基于頭碰工況的某儀表板有限元分析及優(yōu)化

李金龍 馬媛媛 肖攀 周建文

（中國(guó)汽車工程研究院股份有限公司）

隨著汽車行業(yè)的發(fā)展，消費(fèi)者在選購(gòu)汽車產(chǎn)品的時(shí)候越來(lái)越關(guān)注駕駛室乘客的安全問題。當(dāng)汽車在發(fā)生碰撞時(shí)，頭部往往會(huì)撞擊到汽車儀表板內(nèi)部凸出物而受到傷害，故在交通事故發(fā)生時(shí)，頭部作為無(wú)法有效保護(hù)的部位成為受到傷害最多的部位之一[1]。所以儀表板作為內(nèi)飾件中功能最強(qiáng)大、結(jié)構(gòu)最復(fù)雜及工藝要求最高的部件，不僅要滿足功能性、舒適性及裝飾性要求，還要有較高的安全性[2]。為了避免汽車儀表板凸出物在碰撞時(shí)對(duì)乘客產(chǎn)生較大的傷害，我國(guó)制定了相應(yīng)的法規(guī)（GB 11552—2009）對(duì)車內(nèi)部凸出物進(jìn)行限制。文章針對(duì)儀表板內(nèi)部凸出物頭部碰撞問題，利用有限元分析的方法對(duì)測(cè)試點(diǎn)進(jìn)行仿真分析，得到計(jì)算結(jié)果并對(duì)儀表板結(jié)構(gòu)進(jìn)行優(yōu)化。該分析對(duì)儀表板的設(shè)計(jì)優(yōu)化具有指導(dǎo)意義。

1 確定頭部碰撞區(qū)的邊界

在建立儀表板頭碰有限元模型之前，首先按照GB 11552—2009的相關(guān)法規(guī)確定出頭部碰撞基準(zhǔn)區(qū)[3]。頭部碰撞區(qū)是前排乘客頭部可能碰到的區(qū)域，頭部碰撞區(qū)由碰撞區(qū)邊界和免檢區(qū)的邊界組合而成。

碰撞區(qū)域上邊界為玻璃內(nèi)表面往里100 mm，下邊界為儀表板水平線；免檢區(qū)是由主副駕駛免檢區(qū)、門護(hù)板及A柱護(hù)板免檢區(qū)組成。主駕駛免檢區(qū)是因?yàn)檗D(zhuǎn)向盤的存在而產(chǎn)生的，當(dāng)轉(zhuǎn)向盤管柱分別在上止點(diǎn)和下止點(diǎn)位置時(shí)，轉(zhuǎn)向盤外徑向外擴(kuò)127 mm得到2個(gè)圓。過(guò)轉(zhuǎn)向盤的最低點(diǎn)做1條直線，該直線與圓圍成的區(qū)域即為駕駛員側(cè)免檢區(qū)域[4]。副駕駛免檢區(qū)是利用直徑為165 mm的球頭裝置測(cè)量得到的，該測(cè)量器長(zhǎng)度為736～840 mm且可連續(xù)。測(cè)量器一端安裝了球頭，另一端模擬人體胯關(guān)節(jié)并固定在座椅R點(diǎn)。具體操作方法：將一端固定在副駕駛座椅的R點(diǎn)，此時(shí)測(cè)量器長(zhǎng)為最小值736 mm，在儀表板上移動(dòng)另一端的球頭模型。通過(guò)此操作可以再在儀表板上得到一條曲線，再把長(zhǎng)度調(diào)整為840 mm，進(jìn)行同樣的操作，得到另一條曲線，2條曲線之外的區(qū)域即為副駕駛免檢區(qū)[5]。門護(hù)板及A柱護(hù)板的表面往里偏移82.5 mm的區(qū)域即為門護(hù)板及A柱護(hù)板免檢區(qū)。

綜合以上規(guī)定，最終得到儀表板頭部碰撞區(qū)位置，如圖1所示中紅色區(qū)域。

圖1 儀表板頭部碰撞區(qū)位置圖

在此區(qū)域中頭部碰撞器將以24.1 km/h的速度撞擊到儀表板任意表面，球頭加速度超過(guò)80 g的時(shí)間不能持續(xù)3 ms以上。在得到的頭部碰撞區(qū)內(nèi)選取頭碰測(cè)試點(diǎn)，其中儀表板的棱角、尖角及多個(gè)部件的縫合連接區(qū)域?yàn)榉治鲋攸c(diǎn)。文章共選取15個(gè)頭部碰撞分析點(diǎn)，其位置，如圖2所示。

圖2 儀表板頭部碰撞分析點(diǎn)位置分布圖

2 建立儀表板頭部碰撞分析有限元模型

截取車身和儀表板的相關(guān)部件，建立儀表板頭部碰撞分析有限元模型，其中包括儀表板骨架、CCB支架、蒙皮以及與剛度相關(guān)的所有組件，且在儀表板頭部碰撞區(qū)周邊起支撐作用的組件及結(jié)構(gòu)必須存在[6]。利用HyperMesh軟件對(duì)儀表板各部件進(jìn)行網(wǎng)格劃分，塑料件和金屬鈑金件均用殼單元?jiǎng)澐?。有限元模型中的CCB二保焊用rigid單元模擬，部件之間的卡扣以及螺栓連接用rigid單元連接，焊點(diǎn)連接使用DYNA軟件中的焊點(diǎn)單元DYNA100連接。將儀表板內(nèi)部的電氣組件建立為剛體，剛體與柔性體的連接利用ConstRigidR-body的連接關(guān)系進(jìn)行處理。最終保證所建立的儀表板模型能夠達(dá)到與實(shí)際一樣的連接效果。整個(gè)模型建立自動(dòng)接觸，頭部碰撞器與儀表板之間采用面面接觸。頭部碰撞器建立為剛體模型，頭部直徑為165 mm，最終得到的頭部碰撞有限元模型含有246 664個(gè)單元，249 136個(gè)節(jié)點(diǎn)。安裝在CCB支架上的電氣部件均按照實(shí)際質(zhì)量進(jìn)行配重。儀表板頭部碰撞有限元模型，如圖3所示。

圖3 儀表板頭部碰撞有限元模型圖

儀表板頭部碰撞有限元模型的邊界條件：儀表板總成與車身結(jié)構(gòu)有多處連接點(diǎn)，約束每個(gè)連接點(diǎn)的3個(gè)平動(dòng)自由度及3個(gè)旋轉(zhuǎn)自由度。其約束位置，如圖4所示。

圖4 儀表板總成邊界條件示意圖

3 分析結(jié)果及優(yōu)化建議

3.1 分析結(jié)果統(tǒng)計(jì)

對(duì)以上15個(gè)頭碰分析點(diǎn)依次進(jìn)行分析計(jì)算，在計(jì)算結(jié)果中導(dǎo)出碰撞器頭部點(diǎn)的加速度曲線。對(duì)該曲線在有限元后處理軟件中進(jìn)行處理，最終得到每個(gè)點(diǎn)的3 ms加速度值，如表1所示。按照法規(guī)要求碰撞器3 ms加速度值不能超過(guò)80 g。

表1 各測(cè)試點(diǎn)的碰撞器3 ms加速度結(jié)果統(tǒng)計(jì) g

頭部碰撞器在第2個(gè)分析點(diǎn)做碰撞測(cè)試時(shí)，頭部碰撞器的3 ms合成加速度值為83.1 g，超過(guò)法規(guī)要求的80 g，不滿足法規(guī)設(shè)計(jì)要求。其加速度曲線，如圖5所示。

圖5 優(yōu)化前第2測(cè)試點(diǎn)頭部碰撞器加速度曲線圖

3.2 優(yōu)化建議及結(jié)果

本儀表板采用硬質(zhì)塑料，材料相對(duì)較硬，在第2分析點(diǎn)周邊的右中部面板、中央出風(fēng)口面板、儀表板本體厚度分別為3，2.5，3 mm。3個(gè)面板的厚度均較厚，在碰撞時(shí)不容易發(fā)生潰縮，局部剛度較大。

從結(jié)構(gòu)上分析，該點(diǎn)為3個(gè)部件縫合連接區(qū)域，連接卡扣及螺栓連接比較多，連接卡扣和螺栓連接點(diǎn)結(jié)構(gòu)會(huì)大大增加該區(qū)域的剛度。右中部面板背面安裝卡扣較多且有加強(qiáng)筋，使得右中部面板本體剛度就比較大。距離該碰撞點(diǎn)最近的CCB支架（圖6中藍(lán)色支架）厚度為2 mm，明顯高于其他支架的厚度。綜合以上結(jié)構(gòu)特點(diǎn)，該位置在碰撞過(guò)程中很難發(fā)生潰縮，從而導(dǎo)致頭部碰撞器的3 ms合成加速度較大。綜合以上分析，提出3種優(yōu)化方法：1）將該區(qū)域的CCB安裝支架的厚度降為1.5 mm；2）刪除右中部面板背面的一條加強(qiáng)筋（圖6中紅色邊框所示）；3）將右中部面板本體的厚度降為2.5 mm。具體結(jié)構(gòu)，如圖6所示。

圖6 儀表板結(jié)構(gòu)第2測(cè)試點(diǎn)位置結(jié)構(gòu)圖

優(yōu)化后的儀表板第2測(cè)試點(diǎn)位置結(jié)構(gòu)剛度明顯降低，在頭部碰撞過(guò)程中會(huì)更容易發(fā)生潰縮變形，從而減小頭部碰撞器的3 ms合成加速度。優(yōu)化后結(jié)構(gòu)第2測(cè)試點(diǎn)頭部碰撞器3 ms加速度值為77.3 g，低于內(nèi)凸頭碰標(biāo)準(zhǔn)要求的80 g，滿足設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)要求。其加速度曲線，如圖7所示。

圖7 優(yōu)化后第2測(cè)試點(diǎn)頭部碰撞器加速度曲線圖

4 結(jié)論

文章闡述了儀表板頭部碰撞仿真的分析過(guò)程，并按照GB 11552—2009相關(guān)要求對(duì)頭部碰撞區(qū)以及免檢區(qū)域進(jìn)行了詳細(xì)地劃分；詳細(xì)介紹了儀表板頭部碰撞有限元模型的建立過(guò)程，利用有限元分析的方法對(duì)儀表板結(jié)構(gòu)的頭部碰撞性能進(jìn)行了分析計(jì)算。根據(jù)計(jì)算結(jié)果找出該儀表板結(jié)構(gòu)局部剛度過(guò)大的位置，通過(guò)局部結(jié)構(gòu)的弱化進(jìn)行優(yōu)化，保證了儀表板頭部碰撞性能。在儀表板設(shè)計(jì)階段就對(duì)結(jié)構(gòu)進(jìn)行優(yōu)化，能大大提高儀表板通過(guò)內(nèi)凸試驗(yàn)的概率。該仿真計(jì)算為儀表板的設(shè)計(jì)優(yōu)化提供了理論依據(jù)，有效縮短了研發(fā)周期，降低了研發(fā)成本并保證了儀表板質(zhì)量。