基于有限元法的某双排轻卡驾驶室安全性能仿真研究

杨会华，王莉，潘开广，黄勤

基于有限元法的某双排轻卡驾驶室安全性能仿真研究

杨会华1，王莉1，潘开广2，黄勤1

（1.江西五十铃汽车有限公司 产品开发技术中心，江西 南昌 330001；2.江西交通职业技术学院 汽车工程系，江西 南昌 330013）

为验证某双排轻卡驾驶室的碰撞安全性能是否满足国家法规及设计要求，文章基于有限元方法，分析了某双排驾轻卡驶室顶部碰撞及正面碰撞的安全性能，CAE分析结果显示，驾驶员和乘员顶部生存空间充足，正面碰撞下，前排乘员生存空间充足，因此该双排轻卡驾驶室碰撞安全性能满足法规和设计要求。

双排轻卡；驾驶室；碰撞；安全性能

1 引言

自新冠疫情复工复产以来，国民经济重回快速发展轨道，轻卡销量也节节攀升，双排驾驶室轻卡车型，以其同时具备多乘员容纳性和优越的载货性能，越来越得到用户的青睐和使用，但是驾乘人员的安全风险也逐渐严峻，需引起主机厂及全社会人员的共同关注和重视。目前国内轻卡行业驾驶室主要以平头驾驶室形式为主，具有优异的的造型美学和经济优越性，与此同时，当轻卡出现顶压和正面碰撞等安全事故时，双排驾驶室白车身系统会经历由弹性变形转变为很大的塑性变形，会挤压和伤害前排和后排乘员的生存空间，造成人身伤害的重大安全事故，故双排轻卡驾驶室本身的结构安全性能对乘员的生存空间和生命安全有着直接决定性影响[1-5]。当前国内轻卡主流车型为4.5T蓝牌车型，因此开展双排轻卡驾驶室碰撞安全性能的研究具有十分重要的经济价值和社会意义。

本文时依据交通部的营运货车安全技术条件，基于CAE软件Ls-Dyna，对某双排栏板轻卡驾驶室进行了顶部碰撞和正面碰撞CAE仿真分析，研究了双排驾驶室碰撞时的能量传递规律和评价了乘员安全生存空间，校核该车型驾驶室安全性能设计能力水平。

2 双排驾驶室顶部碰撞CAE分析

2.1 双排驾驶室碰撞有限元模型

本文运用Hyperworks和Ls-dyna软件，建立如图1的某双排轻卡驾驶室碰撞仿真模型，网格尺寸大小6mm，车门和前后围等钣金件材料为DC系列，屈服强度为160-350MPa,玻璃采用SEAM单元与钣金件连接。撞击采用刚体三维长方体单元模拟。本文所研究的单排轻卡驾驶室主要由车门，地板等宝钢DC系列材料钣金件和内外饰部件组成，零部件间连接关系主要是通过点焊及胶粘建立，模型中附属部件采用一维Mass质量单元模拟，双排驾驶室质量为402kg，有限元模型如图1，约束车架全部自由度，在驾驶室顶部加载强度为800mm/s的强制速度，边界条件如图2。

图1 双排轻卡驾驶室有限元模型

图2 顶压碰撞试验边界条件

2.2 双排驾驶室顶部碰撞CAE结果分析

2.2.1 顶部强度结果分析

按照上述边界条件，得到图3的驾驶室顶位移-力曲线可知，顶部可以承受20KN反力，能量传递合理，驾驶室顶部钣金最大塑性应变为0.004，小于目标阈值0.05，满足设计目标。

2.2.2 双排驾驶室乘员生存空间校核

本文同时研究了双排驾驶室在顶部碰撞情形下，乘员的生存空间安全问题，按照上述加载工况，得到如图4的分析结果，本文双排驾驶室可以承受21KN的力，发生在78ms时，驾驶室员头部空间依然有300mm的余量空间，生存空间满足国家法规要求。

图4 某双排驾驶室顶部碰撞乘员生存空间分析结果

3 双排驾驶室正面碰撞CAE分析

3.1 双排驾驶室正面碰撞边界条件

本文运用Hyperworks和Ls-dyna软件，根据国家交通部法规要求，利用上述双排轻卡驾驶室有限元模型，摆锤撞击面与驾驶室前端相接触，摆锤的质心和主驾R点相平行，撞击能量为29.4Kj，约束车架全部自由度，边界条件如图5所示。

图5 双排驾驶室正面撞击边界条件示意图

3.2 双排驾驶室正面碰撞强度分析结果

本文按照上述驾驶室正面碰撞加载边界条件，对某双排轻卡驾驶室进行了CAE安全分析，得到如图6的能量传递结果图和翻转机构应力结果云图，结果显示，初始撞击能量在29.4KJ，沙漏在合理范围内，能量转换正常。车架前端应力较合理，存在吸能设计，翻转机构未发生剪断风险，满足设计要求。

3.3 双排驾驶室正面碰撞强度分析结果

图7 双排驾驶室正面碰撞生存空间校核结果

本文按照上述分析边界条件，对某双排驾驶室正面碰撞分析后进行了生存空间的校核，得到如图7的分析结果，驾驶室员腿部空间充足，未与转向管柱及仪表板发生干涉，满足法规要求，具备足够的生存空间。

4 结论

本文时根据交通部定义的安全技术条件，基于CAE有限元分析软件Hyperworks和Ls-Dyna，对某双排轻卡驾驶室进行了顶部碰撞及正面碰撞CAE仿真分析，结果显示：

CAE仿真模型中主驾驶员和副驾乘员未与驾驶室其他部件出现干涉，显示乘员的生存空间是满足法规要求，综合评定该双排轻卡驾驶室安全性能满足法规和设计目标要求。

[1] 刘丽亚.商用车驾驶室乘员安全性仿真分析与试验研究[D].吉林:吉林工业大学,2011.

[2] 雷飞,李贵涛.高强度钢在商用车正碰安全性设计中的应用研究 [J].机械强度,2017,39(1):71-78.

[3] 武和全.汽车车架碰撞安全性分析及其优化设计[D].南昌:南昌大学,2007.

[4] 黄勤.基于LS-dyna的某轻卡驾驶室正面碰撞安全性能研究[J].南方农机,2020,11(1):31-33.

[5] 程阔,张健.驾驶室摆锤碰撞碰撞的仿真分析[J].机械科学与技术,2010(9):1268-1276.

Simulation Study on the Safety Performance of a double row Cab of Light Truck with FEM

Yang HuiHua1, Wang Li1, Pan Kaiguang2, Huang Qin1

( 1.Product Development & Technical Center, JiangLing Motors Co, Ltd, Jiangxi Nanchang 330001; 2.Department of Automotive Engineering, Jiangxi V&T College of Communications, Jiangxi Nanchang 330013 )

In order to verify whether the collision safety performance of a double row light truck cab meets the national regulations and design requirements, Based on the finite element method, this paper analyzes the safety performance of a double row light truck cab top impact and frontal collision. CAE analysis results show that the driver and passengers have enough living space at the top, while the front passenger has enough living space under the frontal collision. Therefore, the safety performance of the double row light truck cab meets the requirements of regulations and design.

Double row light truck; Cab;Crash; Safety performance

A

1671-7988(2020)24-130-03

U467

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1671-7988(2020)24-130-03

杨会华，就职于江西五十铃汽车有限公司产品开发技术中心。

10.16638/j.cnki.1671-7988.2020.24.043

CLC NO.: U467