簡盼盼

（江鈴汽車股份有限公司，江西 南昌 330100）

安全性能是消費者關(guān)注的重要指標(biāo)之一，中國對乘用車的安全性研究比較成熟，有標(biāo)準(zhǔn)《GB 11551—2014 汽車正面碰撞的乘員保護(hù)》[1]要求，有中國新車評價規(guī)程CNCAP，還有中國保險汽車安全指數(shù)CIASI等。但是對于輕型卡車整車碰撞安全性能而言，消費者以及社會各界關(guān)注得并不多，甚至很多消費者不知道使用何種安全標(biāo)準(zhǔn)來評價輕型卡車的安全性能。輕型卡車的安全性能分為兩個方面，一個是主動安全，另一個就是本文主要討論的被動安全。主動安全是提前識別危險，被動安全是在碰撞發(fā)生后保護(hù)乘員艙內(nèi)的乘員。本文主要研究使用乘用車正面碰撞標(biāo)準(zhǔn)，在50 km/h碰撞速度下的駕駛員損傷情況。

1 整車約束系統(tǒng)仿真模型的建立

如圖1所示，輕型卡車100%重疊正面沖擊固定剛性壁障，碰撞速度為50 km/h，在駕駛員位置放置一個Hybrid III型50百分位男性假人，用來測量駕駛員的頭部、頸部、胸部和大腿的損傷情況。整車約束系統(tǒng)仿真分析涉及車身結(jié)構(gòu)和乘員約束系統(tǒng)兩部分內(nèi)容，兩者相互補(bǔ)充，相互制約，缺一不可，為車身結(jié)構(gòu)設(shè)計和約束系統(tǒng)開發(fā)提供有效指導(dǎo)。相比于使用白車身進(jìn)行約束系統(tǒng)模型搭建，直接將假人放在整車上進(jìn)行模擬，能夠更加真實地模擬假人各部位在碰撞發(fā)生過程中的運(yùn)動情況，從而更加準(zhǔn)確地了解駕駛員的損傷情況。此外，不放置在滑臺上進(jìn)行模擬的原因是無法模擬貨箱在碰撞過程中對駕駛室撞擊的過程，會導(dǎo)致模擬的運(yùn)動狀態(tài)與實際所發(fā)生的情況不符。

圖1 輕型卡車整車正面碰撞約束系統(tǒng)分析模型

1.1 假人模型

本次分析采用的假人模型是Humanetics公司的Hybrid Ⅲ型第50百分位男性有限元假人，如圖2所示，該模型能夠較為準(zhǔn)確地模擬假人在碰撞過程中的運(yùn)動特性，有比較好的生物逼真度，根據(jù)工程經(jīng)驗對標(biāo)，該有限元假人可以較為準(zhǔn)確地提供假人損傷指標(biāo)。在Primer中可以通過設(shè)置H點坐標(biāo)來將假人移動到設(shè)計坐姿，并且運(yùn)用該軟件的假人設(shè)置模塊來將假人調(diào)整到《GB 11511—2014汽車正面碰撞的乘員保護(hù)》[1]中規(guī)定的位置：頭頂角為0°；假人的上臂貼近軀干，其中心線盡量接近鉛垂面；假人手掌在方向盤輪緣水平中心線處和輪緣外側(cè)相接觸，拇指放在轉(zhuǎn)向盤輪緣上；假人骨盆角度為22°；右腳放在未踩下的加速踏板上，左腳放在歇腳板上。調(diào)整好位置后需定義假人與座椅、安全帶、儀表板、方向盤、安全氣囊等部件的接觸[2]。

圖2 Hybrid Ⅲ型第50百分位男性假人模型

1.2 氣囊模型

本次分析所用的DAB有限元模型采用均勻壓力法建模[3]，如圖3所示。根據(jù)DAB氣袋實物圖建立相應(yīng)模型并分配折疊線，采用Primer氣袋折疊工具進(jìn)行折疊，折疊完成后對氣袋網(wǎng)格單元設(shè)置屬性和材料，氣袋網(wǎng)格單元使用四邊形膜單元，使用9號積分單元，氣袋材料使用織布材料卡片進(jìn)行定義。

圖3 方向盤和氣囊模型

1.3 安全帶模型

本次分析所用的安全帶模型是全2D單元組成的，如圖4所示。主要包括卷收器單元、滑環(huán)單元、殼單元。織帶材料卡片設(shè)置是Mat34[4]，需要在該材料卡片下設(shè)置安全帶的延伸率。此外，還需要在卷收器單元中設(shè)置安全帶力和位移的曲線。由于安全帶織帶從卷收器出來后需要經(jīng)過D環(huán)，所以需要在D環(huán)處設(shè)置一個摩擦系數(shù)，根據(jù)工程經(jīng)驗，該摩擦系數(shù)一般為0.13。

圖4 安全帶模型

1.4 輕型卡車模型

本次分析所用的整車模型是根據(jù)實車CAD數(shù)據(jù)一比一進(jìn)行建模，如圖5所示。主要包括以下系統(tǒng)：車身系統(tǒng)、車門系統(tǒng)、貨箱系統(tǒng)、動力系統(tǒng)、傳動系統(tǒng)、車架系統(tǒng)、座椅系統(tǒng)、冷卻系統(tǒng)、轉(zhuǎn)向系統(tǒng)、排氣系統(tǒng)、燃油系統(tǒng)等。目前，乘用車整車碰撞模型搭建已經(jīng)非常成熟，但是像輕型卡車的整車碰撞模型國內(nèi)研究較少，例如貨箱與車架之間使用木頭來減緩摩擦，使用Mat143號材料卡片進(jìn)行設(shè)置；油箱中的燃油使用粒子法進(jìn)行建模，以便能夠準(zhǔn)確地模擬燃油的運(yùn)動狀態(tài)，并且可以考察油箱的受力狀態(tài)。

圖5 整車模型

2 整車約束系統(tǒng)仿真結(jié)果

按照標(biāo)準(zhǔn)《GB 11551—2014汽車正面碰撞的乘員保護(hù)》[1]的規(guī)定，輸出以下指標(biāo)來評判駕駛員的傷害情況，頭部性能指標(biāo)（HPC）、頸部傷害指標(biāo)（NIC）、胸部壓縮指標(biāo)（THPC）和黏性指標(biāo)（V.C）、大腿壓縮力指標(biāo)（FFC）。輕型卡車碰撞后的結(jié)果如圖6所示。

圖6 整車約束系統(tǒng)碰撞結(jié)果

2.1 頭部性能指標(biāo)（HPC）

駕駛員頭部合成加速度曲線如圖7所示，峰值為68.5 g，出現(xiàn)的時間在51 ms。HIC36是474.57，頭部3 ms合成加速度是54.6 g。這兩項指標(biāo)均符合乘用車正面碰撞標(biāo)準(zhǔn)要求。

圖7 駕駛員頭部合成加速度曲線

2.2 頸部傷害指標(biāo)（NIC）

駕駛員頸部軸向拉伸力曲線如圖8所示，駕駛員頸部剪切力曲線如圖9所示，駕駛員頸部對Y軸彎矩在伸張方向曲線如圖10所示。駕駛員頸部軸向拉伸力曲線，符合乘用車正面碰撞標(biāo)準(zhǔn)要求；駕駛員頸部剪切力曲線，不符合乘用車正面碰撞標(biāo)準(zhǔn)要求；駕駛員頸部對Y軸彎矩在伸張方向峰值為18.4 N·m，峰值時刻為40 ms，符合乘用車正面碰撞標(biāo)準(zhǔn)要求。

圖8 駕駛員頸部軸向拉伸力曲線

圖9 駕駛員頸部剪切力曲線

圖10 駕駛員頸部對Y軸彎矩在伸張方向曲線

2.3 胸部壓縮指標(biāo)（THPC）和黏性指標(biāo)（V.C）

駕駛員胸部壓縮曲線如圖11所示，駕駛員胸部黏性曲線如圖12所示。駕駛員胸部壓縮指標(biāo)為61.06 mm，峰值時刻為53 ms，符合乘用車正面碰撞標(biāo)準(zhǔn)要求。駕駛員胸部黏性指標(biāo)為1.392 m/s，峰值時刻為48 ms，不符合乘用車正面碰撞標(biāo)準(zhǔn)要求。

圖11 駕駛員胸部壓縮曲線

圖12 駕駛員胸部黏性曲線

2.4 大腿壓縮力指標(biāo)（FFC）

駕駛員左大腿軸向力曲線如圖13所示，駕駛員右大腿軸向力曲線如圖14所示。駕駛員左大腿壓縮力曲線，不符合乘用車正面碰撞標(biāo)準(zhǔn)要求；駕駛員右大腿壓縮力曲線，符合乘用車正面碰撞標(biāo)準(zhǔn)要求。

圖13 駕駛員左大腿力曲線

圖14 駕駛員右大腿力曲線

3 分析結(jié)論及建議

筆者通過對輕型卡車進(jìn)行整車正面碰撞約束系統(tǒng)分析，得出以下結(jié)論和建議：

1）該輕型卡車駕駛員頭部性能指標(biāo)符合乘用車正面碰撞標(biāo)準(zhǔn)要求，頸部傷害指標(biāo)、胸部壓縮指標(biāo)和黏性指標(biāo)、大腿壓縮力指標(biāo)不符合乘用車正面碰撞標(biāo)準(zhǔn)要求。

2）車門變形可以看出駕駛室發(fā)生了較為嚴(yán)重的變形，可以通過前端設(shè)計吸能部件減緩乘員艙的變形[5]。貨箱對駕駛室也有沖擊，可以增加貨箱與車架固定的螺栓來控制貨箱的前移。

3）該安全氣囊無法有效保護(hù)駕駛員的頭部，可以通過增大氣袋體積，用類似于乘用車副駕駛氣囊的袋型來改善頸部的損傷；由于輕型卡車駕駛員空間不足，導(dǎo)致方向盤與胸部直接發(fā)生撞擊，胸部損傷較為惡劣；駕駛員大腿與儀表板產(chǎn)生撞擊，導(dǎo)致大腿力嚴(yán)重超標(biāo)，可以通過對儀表板內(nèi)的安裝支架重新進(jìn)行設(shè)計，讓其在大腿撞擊時發(fā)生斷裂，從而優(yōu)化該損傷。