基于《汽车正面碰撞的乘员保护》的某轻卡碰撞CAE模型对标探索与实践

摘 要：文章旨在探讨基于《汽车正面碰撞的乘员保护》的某轻卡碰撞CAE模型的建立与修正。通过对该标准的详细解读和分析，结合实际案例，本研究建立了一套适用于某轻卡碰撞仿真的整车CAE模型及分析方法。经整车实物碰撞验证和比对，B柱加速度曲线相似度高达96.5%，加速度曲线峰值时刻基本吻合、试验峰值优于CAE峰值20g，驾驶室门框变形量差异小于20mm，证明该CAE模型在预测碰撞情况和评估车辆安全性能方面具有较高的准确性和可靠性。本研究的成果为轻卡碰撞仿真提供了一种新的方法和视角，对于提升轻卡碰撞安全性能具有重要指导意义和实践价值。

关键词：轻卡碰撞 CAE模型建立与修正 B柱加速度 驾驶室变形量

随着车辆碰撞CAE仿真技术在汽车安全领域的重要性日益凸显，对标《汽车正面碰撞的乘员保护》（GB 11551-2014，以下简称GB 11551）[1]将有助于提高碰撞仿真的准确性和可靠性，从而推动轻型卡车碰撞安全性能的评估和优化[2]。

目前，业内关于轻卡碰撞仿真领域的研究，大都集中于满足GB 26512标准[3]要求，陈东益等[4]提出了基于ECER29-03标准的碰撞过程中乘员生存空间的虚拟评价方法，牛思杰等[5-7]在新一代轻卡开发中，对正面撞击、双A柱撞击和顶部强度进行了大量仿真分析，根据碰撞载荷传递路径，在关键部位进行结构设计加强和优化，碰撞性能达成了开发目标。然而，基于GB 11551标准的轻卡碰撞CAE仿真技术研究极少[8]且多集中在传统碰撞模型上，缺乏对轻卡等大能量汽车碰撞失效CAE预测的深入探索与应用。本研究旨在填补这一空白，为轻卡碰撞仿真技术的发展提供新的思路与方法。

本文旨在建立一个基于GB 11551标准的轻卡碰撞CAE模型，并通过对标实践，探索其在轻卡碰撞仿真中的应用效果。本研究将采用CAE仿真建模、子系统碰撞失效、对标实验等方法，验证轻卡整车碰撞CAE模型的准确性与可靠性，推动轻卡碰撞安全技术进步。

1 轻卡CAE模型对标基本原则

1.1 CAE模型对标流程

轻卡高速碰撞CAE模型对标，其前提条件是建立一个基础模型。基础模型至少应当包含：与整车CAD数据对应的网格、材料力学性能曲线库、连接关系、整车重量和质心坐标等数据。

根据GB 11551的规定，对基础模型设置的边界条件进行检查与修正。采用LS-DYNA求解器对模型进行有限元计算[9-10]，计算完成后，应重点考察车架与车身的变形模式。本文针对轻卡整车重量大、碰撞能量大的特点，重点关注前端构件、发动机悬置、燃油系统和后悬挂系统的失效情况以修正CAE模型具体对标流程见图2。

1.2 CAE计算对标范围

GB 11551规定的N1 类车辆车身安全要求主要为：a） 在试验过程中，车门不得开启；b） 在试验过程中，前门锁止系统不得发生锁止；c） 碰撞试验后，除支持假人质量的必要工具外不能使用其他工具，应能：

（1）对应于每排座位，若有门，至少有一个能打开。如果没有门，移动座椅或改变座椅靠背位置使得所有乘员能够撤离。（2）将假人从约束系统中解脱时，如果发生了锁止，通过在松脱位置上施加不超过60N 的压力，该约束系统能被打开。（3）不调整座椅，从车中完好取出假人。【考察碰撞过程中车门系统功能性和碰撞后乘员舱完整性】（4）在碰撞过程中，燃油供给系统不应发生泄漏。（5）碰撞试验后，若燃油供给系统存在液体连续泄漏，则在碰撞后前5min平均泄漏速率不得大于30g/min；如果来自燃油供给系统的液体与来自其他系统的液体混合，且不同的液体不容易分离和辨认，则在评定连续泄漏时，收集到的所有液体都应计入。【考察整个碰撞过程燃油系统完整性】

1.3 CAE计算加速度评价

本文研究了曲线相似性评价方法[11]，参考ISO18571标准，提出了轻卡碰撞B柱加速度CAE曲线与实测曲线的相似度计算方法如下：

R=wz*Z+wp*Ep+wm*Em+ws*Es

wz+wp+wm+ws=1

其中，R为曲线相似度值，Z为通道值、Ep为相位差、Em为峰值差、Es为曲线斜率差，wz、wp、wm、ws为与之对应的权重系数。

2 轻卡CAE模型对标过程

2.1 燃油系统失效对标

本文使用SPH例子法模拟油液，替代等效配重的表达方式，可以准确模拟油液对壳体的冲击以及箱体真实变形。如图3所示，CAE分析结果显示油箱本体最大塑性应变为26.3%，未超过材料DC04的失效应变38%，符合要求。油箱箍带最大塑性应变为38.3%，超过材料的Q195的失效应变33%，油箱箍带将发生失效。实际碰撞过程中也发生了箍带断裂导致油箱脱落的情况。因此，采用SPH法模拟油液可以有效提高轻卡碰撞CAE模型对标水平。

2.2 后悬系统失效对标

由于轻卡高速碰撞时产生的惯性力大，车辆正面撞击刚性墙后端Pitch角更大，甩尾现象更加明显，后悬系统容易失效掉落。因此，更改CAE模型中后悬挂设置方式，对后悬挂系统的材料设置失效应变，达到此应变的网格将被删除，可以更准确地模拟整车运动姿态。

2.3 车架变形模式对标

车架变形模式与CAE模型的可靠性直接相关，根据基础车型的高速碰撞结果，调整CAE模型车架前端的材料刚度，将吸能盒溃缩变形改为第一横梁折弯变形，精确地复现该轻卡高速碰撞的变形模式，如图5。

3 轻卡高速碰撞实物验证

3.1 加速度曲线相似度验证

经过整车CAE模型对标与修正，采用1.3所述的加速度曲线相似度评价方法，获得B柱加速度CAE曲线与实验曲线如图6，其中黑色为CAE曲线，红色为实验曲线。曲线相似度高达96.5%，加速度曲线峰值时刻基本吻合、试验峰值优于CAE峰值20g。

3.2 驾驶室变形侵入对标验证

车辆的变形与完整性是一种辩证的关系，设计工程师需要精心设计并严格测试，以确保在发生碰撞时，车辆能够在保护乘客安全的同时，通过合理的变形来吸收和分散碰撞能量。对于轻型卡车而言，驾驶室变形侵入是轻卡高速碰撞结构完整性的评价指标，变形侵入越大，碰撞后车门被挤压不能打开的风险越高，同时乘员舱内的生存空间越小。

驾驶室门框变形量差异小于20mm，A柱至座椅固定点相对位置变化量差异小于25mm（表2）。

4 总结

本文通过计算机辅助工程（CAE）技术，依据GB 11551，对某型号轻型卡车进行碰撞仿真分析，以评估其在高速正面碰撞下的安全性能。通过建立精确的轻卡碰撞模型，设置燃油系统、后悬系统等失效条件，能够有效地模拟实际碰撞场景，为车辆设计提供重要的安全性能指标。

在对标探索阶段，研究采用了SPH模拟油液可以更准确地复现碰撞形态，提出了基于ISO 18571标准的B柱加速度曲线相似度计算方法。

经整车实物碰撞验证和比对，B柱加速度曲线相似度高达96.5%，加速度曲线峰值时刻基本吻合、试验峰值优于CAE峰值20g，驾驶室门框变形量差异小于20mm，A柱至座椅固定点相对变形量差异小于25mm，证明对标修正后的CAE模型在评估车辆安全性能方面具有较高的准确性和可靠性。

本研究的意义在于，它不仅展示了GB 11551标准下轻卡碰撞CAE模型的开发和应用流程，而且通过对标探索，为轻卡的安全设计提供了科学依据和实践指导。

基金项目：江西省重点研发计划项目“复杂场景下新能源汽车碰撞数字孪生关键技术”（20232BBE50008）研究成果。

参考文献：

[1]GB 11551-2014，汽车正面碰撞的乘员保护[S].

[2]宋健，王伟玮，李亮，等.汽车安全技术的研究现状和展望[J].汽车安全与节能学报，2010，1（02）：98-106.

[3]GB 26512-2021，商用车驾驶室乘员保护[S].

[4]陈东益.某轻型卡车的碰撞安全仿真分析[D].南京：南京理工大学，2013.

[5]牛思杰，黄伟，姜鑫，等.基于析因设计的轻卡正面碰撞安全性优化[J].机械设计与研究，2019，35（05）：194-200+205.

[6]陈明亮，林侦文，黄勤，等.某单排轻卡驾驶室正面碰撞安全性能仿真与试验研究[J].汽车实用技术，2021，46（10）：58-60.

[7]强小文，侯路.某轻卡驾驶室碰撞性能仿真研究[J].汽车科技，2023（02）：64-72.

[8]杨蔚.轻型商用车整车碰撞安全开发[J].时代汽车，2020（08）：152-154.

[9]张维刚，钟志华.非线性动态有限元碰撞仿真技术的工程应用研究[J].计算机仿真，2002（02）：85-88.

[10]贾宏波，黄金陵，谷安涛，等.数值模拟技术在汽车碰撞分析中的应用[J].中国公路学报，1999.

[11]陈再现，许耀龙，王超.基于改进形状上下文算法的滞回曲线相似性评价[J/OL].工程力学，1-9[2024-02-19].