轻卡驾驶室结构特性的综合仿真分析

高大威,杨　帆,冯金芝

(上海理工大学 机械工程学院,上海　200093)



轻卡驾驶室结构特性的综合仿真分析

高大威,杨帆,冯金芝

(上海理工大学 机械工程学院,上海200093)

摘要运用MSC Nastran、Ls-Dyna等CAE分析软件,对轻型卡车驾驶室的结构特性进行仿真分析。建立了轻卡驾驶室有限元模型,设置载荷及边界条件,对轻卡驾驶室的模态、静态刚度、静态强度进行分析及评价。同时,根据ECE R29安全标准建立轻卡驾驶室耐撞性分析模型,对其进行正面摆锤冲击试验,通过选取驾驶员侧的相关参数进行仿真。仿真结果表明,驾驶员腿部护板到座椅垫前端的水平距离大于假人模型大腿厚度,因此,能保证有足够空间放置假人模型。

关键词轻型卡车;驾驶室;结构特性;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

近年来,由卡车引发的交通事故日益增加,因此提升轻型卡车的结构安全性已成为普遍需求。同时乘用车市场远大于商用车市场,所以对于轻型卡车的研究力度相对不足,缺乏相关经验支持,而有限元仿真分析法能够有效地评价车辆在振动与噪声、安全性等方面的性能,是汽车产品前期开发的重要手段。随着计算机技术的进步,有限元仿真方法取得了长足的发展[1],已可较好地为轻卡驾驶室结构做出科学评价,因此能大幅降低车辆研发费用,缩短研发时间。本文以某轻卡驾驶室为基础,建立有限元模型,对其模态、静态刚度、静态强度以及耐撞性进行分析。根据对轻卡驾驶室的仿真计算结果得出结论,为结构优化及安全性能的提高提供了一定的参考[2]。

1轻卡驾驶室仿真分析模型

1.1结构分析模型

将驾驶室的几何模型导入Hypermesh软件中,并进行几何清理,主要为:删除直径<10 mm的小孔、凸台、倒角、圆角等冗余几何特征;删除重合的面和线以及线上所包含的多余点;缝合没有公共边的相邻曲面。单元类型为PSHELL壳单元,网格尺寸为10 mm,以四节点的单元为主,三节点的单元主要是满足网格在各处过渡的需求。其中板件之间的点焊用CWELD单元模拟,刚性连接则采用RBE2单元模拟;驾驶室与车架的连接采用三向弹性单元CBUSH来模拟橡胶悬置。图1为轻卡驾驶室有限元模型,其网格节点数为178 503,网格单元数为170 402。

图1　有限元模型网格图

1.2耐撞性分析模型

将待测试车辆按照法规要求的方法固定好,将摆锤拉起至相应撞击能量的高度后释放使其自由下落,撞击驾驶室前部,以模拟驾驶室遭受正面撞击的情况。与轻卡结构分析模型有所不同,为提高计算精度同时兼顾计算时间,该模型碰撞区网格尺寸为8 mm,非碰撞区有限元网格为10 mm,驾驶室模型单元数为293 120,节点数为304 468,三角形单元比例为4.10%。驾驶室与车架的连接依然使用CBUSH弹簧单元。定义模型接触类型为自动单面接触,摩擦系数设为0.15。

根据法规要求,摆锤撞击能量为30 kJ,摆锤的质量m=1500 kg,摆锤中心到摆臂旋转轴线的垂直距离d=4 000 mm,摆锤高度b=800 mm,宽度a=2 500,摆锤有限元模型如图2所示。由以上已知条件,计算出摆锤处于最低位置时的旋转角速度为1.734 rad/s,主惯性矩Iyy=1.996e10,Ixx=2.077e10,Izz=8.125e8(单位均为kg·mm2)。有限元模型如图2所示。

图2　摆锤有限元模型

2轻卡驾驶室动态特性分析

轻卡驾驶室振动状态下的动态特性可由自由边界条件下的模态来评价,参数主要有各阶模态频率和振型。将模型通过MSC.Nastran软件计算,可得到驾驶室的前十阶模态频率及振型,如表1所示。

表1　前十阶模态分析

通过查阅文献[4],汽车在正常路面上行驶时路面对汽车的激励频率一般为20 Hz,而驾驶室的一阶模态频率为29.2 Hz。因此驾驶室具有较好的动态特性,且不易发生共振。

3轻卡驾驶室静态特性分析

轻卡驾驶室的静态特性包括静态刚度和静态强度,而静态刚度对驾驶室可靠性的贡献是最大的,约为60%。静态刚度的典型工况有两种:静态弯曲和静态扭转。静态强度则包括了4种工况:起动、制动、转弯和一轮悬空。

3.1静态刚度分析

3.1.1弯曲刚度

弯曲工况需约束驾驶室与车架连接处的6个自由度,并在两块座位地板上均布4个368 N的垂向载荷。弯曲刚度分析的载荷及边界条件,如图3所示。

图3　弯曲工况下所施加的载荷及边界条件

经过有限元计算,得到了该轻卡驾驶室有限元模型在弯曲工况下的最大挠度,位于车座位正中间。经测量最大挠度数值为-1.437 mm,则该轻卡驾驶室弯曲刚度为

3.1.2扭转刚度

与弯曲刚度不同,扭转工况下的刚度边界条件是约束车身与车架的后两个连接点6个自由度。在扭转工况下所施加的载荷是在车身与车架连接点的前两个点的位置施加大小相等、方向相反、距离汽车中心线等距的铅垂力1 000 N。扭转工况下的扭转角和扭转刚度结果如表2所示,扭转工况下模型的载荷如图4所示。

表2　扭转工况下的扭转角和扭转刚度结果

图4　扭转工况下模型的载荷和边界条件

该车身有限元模型扭转工况下的扭转角为0.317 4°,小于参考车型的最大扭转角0.61°。通过文献[4]可知,扭转刚度满足要求。

3.2静强度分析

3.2.1静强度的模型建立

由于轻卡车架会影响静态强度各个工况下的应力分布,在计算各工况时需要将车架加入到模型中。车架与驾驶室的连接为橡胶悬置连接,为更好地模拟这一悬置,选用了拥有X、Y、Z三向刚度的CBUSH单元来模拟悬置,并赋予了CBUSH单元PBUSH属性,来定义其X、Y、Z三向的刚度[5]。同时,模型中增加配重,配重以MASS质量点的方式添加,其中包括动力总成126 kg,载货箱164 kg和驾驶室中两个人的重量(每人75 kg),并准确调整整车质心点。

根据汽车行驶过程中的起动、制动、转弯、一轮悬空4种工况建立各工况的载荷和边界条件,如表3所示。

表3　静态强度各工况约束及载荷

3.2.2各工况静态强度分析

强度分析结果评价指标主要考察各部件的最大应力[6],若应力值小于屈服极限的部件,则该部件满足性能要求。剔除由于动力总成,载货箱,驾驶室中的驾驶员和乘客配重及其他原因所引起的应力集中现象,现将模型中>100 Mpa的零件取出,列于表4中。应力云图如图5～图8所示。

表4　静态强度分析结果

图5　起动及制动下轮罩处应力云图

图6　后悬置连接板的应力云图

图7　转弯下的后围应力云图

图8　一轮悬空下车架右侧纵梁环套应力云图

驾驶室所用板件的材料以DC01为主,材料的屈服强度在195 Mpa,绝大多数零部件符合屈服强度要求,期中转弯和一轮悬空工况完全满足强度要求,而在起动和制动工况下,驾驶室的轮罩板件均超过了屈服极限,需进行改进。

4轻卡驾驶室耐撞性分析

我国轻型卡车多为平头车,其结构特点决定了一旦汽车遭遇正面撞击时,由于驾驶室的吸能缓冲距离短,对乘员造成伤害的可能性也会增加[7]。随着轻卡导致伤亡事故的增加,轻卡驾驶室的安全性越来越受到关注[8]。轻卡驾驶室的安全特性主要考察轻卡驾驶室的正面耐撞性,要求驾驶室在经受碰撞后变形能尽可能小,给驾驶室中的人员带来足够的生存空间,并考察碰撞过程中的能量变化及平衡情况。

4.1正面摆锤冲击安全法规

本文采用欧洲经济委员会法规 《关于对商用车驾驶室乘员保护方面的车辆认证的统一规定》(ECE R29),其是检测商用车驾驶室安全性能的统一要求[9-10]。ECE R29安全标准描述了关于商用车驾驶室乘员保护方面认证的统一规定,其主要目标是在前部碰撞的情况下对驾驶室和悬架的连接装置进行评价以及对驾驶室的全面强度进行评价,目的是最大程度上降低对乘员的伤害,保证乘员的生存空间,这一生存空间应能容纳规定的人体模型。

4.2正面摆锤冲击分析

约束摆臂悬挂点处X、Y、Z、RX、RZ方向自由度,使得摆锤仅能绕Y轴旋转冲击驾驶室。车架固定,约束方式与之前静强度约束方式相同。

4.2.1驾驶室整体变形分析

碰撞开始后驾驶室第0 ms,100 ms时的变形如图9所示,前围、车架、仪表板管梁等机构有效的阻止了摆锤的侵入,车门有一定的变形,但不要求车门在实验后必须开启。驾驶室整体后移一段距离,保持了较完整的框架结构,这就为乘员拥有足够的生存空间提供了必要的保证。

图9　驾驶室总体变形

4.2.2乘员生存空间分析

在方向盘、座椅及腿部护板上取参考点,如图10所示。其中,A为驾驶员腿部生存空间;B为驾驶员腿部生存空间;C为驾驶员胸部生存空间。对于乘员生存空间的指标,是以50百分位男性假人模型不与车辆的非弹性部件发生接触为准。该指标的最小值如表5所示,反映了车身结构生存空间大小的特征尺寸,并根据特征尺寸的具体数值进行车身结构生存空间的分析评价。

表5　50百分位男性假人模型关键部位尺寸参数

图10　驾驶员生存空间参考点示意图

仿真计算结果如图11和图12所示,可看出驾驶员小腿生存空间最小值为185.00 mm,远大于模型膝盖前后尺寸106 mm;驾驶员大腿生存空间最小值为174.53 mm,远大于模型大腿上下尺寸141 mm。腿部护板到座椅坐垫前端的水平距离大于假人模型大腿厚度,因此能保证有足够的空间来放置假人模型。

图11　腿部与坐垫前端水平距离

图12　方向盘与坐垫之间垂直距离

参考点5与点6之间X方向距离即为驾驶员胸部生存空间,如图13所示。

图13　方向盘与座椅靠背之间水平距离

由图13可看出,驾驶员胸部生存空间最小值为421.01 mm,远大于模型膝盖前后尺寸230 mm。方向

盘到座椅靠背的水平距离大于假人模型的胸厚,故同样能保证有足够的空间来放置假人模型。因此,本文研究的轻卡驾驶室碰撞后的剩余生存空间能容纳假人模型,符合法规要求。

5结束语

本文通过仿真软件用有限元法分析并评价了轻卡驾驶室的静、动态特性及正面耐撞性。根据相应法规,赋予各个工况响应的载荷及边界条件,详细阐述了模态、静态刚度、静态强度的分析结果,发现了在静态强度的一些工况下,轮罩应力值超过屈服极限的现象,指出了在结构特性上的不足。同时,在正面摆锤冲击中分析了驾驶室整体变形情况,为轻卡车身结构和被动安全性能的研发提供了相应的参考。

参考文献

[1]李强,申福林,于宏伟,等.客车蒙皮对侧翻碰撞仿真结果的影像[J].公路交通科技,2011,28(2):149-153.

[2]高云凯,张婷婷,刘海立.轻型客车车身结构评价方法及应用[J].中国机械工程,2012,23(17):2116-2121.

[3]羊拯民.汽车车身设计[M].上海:机械工业出版社,2008.

[4]Lee K H,Kang D H.Structural optimization of an automotive door using the kriging interpolation method[J].Department of Mechanical Engineering,2007,221(12):1525-1534.

[5]MSC.Nastran 2012 quick reference guide[M].Santa Ana,California:MSC Software Corporation,2012.

[6]苏文献,马嫄情,刘海刚.复杂载荷作用下带夹套管箱的静强度和疲劳强度分析[J].上海理工大学学报,2012,34(4):406-407.

[7]张健红,左春柽,钱生君,等.轻型载货汽车驾驶室正面摆锤碰撞的动态响应模拟[J].汽车技术,2007(9):24-27.

[8]李三红,郭孔辉,赵幼平,等.商用车摆锤正面撞击试验和仿真[J].中国机械工程,2005,23(17):88-91.

[9]ECE.Uniform provisions concerning the approval of vehicles with regard to the protection of the occupants of the cab of a commercial vehcle[S].USA:ECE,1999.

[10]ECE.Uniform provisions concerning the approval of vehicles with regard to the protection of the occupants of the cab of a commercial vehcle[S].USA:ECE,1993.

中图分类号TP391.9;U465.1

文献标识码A

文章编号1007-7820(2016)03-012-05

doi:10.16180/j.cnki.issn1007-7820.2016.03.004

作者简介:高大威(1979—),女,博士,讲师。研究方向:车身现代化设计方法。杨帆(1988—),男,硕士研究生。研究方向:车身碰撞优化分析。

基金项目:国家自然科学基金资助项目(51305269)

收稿日期:2015- 08- 03