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汽车仪表板头部碰撞模拟分析
作者:管理员    发布于:2018-04-08 14:08:47    文字:【】【】【

  仪表板总成是汽车内饰中最重要的组成部分,是集安全性、功能性、舒适性与装饰性于一身的部件,设计上较好的仪表板能使驾驶员感到方便舒适,反之则可能影响驾驶员和乘员的安全,仪表板设计已成为汽车车身设计的一个重要组成部分。本文基于GB 11552和ECER21关于头部碰撞的相关法规,采用CAE瞬态显式算法,设计了对仪表板头部碰撞的模拟分析流程,并针对某具体车型的仪表板进行了头部碰撞模拟仿真分析,使仪表板在初始设计时就能考虑到对车内乘员的保护。

  在汽车碰撞中,大变形问题需要耗费大量的计算机时,为避免大型联立方程组求解,提高计算速度,一般采用CAE瞬态显式算法进行计算和分析。虚功原理变分格式的能量平衡方程如(1)式:在时刻,变形体运动方程的半离散形式为(2)式:点力矢量。

  单元采用单点积分算法,并在程序中增加对由于单点高斯积分四边形和六面体单元产生的沙漏模所能触及的车厢内部所有未装玻璃的区域。测量装置的胯关节放置于H点,测试头部碰撞区上边界的旋转点是一个在H点基础上前移127mm,上移19mm的点,虽然是针对可调座椅的,但这个旋转点位置也不会因为座椅的行程不同而改变,如示。

  头部碰撞区确疋示意图HeadForm模型示意基准区的确定。基淮区是指除去下列区域的头部碰撞区:(1)方向盘外缘再加127mm的环带水平向前投影的区域,下边界是当方向盘处于直线行驶位置时,以与方向盘下缘相切的水平面为界,(2)GB11552所规定的区域边缘与最近的汽车侧壁之间的仪表板部分表面,下边界以与方向盘下缘相切的水平面为界,(3)前风窗两侧的支柱。根据GB11552要求,仪表台的头部碰撞区域主要在副仪表台上。

  头部碰撞工况定义HeadForm材料定义导人HeadForm模型。HeadForm模型根据法规要求建立,直径为165mm,质量为6. 8kg,有限元模型如示,HeadForm模型的材料定义如示。

  选取撞击点,定义碰撞速度和约束。在仪表台头部碰撞基准区内选择最为危险的几个点,作为头部碰撞分析的撞击点,如示。根据GB11552要求,定义HeadForm模型的速度24.1km/h(根据每个碰撞点的角度,定义各个方向上的分速度)。在车身阶段面上的点进行全约束,抑制车身在碰撞过程中出现刚性位移,以免计算结果与实际不符。

  接触定义与关键控制卡片定义。仪表台头部碰撞分析中,接触定义主要有焊点与钣金件定义、自接触定义和HeadForm与仪表台表皮的接触定义。仪表台头部碰撞分析中大部分控制卡片的定义与正碰一致,主要是注意单位对控制卡片参数设置的影响,给出仪表台计算时间的控制卡片定义。

  表1计算结果撞击点序号峰值(g)超过3ms的值(g)1100在1.2ms~3.8ms区间内加速度计算时间的控制卡片定义头部碰撞的模拟分析的计算结果如表1所示,数据分析表明,在标准规定区域的五个撞击点位置上,球头模型的减速度大于80g的持续时间都小于3ms,符合标准碰撞要求。其中撞击点1的峰值较大,且球头模型的减速度超过80g的持续时间接近3mS,尽管满足碰撞要求,仍需进行工程优化。

  3仪表板设计的改进措施从表1的计算结果分析可见,仪表板靠近中部撞击的加速度时间历程峰值要小于与靠近边缘支承部位的撞击响应,这主要是由于仪表板的不同部位受冲击产生弹性回复力略有不同造成的。

  撞击点1的峰值超出要求值较多,但是持续时间较短,需要增加额外的支撑、增设更加密集的加强筋或者改变骨架厚度。骨架的厚度从强度的角度考虑可以适当增加,对撞击结果影响在能够接受的范围内可做调整。

  仪表罩结构优化仪表罩上的2,三个撞击点根据模拟碰撞的分析结果来看均符合标准碰撞要求,且峰值与超过3mS的值相比较均较小。但由于该部分区域在头部碰撞时易产生吸能缩溃,导致严重变形乃至破裂,较易产生碎片和锐边,因此选择该部分的材料时应尽可能采用韧性较好的柔性材料或者通过采用结构优化来控制碎片和锐边的产生。

  4结论本文根据GB11552和ECER21等相关法规关于头部碰撞的要求,采用瞬态显式算法计算仪表板总成承受球头模型瞬间撞击时响应,设计了仪表板头部碰撞模拟分析的流程。针对某具体车型的仪表板进行了试验和碰撞模拟仿真分析,根据分析的结果,提出了仪表板设计上的优化措施,使仪表板在初始设计时就能考虑到对车内乘员的保护,为设计和改进更加符合碰撞安全性的仪表板提供了。

  仪表罩上的1、两个撞击点位于上下仪表罩分界的中间区域,当碰撞发生后上下仪表罩也较易产生错位,从而露出锐边对乘员产生较大伤害。可以采取的改进措施有:(1)由于本车型采用上下分块式仪表板结构,可以考虑将分界线卡在下罩处,主仪表显示区划分在分块上部,中置控制区布局在分块的下部并向后延伸形成副仪表板区。这种设计形式有较强的整体感和流畅感,不仅外形美观,且从结构上看,产生锐边的可能性相对前者也要小很多,如(a)示。(2)可以采用左右分块式仪表罩设计,在仪表板上没有(1)方案中横向贯通的线条,仪表显示区和中控区是紧密联系的。这样既大大减少碰撞产生的碎片和锐边,又形成了使主仪表和空调、音响等操控区呈围绕驾驶员的环抱式,体现了良好的操控性和人机协调性,如(b)示。本车型的仪表板为硬塑仪表板,材质相对较硬,因此进一步提高触感又增加吸收能量的改进设计的主要手段就是更换仪表板本体制造材料(可采用吸塑仪表板、半硬泡软质仪表板)或者适当的减薄料厚。

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