速度而造成乘員傷害，因此對副儀表板的頭部研究就顯得極其重要。

1 副儀表板頭部碰撞有限元建立和分析

1.1 副儀表板頭部碰撞點的定義

副儀表板頭部碰撞，主要是指坐在后排座椅的乘客在車輛發(fā)生正面碰撞時，其頭部以6.7 m/s的速度撞擊到副儀表板上而發(fā)生傷害。其在副儀表板上的碰撞位置需要根據(jù)GB 11552—2009法規(guī)的要求，采用擺臂帶165 mm的圓球和副儀表板的靜態(tài)接觸法來確定。其方法如下：根據(jù)后排座椅左、中、右的點H位置，用分別為840、760、672.5 mm的擺臂，頂端帶上直徑165 mm圓球模擬撞擊到副儀表板的表面，根據(jù)副儀表板結構特點和座椅的位置，每種情況選擇一個典型的撞擊點，一共9個點，剔除掉左右對稱點3個，一共選擇了6個位置。圖1為副儀表板碰撞點圖。

圖1 副儀表板碰撞點

1.2 副儀表板頭部碰撞有限元建立

副儀表板頭部碰撞有限元模型是根據(jù)副儀表板catia 3d模型數(shù)據(jù)，用Hypermesh軟件對其進行網(wǎng)格離散處理，其網(wǎng)格大小為5×5 mm，其各結構的安裝點，如卡扣、熱熔焊點等采用spring并給予剛性連接來處理。并需要根據(jù)EBOM表進行配重、材料、屬性等設置。下面是副儀表的碰撞有限元模型，其中包含136 791個網(wǎng)格單元、spring為193個。

擺臂是以6.7 m/s的速度撞擊在副儀表板上事先定義好的點A、B、C、D、E、F上的，其擺臂圓心的質量設定為6.8 kg，擺臂長度為760 mm，直徑為165 mm的剛性球和剛性臂。

圖2 副儀表的碰撞有限元模型

1.3 碰撞目標

其碰撞目標如下：按照GB 11552—2009規(guī)定，鋼球在撞擊過程中其減速度超過80g的時間不能超過3 ms[3]，由于公司對安全要求更嚴，其減速度要求變?yōu)槌^72g的時間不能超過3 ms，文中通過Radioss的顯示算法對碰撞點進行減速度研究；在碰撞過程中無零件從副儀表板系統(tǒng)中脫離飛出，無硬質碎片發(fā)出以防止傷到后排乘員；在碰撞過程中無可接觸的尖點和銳邊。

1.4 副儀表板的吸能結構設計和有限元分析研究

在頭部撞擊到副儀表板后部區(qū)域時，其撞擊力的方向近似于Z向向下，撞擊力從上往下通過扶手，扶手支架，副儀表板支架傳遞到地板橫梁支架，為了保證頭部的傷害值盡可能的小，需要在Z方向上有足夠的吸能設計，如圖3所示，其吸能設計主要在副儀表板支架上，有兩處能很好地吸收碰撞傳遞下來的沖擊力：在a處，支架的中部會有個大的洞來減少支架的強度，并在洞的兩側構建“[”字型吸能，在其轉角處進行減料厚處理(上部為1 mm，下部為1.5 mm)，當力傳遞過來時，支架在“[”字型處向兩側偏移并潰縮，為撞擊過程中的能量釋放提供空間；在b處，撞擊力會經(jīng)過此處拐角而傳遞到支架下面，此處是力的集聚處，可以通過增加反“L”形拐角增加潰縮量來吸能。

圖3 副儀表支架的吸能設計

由于碰撞點C在正中間，根據(jù)碰撞力的傳遞路徑，其副儀表板支架的左右兩邊的力會是最均勻，靜態(tài)吸能也是最差的，所以點C為最極限點，以此點為研究能更好地節(jié)約時間和說明問題。圖4為擺臂撞擊到點C的時支架吸能過程，當撞擊發(fā)生時，副儀表板支架在b處會首先開始發(fā)生潰縮變形并吸收沖擊能量，在撞擊發(fā)生6 ms時，在a處 “[”處開始發(fā)生潰縮變形，開口開始向外偏移吸能，在15 ms時，a處完全潰縮，開口向外變形變?yōu)樽畲?，撞擊能量釋放完成。由圖可見其潰縮點滿足結構設計的構想。

圖4 頭部碰撞點C-支架潰縮吸能過程

根據(jù)模擬結果調整a處、b處的料厚和強弱，增加弱化缺口，并通過增加和減少副儀表板支架加強筋的高度和密度，再經(jīng)過3輪的調整和優(yōu)化，最后得出碰撞點C的3 ms的減速度為71.7g，滿足設計要求，如圖5所示。

圖5 頭部碰撞點C加速度曲線

點C通過后，在進行其他幾個碰撞點的模擬和對a處、b處的結構優(yōu)化通過多輪驗證和結構優(yōu)化，使碰撞的6個點(A、B、C、D、E、F)都滿足頭部3 ms的減速度要求，研究過程在此不詳述。

2 副儀表板頭部碰撞實驗驗證

2.1 實驗方法

CAE有限元模擬結束后，將其副儀表板的3D數(shù)模凍結，并將其用模具制造出來，用制造出來的零件進行實驗驗證。為了更全面更準確地模擬頭部碰撞，需要將實車車身按照副儀表板區(qū)域和大小進行切割，在保證其車身切割對副儀表板的安裝點結構、安裝支架和其附件完整和不影響車身在副儀表板強度的情況下盡可能的小，建議比副儀表板周圈大50 mm左右，以利于運輸和移動。

頭部碰撞準備如圖6所示。其過程為：將副儀表系統(tǒng)安裝在切割后的下車身上組成副儀表板碰撞系統(tǒng)，通過調整副儀表板碰撞系統(tǒng)位置保證擺臂頭碰撞的點是所需要的位置，并將擺臂機在撞擊點的速度調整為6.7 m/s后進行實驗。

圖6 頭部碰撞準備

2.2 實驗結果分析

圖7為頭部碰撞失效圖，表1為CAE與實驗比較表。

圖7 頭部碰撞后失效

表1 頭部碰撞CAE和實驗結果比較

在第一輪實驗當中結果如：(1)碰撞點A、B、C、D、E、F的3 ms都滿足小于72g的要求，和CAE模型的偏差在碰撞點B處最大，有18.2%，而在碰撞點A處最小，只有0.58%；(2)在所有碰撞中后蓋板都快速飛出，并撞擊到擺臂機上，有飛出撞擊乘客分風險，是不容許的；(3)潰縮斷裂處大都是在支架的“[”處和有限元模型大概一致；(4)撞擊點在副儀表板處無明顯損傷，滿足要求。

2.3 實驗失效分析

從有限元模擬結果和第一輪實驗的3 ms減速度可以看出，雖然碰撞點B的偏差偏大，但其他5個碰撞點偏差還可，考慮到排除由于有限元無法完全模擬后蓋板的卡接和飛出對吸能的影響，其有限元模擬結果模型還是很準確的。

當頭碰發(fā)生后，撞擊力會將副儀表板系統(tǒng)往向下壓，副儀表板支架也會向下向外變形而吸收碰撞能量，由于后蓋板由X向卡接在副儀表板支架上，在副儀表板系統(tǒng)向下變形時會產(chǎn)生極大的Y向推力而將后蓋板沿X向推出，由于這一切發(fā)生在幾十毫秒時間內(nèi)，其產(chǎn)生的推力和后蓋板的飛出速度也會極大而造成對乘員的極大傷害。圖8為實驗失效分析圖。

圖8 頭部碰撞實驗失效分析

2.4 結構優(yōu)化方案和分析

由上面的失效分析可知，要想后蓋板不飛出，需將后蓋板上面和下面的卡接結構改為更加強力的安裝結構，比如螺釘結構，將后蓋板牢牢的鎖定在副儀表板上，考慮到后蓋板是常見外表面，不能在表面出現(xiàn)螺釘蓋板等影響外觀的結構，并且全螺釘安裝和拆卸空間也是個問題，還有很多零件需要大改，模具成本也會很貴，所以此法不可行。為了達成能拆卸、安裝方便可行，又不大改模具的基礎上只需要在后蓋板下部增加個金屬支架，將金屬支架先安裝在后蓋板上后，通過后蓋板儲物盒的空隙將金屬支架和副儀表板支架用螺釘安裝起來。其方案如圖9所示。

圖9 增加金屬支架方案

此方案的優(yōu)點在當頭部碰撞發(fā)生后，后蓋板通過上部被推開來釋放撞擊能量，而蓋板下部由于有金屬支架拉住而不脫開，并且有下面4個螺釘將后蓋板的旋轉也鎖住而防止后蓋板上部脫開過大而漏出尖銳的邊界而傷害乘員的頭部。其副儀表板支架的潰縮處也主要集中在“[”處，同有限元模擬結果相似，圖10為最后一輪頭部碰撞點C結果圖。

圖10 最后一輪頭部碰撞點C結果

由于篇幅有限和其他幾個碰撞點的碰撞結果和點C碰撞相差不大，此處不過多的描述，其最后的3 ms合成加速度同有限元模型圖比較見表2。

從表中可以看出將后蓋板的下部固定連接后，其同有限元模擬的偏差從最大的18.2%降到了13%，也再次證明了有限元分析對實驗結果的參考性和有效性，并證明了此方案的最終可行性。

3 結束語

由于現(xiàn)今很少有對副儀表板頭部碰撞進行研究的論文，而隨著大家對安全越來越重視，其后部座椅乘員的頭部碰撞就顯得越來越有意義。文中是基于一款最新的副儀表板的結構進行頭部碰撞研究，運用有限元分析方法對副儀表板支架進行潰縮結構優(yōu)化，并進行實驗驗證和對比。通過對比研究發(fā)現(xiàn)：(1)副儀表板在碰撞時需要有潰縮結構，也即有足夠的潰縮點來吸收碰撞能量；(2)有限元能很好地模擬碰撞潰縮，其有效性能達到80%～90%，但并不是全能的，比如它無法模擬擁有全卡接結構的后蓋板在碰撞過程中的飛出過程；(3)有限元模擬不能完全代替物理實驗，尤其是一些特殊情況，比如零件飛出等。雖然有限元無法完全代替物理實驗，但由于它的模擬效率和成本節(jié)約的極大好處，對項目開發(fā)會越來越重要。