乘用车内部凸出物碰撞安全性能研究

唐丙荣 禹慧丽 奠波 史方圆

（重庆长安汽车股份有限公司，汽车噪声振动和安全技术国家重点实验室，重庆 401120）

主题词：乘用车 内部凸出物 碰撞安全性 结构优化

1 前言

近年来，为满足审美需求及适应车辆智能化发展需要，汽车主机厂设计了丰富多样的内饰造型。根据GB 11552—2009《乘用车内部凸出物》的规定，车辆内部凸出物的碰撞加速度不应超过限值，这对车辆内饰结构的设计方式提出了更高的要求。相比于其他内饰零件，仪表板和中控箱作为复杂的车辆子系统，上述问题最为突出。因此，本文重点研究如何合理设计和优化仪表板和中控箱系统，从而保证碰撞加速度在限定范围内，通过理论推导、有限元仿真分析结合试验验证的方法，研究提高乘用车内部凸出物碰撞安全性的有效方法。

2 内部凸出物吸能性试验方法

GB 11552—2009《乘用车内部凸出物》中的静态试验法试验程序简单、成本低、周期短。静态试验法采用刚性球头对子系统进行碰撞试验，具体方法如图1所示[1]：当摆锤撞击方向与碰撞点表面法线间的夹角α≤5°时，试验中应使摆锤撞击中心运动轨迹切线与实际测量的运动方向重合，此时摆锤试验速度v=24.1 km/h；当α＞5°时，试验中应使摆锤撞击中心运动轨迹切线与被测零件表面法线重合，此时摆锤试验速度v′=vcosα。试验结果评价标准为：撞击球头3 ms 合成加速度不超过80g，并且经主观评价，碰撞后不产生任何对人体造成伤害的尖锐凸出物。

为测试内部凸出物吸能性，碰撞试验点通常为头部碰撞基准区内结构强度高或易碎部位[1]，结构强度太高会导致球头加速度超标，易碎部位会导致尖锐凸出物的产生，如副驾驶员安全气囊盖板及中控箱扶手盖板位置的结构强度通常非常高。本文选取头部碰撞基准区内12个碰撞点，如图2所示。

图1 内部凸出物吸能性试验示意

图2 内部凸出物吸能性试验碰撞点

3 理论模型的建立

图3 和图4 所示分别为典型的仪表板和中控箱结构，二者撞击风险点共同特征为：

a.碰撞传力路径上存在金属支架，在发生碰撞时，此类金属零件不易发生较大变形，吸收碰撞能量占比小[2]；

b.塑料零件在结构设计时没有充分考虑碰撞吸能性。

图4 中控箱内部结构

为快速指导车体结构的改进，可将复杂的碰撞问题简化为基于集中质量的动力学模型[3]。本研究中车型的仪表板、中控箱系统可简化为单集中质量的碰撞动力学模型，如图5 所示。图5 中，M为球头质量，C为系统阻尼系数，P(t)为系统所受外力，k1、k2分别为独立部分和与金属零件空间重叠部分塑料零件的刚度系数，k3为金属零件的刚度系数。

图5 内部凸出物碰撞动力学理论模型

根据胡克定律，推导出弹簧系统等效刚度系数K为：

达朗贝尔动力学原理为：

式中，U″、U′、U分别为撞击球头的加速度、速度、位移。

联立式（1）和式（3）可得：

式中，t为球头发射后某一时刻；t0为碰撞初始时刻；Δt为时间增量。

在瞬态响应过程中，梁单元、板单元和板梁组合结构阻尼对响应的影响相当小，不考虑阻尼可简化求解过程[3]，式（4）中速度项CU′忽略不计，则：

由式（6）可知，对于工程上受力较复杂的内部凸出物碰撞点，即图3 仪表板的4、5、6、11 号点和图5 中控箱，|U″|随着k1、k2、k3的减小而减小。

对于工程上受力较简单的碰撞点，即图2仪表板的1、2、3、7～10、12 号点，因下方没有车身金属支架，故k2=k3=0，|U″|随着k1的减小而减小。

4 内部凸出物性能优化

4.1 仿真模型的建立

基于GB 11552—2009 中描述的试验方法，采用前处理软件HyperWorks 14.0搭建内部凸出物仿真分析模型，包含车身、内饰、摆锤，如图6 所示。车身和摆锤部分的有限元网格尺寸为8 mm×8 mm，内饰网格尺寸设为5 mm×5 mm，内饰与车身的接触采用自接触算法模拟，摆锤与内饰模型的接触采用点面接触算法模拟。

4.2 仿真模型精度分析

图7 所示为仪表板仿真模型的加速度仿真结果与试验结果对比情况。仿真与试验的3 ms合成加速度分别为55.1g、56.5g，仿真计算误差为2.5%，仿真与试验加速度曲线吻合度高。

图6 仪表板和中控箱仿真分析模型

图7 仪表板内部凸出物分析模型加速度仿真结果

图8 所示为中控箱仿真模型的加速度仿真结果与试验结果的对比情况。仿真与试验的3 ms合成加速度分别为82.3g、84.2g，仿真计算误差为2.3%，仿真与试验加速度曲线基本吻合，模型可信。

图8 中控箱内部凸出物分析模型加速度仿真结果

4.3 优化方案的制定

根据式（6），降低球头加速度的关键是降低k1、k2、k3。因此制定如下结构改进方案：方案1，通过增加扶手高度降低系统整体刚度；方案2，通过降低主要吸能件料厚降低系统整体刚度（内饰刚度的优化被大量应用于降低整车碰撞中假人头部3 ms 加速度[4]）；方案3，通过优化金属支架的结构和调整中控箱底部卡扣结构降低系统整体刚度。结构改进方案如图9、表1、图10和表2所示，优化结果如表3所示。

图9 方案1

由表3 可知，3 个优化方案均可明显降低3 ms 合成加速度，优化效果如图11～图13所示。

表1 方案2

图10 方案3

表2 优化方案汇总

表3 3 ms合成加速度优化结果 g

图11 方案1优化效果

图12 方案2优化效果

图13 方案3优化效果

由图11可知，扶手盖板高度增加后，系统刚度明显减小，扶手盖板呈现更大变形，加速度降低效果明显。由图12和表3可知，通过对零件厚度减薄，达到了降低加速度的作用。由图13 可知，中控箱底部区域的变形程度明显增加，对仪表板部分，新的副驾驶员安全气囊支架结构允许发生更大的变形，加速度由89g降低至72g，满足小于80g的目标要求。

5 验证试验

根据表2，方案1需要通过修改造型降低扶手刚度，实施方案成本较高，副驾驶员安全气囊的布置、仪表板的造型修改工作量巨大，本文暂不进行相关优化；方案2通过降低受力塑料零件的料厚降低其刚度，涉及整个塑料零件总成模具调整，成本较高；方案3 主要通过优化金属支架的结构降低其刚度，成本较低，故采用方案3进行实车验证。试验结果表明，采用方案3后，金属支架发生向右倾斜变形，球头加速度满足国家标准的要求，如图14、图15所示。

6 结束语

由理论推导、仿真及试验验证可知，中控箱扶手高度、内饰塑料零件厚度、金属支架的结构形式对碰撞加速度均有较大影响。对塑料和金属零件刚度进行综合考虑和优化，可以达到降低碰撞加速度的目的，是经济而有效的手段。

图14 优化前、后中控箱支架变形对比

图15 优化前、后球头加速度曲线

采用吸能性试验法优化碰撞加速度并不是满足内部凸出物标准的唯一途径，动态试验法同样可行。如何对约束系统参数、整车布置参数进行优化设计，从而满足内部凸出物碰撞安全性能要求，有待进一步展开研究。