基于HyperMesh驾驶室碰撞结构优化

陈崇山　邱宗金　路云飞

摘 要：本文利用HyperWorks对某商用车驾驶室本体进行结构优化，提升驾驶室结构强度，优化其传递路径，降低驾驶室在各种碰撞工况下入侵量，以保证驾驶室有足够的生存空间;最终实现驾驶室满足ECE R29-03碰撞法规要求。

关键词：商用车 驾驶室 碰撞 HyperWorks ECE R29-03

Optimization of Cab Collision Structure based on HyperMesh

Chen Chongshan，Qiu Zongjin，Lu Yunfei

Abstract：This paper uses HyperWorks to optimize the structure of a commercial vehicle cab body， enhance the strength of the cab structure， optimize its transmission path， and reduce the amount of cab intrusion under various collision conditions to ensure that the cab has enough living space， so that the cab meets the requirements of ECE R29-03 collision regulations.

Key words：commercial vehicle， cab， collision， HyperWorks， ECE R29-03

1 引言

隨着GB 26512-2011《商用车驾驶室乘员保护》强制法规的实施，法规中关于驾驶室碰撞要求完全与欧洲ECE R29-03版碰撞法规要求一致，对国内现有市场上在售的商用车驾驶室是个极大的挑战。目前国内市面上在售的商用车基本上都是十年前的产品，虽然期间历经改款改型，但大都是未改动驾驶室的本体的结构，仅仅是内外饰的一些改头换面，因为驾驶室碰撞安全性能还停留在十几年前的水平，要满足新的升级法规要求，必然需对驾驶室关键受力件及其连接部分进行适应性结构优化[1]。

2 优化前驾驶室碰撞试验

2.1 碰撞法规升级说明

根据最新ECE R29-03碰撞法规要求，针对总质量7.5吨以上的N2类和N3类卡车，其正面摆锤试验打击能量由原来的44.1KJ增加到55KJ，增幅24.7%，顶部压溃试验前增加了斜面冲压，冲压能量为176.KJ。同时增加了双A柱摆锤试验，打击能量为29.4KJ。图1为ECE R29碰撞法规升级前面的简明对比[2]。

新法规实施后，存量商用车的驾驶室碰撞安全性受到极大的挑战，尤其国内商用车以平头车为主，相对长头车没有足够的碰撞吸能空间，且商用车乘员位置比较靠前，没有前舱做缓存吸能，车辆在发生碰撞的过程中，更容易危及驾驶室内人员生命安全。

2.2 ECE R29-03实车碰撞结果

根据ECE R29 03中试验方法，正面摆锤碰撞要求整车满载状态，其他试验项目可单独使用驾驶室进行试验，按照要求对驾驶室及整车进行固定或放置后逐次开展试验。试验后要求：驾驶室不能从整车上脱离，即驾驶室与车架要保持连接;同时驾驶室生存空间可容纳假人模型（座椅需调节至整个滑轨行程的中间位置）。

图2为正面摆锤碰撞试验结果，图中显示，驾驶室本体后移位移量较大。从图3可知，前悬左下支座4颗固定螺栓其中3颗被剪断，还剩1颗连接。从图4可知，碰撞后，由于前围钣金及地板变形，导致方向盘往后下方移动，最终方向盘与假人Z向 扔存有33mm空间。严格从碰撞法规来看，本次正碰符合法规要求。但鉴于车辆的不一致性及试验的误差，建议对正碰驾驶室变形进行分析整改，增大保险余量，以保证后期批量生产车型的法规通过性。同时建议对前下支座固定螺栓进行加强，以获得更高的安全系数。

图5为双A柱碰撞试验结果，结果显示，驾驶室A柱变形较大，碰撞过程中极限变形位置可能与假人接触，且碰撞后不能正常打开车门，影响车内人员逃生，亟需整改提升。

图6为20°斜面冲压试验结果，顶部左侧钣金出现明显凹陷。图7为顶部静压试验结果，顶部 钣金下沉变形量较小，内部生存空间挤占不大，可以保证人员安全。试验结果符合法规要求。

综上三个试验项目，顶压试验问题不大，风险低，无需提升整改。正面碰撞虽然勉强通过，但是从试验后图片来看，结果让人担忧，应该进行加强提升。双A柱碰变形严重，应重点开展整改提升工作。

3 模型建立

使用HyperMesh在Ls-Dyna模板下建立驾驶室碰撞仿真模型，模型包含白车身（带前后挡风玻璃）、车门、转向系统、仪表系统、驾驶室悬置系统、锁止机构等。材料及厚度根据设计Bom表进行赋予。转向管柱采用Mat20刚性材料、壳单元;车身前后悬置橡胶软垫采用为Mat7超弹性材料、体单元;白车身和车架等采用Mat24弹塑性材料、壳单元。

连接设置：焊点使用beam梁单元、Mat100材料;玻璃胶和结构胶使用六面体单元，节点融合进行连接;气体保护焊使用rigid点对点连接;螺栓使用rigid连接;转向系统万向节使用uslJoints铰模拟;转向管柱圆柱副使用cylJoints铰模拟;转动副使用revJoints铰模拟;刚体与刚体连接使用*CONSTRAINED_RIGID_BODIES，刚体和弹塑性材料连接使用*CONSTRAINED_EXTRA_NODES_SET。

接触设置：焊点接触采用*CONTACT_SPOTWELD，全车自接触采用* CONTACT_AUTOMATIC_SINGLE_SURFACE，摆锤与车体接触采用*CONTACT_AUTOMATIC_SURFACE_TO_SURFACE。前后悬置橡胶采用内部接触*CONTACT_INTERIOR。

边界条件：约束前吊耳安装孔123456个方向自由度，约束所截取车架末端123456个方向自由度。摆锤中心点位于驾驶员R点下方55mm位置处，摆锤初始动能55KJ。

模型搭建完成提交Ls-Dyna求解器进行求解运算[3]。

4 原始方案模型分析

按照前文介紹的模型建立思路，构建模型入如下：图8为正面碰撞模型;图9为双A柱碰撞模型;图10为20°侧面冲压及顶部静压模型。

4.1 正面碰撞仿真

通过仿真分析，中地板前段溃缩变形严重，驾驶室往后翻转，导致方向盘随着往后翻转。如图11，图12，图13，图14所示。方向盘X向后移133mm，Z向下移99mm。总体来看，与实车碰撞结果吻合度较高。

4.2 双A柱碰撞仿真

通过仿真分析，双A柱变形严重，导致驾驶室前围钣金往后翻转，方向盘与假人严重干涉，仿真结果判断法规无法通过。如图15，图16，图17所示。虽然实车碰撞方向盘与假人未干涉，但不排除碰撞极限变形后回弹导致。方向盘X向后移159mm，Z向下移128mm。

4.3 侧面20°冲压及顶部静压仿真

通过仿真分析，侧面20度冲压后，顶盖左侧顶盖出现凹陷。再跟进法规要求，顶部施加等同于前轴轴荷6100Kg的静压力，顶盖钣金向下溃缩变形209mm，内部生存空间影响较小，满足法规要求，如图18，图19，图20所示。

5 整改措施及优化方案模型分析对比

通过对原始方案仿真出现的变形较大部件进行识别，提取对正面碰撞，双A柱碰撞影响最大的零件，通过对模型变形情况进行检查，发现侧围门框（图21），中地板前段（图22）对正面侧面变形影响最大，后续将重点针对这两个零件进行分析研究。而A柱内板（图23）对双A柱碰撞变形影响最为关键。因此，后续方案将围绕这三个零件，尝试不同的解决方案进行分析对比。

原始方案中，侧围门框、A柱内板、中地板前段的材料及料厚如表1所示：

基于现有冷轧材料规格库，提出三个整改方案，具体材料升级和相应的力学性能变化如表2。

通过仿真模型重新计算分析，以方向盘位移量为评价对象，用于判定碰撞后方向盘与座椅之间的空间距离，以衡量人体的生存空间。各整改方案分析结果如表3所示。从各方案提升量来看，方案三效果最优，能够满足法规通过要求。

5 结语

根据《商用车驾驶室乘员保护》法规的试验方法，利用LS-DYNA工具，科学合理的建立驾驶室型，进行多方案优化后，实现最终方向盘侵入量X向由159mm降低113mm。Z向侵入量由128mm降低至53mm。极大的提升了驾驶室的碰撞安全性，在现有驾驶室上通过小改动，少投资来实现法规满足性，对全新开发的驾驶室碰撞安全性能设计也具有较强的指导意义。

参考文献：

[1]张金换.汽车碰撞安全设计[M].北京：清华大学出版社，2010.

[2]ECE Regulation No.29. Uniform provisions concerning the approve of vehicles with regard to the protection of the occupants of cab of a a commercial vehicle[S].

[3]张杨，赵幼平，郭友利等.基于ECE-R29法规的某商用车驾驶室结构仿真分析[J]. 汽车科技，2014.