某单排轻卡驾驶室正面碰撞安全性能仿真与试验研究

2021-06-04陈明亮林侦文黄勤张奇

汽车实用技术 2021年10期

陈明亮，林侦文，黄勤，张奇

（江西五十铃汽车有限公司产品开发技术中心，江西南昌 330001）

1 引言

随着城市物流行业的快速发展，轻卡销量得到高速增长，但同时乘员的安全风险也日益严峻，需引起汽车生产厂家及全社会的共同关注和重视。我国轻卡行业驾驶室主流形式为平头驾驶室，具有良好的造型和经济优越性，与此同时，当轻卡出现正面碰撞事故时，驾驶室白车身会经历由弹性变形过渡到很大的塑性变形，会挤压和伤害前排驾驶员和副驾乘员的生存空间，造成人身伤害的巨大安全事故，故单排轻卡驾驶室本身的结构强度和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[1-4]。考虑到当前国内轻卡主流车型是单排4.5T蓝牌车型，因此开展单排轻卡驾驶室正面碰撞安全性能的研究具有十分重要的经济价值和社会价值。

本文时依据交通部的营运货车安全技术条件，基于安全分析软件 Ls-Dyna，对某单排栏板轻卡驾驶室进行正面碰撞CAE仿真分析，研究了其能量传递规律和评价了乘员生存空间，同时在襄阳试验场进行了实车驾驶室正拍试验，实际验证校核该车型驾驶室安全性能设计能力水平。

2 单排驾驶室正面碰撞CAE分析

2.1 交通部营运货车正面撞击试验概述

交通部所定义的轻卡正面撞击试验，是采用质量均布的钢制撞击部件并且质量不小于 1500kg，撞击面为长方形平面，撞击器的质心小于驾驶室座椅R点50mm，撞击器应沿平行于车辆地纵向中心平面，水平撞击轻卡驾驶室前脸正面区域，如图1，本文所研究的对象为总质量4495kg的单排轻卡车型，对于撞击能量的要求如下：

最大总质量小于7.5T 的N2类车辆，撞击能量为29.4KJ。

试验主要目标，是考虑前部出现碰撞的特殊条件下的安全事故情形下，对主机厂研发制造的轻卡驾驶室和翻转机构及驾驶室强度进行全面校核和评价[5]，以实现减小对驾驶员和副驾乘员的人身伤害风险，保障乘员具备足够的生命安全空间。

图1 正面撞击试验示意图

2.2 单排驾驶室正面碰撞有限元模型

本文运用Hyperworks和Ls-dyna软件，建立如图2的某单排轻卡驾驶室正面碰撞仿真模型，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，CAE模型计算时间设定为150ms。

图2 某单排轻卡驾驶室有限元模型

2.3 单排驾驶室正面碰撞CAE结果分析

2.3.1 翻转机构安全性能校核

翻转机构是整车系统的重要受力和安全部件，其力学性能对于整车驾驶室的安全具有重要影响，本文中，需校核整车驾驶室在正面撞击情况下，翻转机构螺栓不应全部剪切断裂，需保证驾驶室处于固连状态。图3为某单排驾驶室车型正碰试验下的翻转机构安全强度仿真分析结果，结构变形仅为0.63%，满足材料强度要求。

图3 某单排驾驶室车型正碰分析翻转机构强度结果

本文同时也对翻转机构的螺栓轴力和剪切力进行了校核，得到如图4的分析结果，由图可知，发生正面碰撞时，不同固定螺栓所受到的轴向力和剪切力大小是不同的，且在前部时间区域，力的大小都达到峰值，而后期会振荡衰减，且力的幅值满足小于螺栓设计阈值目标。

图4 翻转机构螺栓力分析计算结果

2.3.2 乘员生存空间校核分析

CAE模型进行完碰撞后，分别校核驾驶员和副驾乘员的生存空间，其中驾驶员大腿距方向盘最外端有80mm空间，驾驶员左大腿距转向管柱外臂有21mm空间，右大腿距转向管柱外臂有24mm空间，副驾乘员生存空间更充足，腿部距仪表板足有10mm（图5），满足法规要求。

图5 乘员生存空间校核

3 驾驶室正面碰撞试验分析

本文在襄阳检测中心进行了某单排实车驾驶室正面碰撞试验（图6），试验样车为总质量4495kg的单排栏板轻卡，通过控制摆臂高度来实现撞击能量29.4KJ的要求，整车采用铁链固定约束车架前后端，碰撞后再放置假人，校核乘员生存空间，试验边界条件如图6。

图6 正面撞击验证试验

图7 驾驶员生存空间试验结

图8 副驾乘员生存空间试验结果

撞击试验后，检查翻转机构螺栓状态和校核主副驾驶乘员生存空间，经现场检测，单排栏板轻卡驾驶室翻转支座螺栓仅发生较小范围的塑性变形，固联良好，未发生剪断风险。假人放置于主副驾区域，驾驶员和副驾乘员腿部和其他部位离驾驶室仪表板和转向管柱等部件距离较大，具备足够的生存空间，满足法规要求，与CAE模拟分析结果趋势对标一致，试验结果如图7和图8。