彭云，彭宏，李東強(qiáng)，毛飛，黃少娟，魏嘵菲

滿(mǎn)足FMVSS 201U的汽車(chē)立柱飾板開(kāi)發(fā)研究

彭云，彭宏，李東強(qiáng)，毛飛，黃少娟，魏嘵菲

（廣州汽車(chē)集團(tuán)股份有限公司汽車(chē)工程研究院，廣東 廣州 511434）

為滿(mǎn)足北美法規(guī)FMVSS 201，結(jié)合汽車(chē)整車(chē)開(kāi)發(fā)流程，針對(duì)立柱飾板提出了滿(mǎn)足FMVSS 201U的開(kāi)發(fā)流程，在項(xiàng)目關(guān)鍵節(jié)點(diǎn)通過(guò)合理設(shè)計(jì)方法，結(jié)合仿真與試驗(yàn)結(jié)果提出優(yōu)化方案，縮短了開(kāi)發(fā)周期，降低了開(kāi)發(fā)成本。

FMVSS 201U；立柱飾板；CAE

前言

根據(jù)汽美國(guó)國(guó)家事故采樣系統(tǒng)統(tǒng)計(jì)，在道路交通事故中，超過(guò)1/3的傷亡是乘員頭部與汽車(chē)內(nèi)飾件發(fā)生碰撞造成的，降低因乘員頭部與內(nèi)飾件二次碰撞造成的損傷尤為重要[1]。美國(guó)國(guó)家公路交通安全管理局（NHTSA）制定了FMVSS 201U法規(guī)，以考察立柱上飾板及頂棚零件的安全性設(shè)計(jì)[2]。雖然國(guó)標(biāo)乘用車(chē)內(nèi)部凸出物法規(guī)GB 11552未考慮上部飾件頭碰保護(hù)要求，但考慮到乘員安全性要求，設(shè)計(jì)開(kāi)發(fā)滿(mǎn)足FMVSS 201U的內(nèi)飾變得非常有必要。G. Spingler[3]對(duì) A 柱上測(cè)試點(diǎn)進(jìn)行頭部碰撞試驗(yàn)仿真，研究了測(cè)試點(diǎn)位置及碰撞時(shí)轉(zhuǎn)動(dòng)運(yùn)動(dòng)對(duì)傷害值的影響，并通過(guò)在 A 柱上增加合理的肋結(jié)構(gòu)以減小對(duì)頭部的傷害。王[4]基于B柱CAE模型分析了飾板厚度、材料、結(jié)構(gòu)對(duì)HIC影響。Ben[5]和向[6]以A柱為例介紹了CAE模型建模方法，并與試驗(yàn)結(jié)果對(duì)比。曾[7]介紹了滿(mǎn)足FMVSS 201U的內(nèi)飾設(shè)計(jì)原則，分析了內(nèi)飾件的造型，吸能塊的形式與布置，吸能材料的選擇和吸能結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)等因素對(duì)內(nèi)飾件頭部碰撞保護(hù)的影響。

為解決立柱飾板的FMVSS 201U安全性開(kāi)發(fā)要求，結(jié)合整車(chē)開(kāi)發(fā)流程，利用仿真與試驗(yàn)相結(jié)合的方法，在設(shè)計(jì)階段優(yōu)化立柱飾板，能大大提升法規(guī)符合性要求。

1 FMVSS 201U法規(guī)介紹

針對(duì)乘用車(chē)以及額定車(chē)輛總重不超過(guò)4536kg的多用途乘用車(chē)、卡車(chē)和客車(chē)（不適用額定車(chē)輛總重大于3860kg的客車(chē)）。質(zhì)量為4.54kg的50百分位混Ⅲ假人自由頭部模型（Free Motion Head，F(xiàn)MH）以19.2或24km/h（不帶側(cè)氣簾車(chē)型碰撞速度為24km/h；帶側(cè)氣簾車(chē)型在氣簾系統(tǒng)50mm以?xún)?nèi)區(qū)域碰撞速度為19.2km/h，氣簾系統(tǒng)50mm以外區(qū)域碰撞速度為24km/h）在規(guī)水平接近角和垂直定接近角撞擊上部?jī)?nèi)飾件，要求HIC（d）應(yīng)小于1000[8]。根據(jù)法規(guī)要求確定碰撞點(diǎn)位置，要求碰撞點(diǎn)落于FMH的前額碰撞區(qū)域，如圖1、圖2所示。針對(duì)各目標(biāo)點(diǎn)所在的不同內(nèi)飾件，法規(guī)對(duì)FMH碰撞時(shí)的發(fā)散的水平角與垂直角有明確規(guī)定，各目標(biāo)點(diǎn)的發(fā)射角度，如圖3，表1所示。

圖1 碰撞點(diǎn)示意圖

圖2 FMH前額碰撞區(qū)域示意圖

圖3 水平接近角與垂直接近角示意圖

表1 碰撞點(diǎn)水平接近角與垂直接近角范圍

2 碰撞機(jī)理分析

假人頭部損傷計(jì)算公式如下：

碰撞過(guò)程中，根據(jù)能量守恒定律，如式3和式4，初始能量受頭模質(zhì)量與撞擊速度影響，為恒定值。頭模與內(nèi)飾表面接觸過(guò)程受到作用力的方向與質(zhì)心不在一個(gè)方向，故產(chǎn)生旋轉(zhuǎn)力矩，將一部分能量轉(zhuǎn)換為轉(zhuǎn)動(dòng)動(dòng)能，而假人頭部損傷受平動(dòng)影響，旋轉(zhuǎn)動(dòng)能越大，平動(dòng)加速度越小，假人損傷值越低。垂直接近角增大，頭模轉(zhuǎn)動(dòng)能量越大，HIC值越低，水平接近角越接近0度，HIC值越大[9]-[10]。

圖4 FMH垂直角度、水平角度與HIC(d)的相關(guān)性

3 基于FMVSS 201U的立柱飾板正向開(kāi)發(fā)流程

圖5 立柱飾板FMVSS 201U主要開(kāi)發(fā)節(jié)點(diǎn)

如圖5所示，在概念設(shè)計(jì)階段，根據(jù)FMVSS201U的試驗(yàn)流程確認(rèn)碰撞區(qū)域及碰撞點(diǎn)位置，在主斷面設(shè)計(jì)時(shí)，結(jié)合對(duì)標(biāo)庫(kù)及經(jīng)驗(yàn)庫(kù)數(shù)據(jù)，校核內(nèi)造型面與鈑金之間的吸能空間，校核FMH接觸區(qū)域曲面輪廓，通過(guò)增大吸能空間與提高轉(zhuǎn)動(dòng)能量來(lái)降低HIC(d)。在詳細(xì)設(shè)計(jì)階段，通過(guò)合理設(shè)計(jì)背部吸能結(jié)構(gòu)，結(jié)合CAE分析方法降低HIC(d)。根據(jù)FMVSS201U試驗(yàn)流程進(jìn)行DV試驗(yàn)驗(yàn)證，同時(shí)將仿真分析模型與試驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行擬合性分析，確認(rèn)分析結(jié)果的準(zhǔn)確性。

結(jié)合整車(chē)開(kāi)發(fā)流程，在項(xiàng)目關(guān)鍵開(kāi)發(fā)節(jié)點(diǎn)上，提出了滿(mǎn)足FMVSS 201U的內(nèi)飾正向開(kāi)發(fā)流程，如圖6所示。

圖6 滿(mǎn)足FMVSS 201U內(nèi)飾開(kāi)發(fā)流程圖

4 案例分析

以某款車(chē)型開(kāi)發(fā)為例，根據(jù)FMVSS 201U法規(guī)要求，確認(rèn)碰撞點(diǎn)，及FMH碰撞水平接近角及垂直接近角，根據(jù)材料庫(kù)參數(shù)及3D數(shù)據(jù)用Hypermesh建立仿真分析模型。然后用LSDYNA軟件計(jì)算出碰撞點(diǎn)HIC(d)，結(jié)合試驗(yàn)結(jié)果，對(duì)CAE模型進(jìn)行修正，同時(shí)制定優(yōu)化方案。結(jié)果顯示，優(yōu)化方案明顯降低了假人頭部損傷，為后續(xù)新車(chē)型開(kāi)發(fā)提供的設(shè)計(jì)經(jīng)驗(yàn)。

4.1 CAE仿真模型建立

為了反映車(chē)身剛度對(duì)FMVSS 201U結(jié)果影響，模型中包含白車(chē)身和內(nèi)飾。懸架和動(dòng)力傳動(dòng)系統(tǒng)對(duì)結(jié)果影響較小，可以忽略。在白車(chē)身和懸架連接處的節(jié)點(diǎn)約束6個(gè)方向自由度。卡扣采用塑料材料殼單元模擬，與白車(chē)身用剛性連接，如圖7所示。

圖7 仿真模型

根據(jù)FMSS 201的要求確定碰撞點(diǎn)坐標(biāo)，同時(shí)調(diào)整FMH的垂直角度和水平角度。最終輸出碰撞點(diǎn)及FMH位置信息，表2為AP2碰撞點(diǎn)信息表。

表2 AP2碰撞點(diǎn)及FMH位置信息

將計(jì)算模型提交后處理器計(jì)算，輸出碰撞動(dòng)畫(huà)、加速度位移曲線及HIC(d)值。圖8為AP2仿真結(jié)果，HIC (d, 36) = 1281，超出法規(guī)要求。

4.2 試驗(yàn)關(guān)鍵要求

根據(jù)201U頭碰試驗(yàn)操作規(guī)則，按要求完成配重、胎壓檢測(cè)、車(chē)身姿態(tài)確認(rèn)等準(zhǔn)備工作。然后根據(jù)CAE仿真分析結(jié)果，選取仿真結(jié)果中高風(fēng)險(xiǎn)點(diǎn)作為試驗(yàn)碰撞點(diǎn)。根據(jù)仿真分析結(jié)果調(diào)整模型的水平角、垂直角、碰撞速度等信息。圖9為AP2碰撞信息示意。

圖9 AP2碰撞信息

4.3 CAE結(jié)果及優(yōu)化

CAE模型建立后根據(jù)試驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行擬合性?xún)?yōu)化，其中密封條采用3D實(shí)體建模，按實(shí)際裝配狀態(tài)調(diào)整密封條唇邊，使唇邊貼合飾板邊緣面。安全帶高調(diào)器中可調(diào)整結(jié)構(gòu)需要建模，通知保證機(jī)構(gòu)件的運(yùn)動(dòng)關(guān)系，導(dǎo)向環(huán)與螺栓連接的相對(duì)轉(zhuǎn)動(dòng)運(yùn)動(dòng)需要保留，同時(shí)碰撞點(diǎn)位置和碰撞角度根據(jù)試驗(yàn)結(jié)果調(diào)整。

以AP2為例，碰撞速度為24km/h,HIC仿真結(jié)果為1281.7，HIC試驗(yàn)結(jié)果為1207.2，加速度與位移曲線仿真與試驗(yàn)一致性較高，如圖10所示。

圖10 AP2試驗(yàn)與仿真結(jié)果對(duì)比

表3 優(yōu)化方案結(jié)果對(duì)比

為降低HIC值，可以通過(guò)調(diào)整CAS、背部增加筋條等方案增大吸能效果。具體方案及仿真結(jié)果如表3所示。

通過(guò)對(duì)比4個(gè)方案，最終采用方案三，造型A面向外移動(dòng)10mm，背部增加筋條，同時(shí)考慮A柱中的側(cè)氣簾正常展開(kāi)，在氣簾區(qū)域增加弱化槽，最終優(yōu)化方案CAE結(jié)果HIC(d)為792，滿(mǎn)足分析要求，圖11為優(yōu)化后A柱上飾板實(shí)物圖。

5 總結(jié)

針對(duì)立柱飾板的FMVSS201U法規(guī)符合性，結(jié)合整車(chē)開(kāi)發(fā)流程，提出了基于安全性的正向開(kāi)發(fā)流程，通過(guò)仿真與試驗(yàn)結(jié)合方法優(yōu)化方案，最終滿(mǎn)足法規(guī)要求，該方法可適用于頂棚系統(tǒng)零件的開(kāi)發(fā)。

[1] 古杰.基于大規(guī)模仿真數(shù)據(jù)的騎車(chē)人碰撞行為研究[D].北京:清華大學(xué),2010.

[2] National Highway Traffic Safety Administration,Dept.of Transporta -tion.Standard No.201:Occupant Protection in Interior Impact,49 CFR,Ch.V,Parts 571.201[S].Federal Motor Vehicle Safety Standards, October 1998,

[3] G.Spingler.FMVSS 201:Appropriate Injected Rib Design for Trim Panels [R]. SAE Paper 2007-01-2128,2007.

[4] 王亞軍,陳超卓,吳沈榮.FMVSS201 規(guī)程在車(chē)輛內(nèi)飾件與乘員頭部碰撞中的應(yīng)用,汽車(chē)安全與節(jié)能學(xué)報(bào),2010.

[5] Ben Dennis and Richard Sturt, “CAE METHODS FOR SIMULAT -ING FMVSS 201 INTERIOR HEAD IMPACT TESTS”, Interna -tional Technical Conference on the Enhanced Safety of Vehicles Cd Rom, 2001.

[6] 向良明,徐以國(guó).基于有限元碰撞分析的汽車(chē)柱飾板結(jié)構(gòu)優(yōu)化[J]. 設(shè)計(jì)研究,2012.

[7] 曾憲菁,滿(mǎn)足頭部碰撞法規(guī)FMVSS 201U要求的內(nèi)飾設(shè)計(jì)[J].汽車(chē)工程,2013,5(2):152-158.[8] NHTSA, Laboratory Test Procedure For FMVSS 201 Occupant Protection in Interior Impact Upper Interior Head Impact Protection, TP201U-01, April 3, 1998.

[8] Wang Yang, BI Tengfei, Du Tianqiang, Kong Jun, Wang Kun,” Research on the Relation between HIC(d) and Approach Angle in FMVSS 201U Headform Test”,The 10th Int, Forum of Automotive Traffic Safety(INFATS), Shenzhen-Hongkong, China, January 2013.

[9] 呂婕.汽車(chē)內(nèi)飾件與乘員頭部碰撞仿真自動(dòng)化模塊開(kāi)發(fā)及應(yīng)用.吉林大學(xué).碩士學(xué)位論文.2016.

Development and research of automotive pillar trim for FMVSS 201U

Peng Yun, Peng Hong, Li Dongqiang, Mao Fei, Huang Shaojuan, Wei Xiaofei

( Guangzhou Automobile Group Co., Ltd. Automobile Engineering Research Institute, Guangdong Guangzhou 511434 )

In order to meet the North American regulations FMVSS 201, combined with the vehicle development process, the development process of FMVSS 201U is proposed for the pillar trim, and the optimization plan is adopted at the key nodes of the project through reasonable design methods, combined with simulation and test results, shortening the development cycle and reducing Development costs.

FMVSS 201U;Pillar trim;CAE

U463

A

1671-7988(2019)18-85-04

U463

A

1671-7988(2019)18-85-04

彭云，碩士，就職于廣州汽車(chē)集團(tuán)股份有限公司汽車(chē)工程研究院，主要研究方向?yàn)槠?chē)被動(dòng)安全、汽車(chē)內(nèi)飾結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)等。

10.16638/j.cnki.1671-7988.2019.18.028