刘森海1，2
，范政武1，杨辉1
（1.江铃重型汽车有限公司，山西太原030032，2.江铃汽车股份有限公司，江西南昌330001）
来稿日期：2018-05-18作者简介：刘森海，（1981-），男，江西吉安人，本科，工程师，主要研究方向：整车工程及性能属性开发；
范政武，（1976-），男，山西太原人，博士研究生，工程师，主要研究方向：整车工程及性能属性开发
1引言
有关商用车碰撞安全的研究，国外开展的较早，并且已经形成
了三大主要的碰撞安全法规体系：欧洲经济委员会ECE R29法规，瑞典VVFS 2003：29法规，以及美国SAE J2420/J2422法规[1]。国内在借鉴欧洲ECE R29-02法规的基础上，出台了《商用车驾驶室乘员保
护》规定，并于2011年7月开始实施。在欧美等国对商用车安全事故的统计中，商用车正面碰撞与滚翻造成的伤亡最严重[1]。正面前围撞击过程中，车身部件能量吸收从大到小的排序是：地板，前围，侧围。其中地板吸收能量的主要部件是纵梁和地板覆盖板[3]。相比于顶盖静压与后围静压，前围碰撞发生后，结构发生溃缩的空间极为有限，因此前围的碰撞研究与改善更为紧迫。
有关商用车碰撞安全方面的研究，某大学与一汽技术中心就前围碰撞与顶盖静压作了相关的试验与仿真，提出增加板件之间封闭的空腔结构，前围横梁与地板纵梁加强板，前围吸能块，改变悬置支架结构与材料等方法，改善了前围碰撞的安全性能[2-3]。目前，商用车驾驶室前围使用吸能结构的装置还不多见，相关的试
验验证也较为匮乏。针对某公司开发的一款“笼式”骨架结构驾驶室进行碰撞安全研究，检验这种支撑梁结构驾驶室前围碰撞的安全性能，就碰撞仿真分析结果提出改进意见，通过仿真与试验验证，为后续的车身定型与改进提供参考。
2驾驶室结构分析
研究样车的驾驶室结构，如图1所示。该驾驶室由支撑梁骨
架焊接而成，骨架结构呈笼状，在骨架基础上覆盖前围、后围、侧围、顶盖和地板总成的覆盖板，形成完整的白车身
。
图1研究驾驶室结构
Fig.1The Structure of Test Cab
摘要：针对某厂商研制的商用车“笼式”骨架驾驶室，为验证驾驶室的结构安全性能，进行前围摆锤撞击仿真分析，仿真
结果表明，该驾驶室未发生破坏，零部件未脱落，但前围结构出现干涉假人生存空间的现象。为提高碰撞后假人的生存空间，提出增加前围吸能盒的设计，在仿真环境与实车试验中验证了驾驶室前围吸能盒的设计对于改善假人生存空间的效果，对比试验与仿真结果，两者在碰撞后的变形趋势与试验假人生存空间方面都极为接近，验证了仿真模型的可信性。关键词：商用车；驾驶室前围；防撞性；优化；试验中图分类号：TH16
文献标识码：A
文章编号：1001-3997（2018）10-0040-03
Simulation and Test of Commercial Vehicle Cab Crashworthiness
LIU Sen-hai 1，2
，FAN Zheng-wu 1，YANG Hui 1
（1.JMC Heavy Duty Vehicle Co.，Ltd.Shanxi Taiyuan 030032，China ；2.Jiangling Motors Corporation ，Ltd.，Jiangxi Nanchang 330001，China ）
粤遭泽贼则葬糟贼：To verify safety performance of a new designed cage -type commercial vehicle cabin ，front impact simulation was conducted.The cab maintained integrity ，no component splashed but interference between dash and dummy emerged in the front impact simulation.Crash-boxes on the dash were proposed.Simulation and test of this new dash were conducted.The improved dash was met well with the regulation of dummy living space in both simulation and test conclusion.The creditability of cabin FE model was verified after conclusion comparison of simulation and test which had a similar deformation trend and dummy live space.
Key Words ：Commercial Vehicle ；Dash ；Crashworthiness ；Optimization ；Test
Machinery Design &Manufacture
机械设计与制造
第10期2018年10月
40
该驾驶室前围支撑梁结构，
如图2所示。前围支撑梁骨架主要由前围上横梁，前围立柱，前围下横梁组成。前围上、下横梁两侧分别与A 柱总成焊接，下横梁与地板主纵梁焊接，保证了前围与侧围、地板的良好衔接。前后驾驶室悬置分别安装在地板主纵梁下端。
地板边梁
地板主纵梁前围立柱前围下横梁
前围上横梁侧顶梁
A 柱总成图2驾驶室前围结构
Fig.2The Structure of Cab Dash Panel
当摆锤撞击到前围时，撞击能量主要沿前围上、下横梁，一部分沿驾驶室前悬置，到达车架，另一部分沿地板主纵梁、地板边梁、驾驶室后悬置到达车架的路径传递，传递过程中前围上、下横梁，地板纵梁会发生弹性与溃缩形变，驾驶室前、后悬置后倾，从而吸收撞击的主要能量，过程中不允许零部件的脱落，要求车内乘客有充足的生存空间。
3碰撞仿真分析
3.1建模与仿真
按照欧标ECE R29-02与国标GB26512-2011对摆锤撞击
试验的要求，将试验摆锤抬起到一定高度，释放之后使之自由下落，在摆臂处于竖直位置时能以一定的能量撞击驾驶室。
前围摆锤撞击分析中，将宽度为2500mm 、高度为800mm 、厚度为600mm ，质量为1500kg 的摆锤采用工字梁摆臂悬吊在支架转轴上，保证摆锤的重心点距转轴3600mm ，摆臂处于竖直位置时重心点应在试验车辆R 点下方54mm 处。保证摆锤的撞击能量为44.1KJ 。采用铁制链条连接地面固定点与样车底盘，确保驾驶室与地面刚性连接。仿真环境中，采用刚性连接限制样车底盘的位移。调整座椅至中间位
置，在驾驶与副驾驶处放置第50百分位的男性人体模型，使假人的H 点与座椅R 点重合。经测算，试验假人与车内零部件的最小间距在假人膝盖与转向管柱之间，其最小间距是35mm 。
对于仿真分析的前处理：（1）驾驶室采用HYPERMESH V12.0软件建立有限元模型，有限元网格基本尺寸为10mm ，模型共790013个单元格。（2）驾驶室模型中钣金件采用SHELL 单元，胶采
用SOLID 单元；车身板件之间的焊接采用Beam 单元，材料为MAT100；弹塑性材料采用24号材料模式。（3）车身零部件之间的接触采用AUTOMATIC SINGLE SURFACE 接触类型。不接触设定为AUTOMATIC SURFACE TO SURFACE 。采用LS-DYNA 971求解器进行运算，在D3PLOT12.0后处理软件中分析仿真结果。3.2前围撞击仿真结果
从驾驶室结构保持状态，悬置连接状态，试验假人生存空间，车门的可开启与否四个角度评价试验结果如下：（1）撞击后，前围上、下横梁，地板主纵梁都发生了形变，但未脱落，前围的较大形变出现在前围上横梁，如图4（a ）所示。最大位移量为217mm ；（2）驾驶室悬置向后倾斜，但未发生断裂；（3）撞击后，试验假人腹部与
方向盘距离为75mm ，膝部与转向管柱发生了干涉；（4）门框最大变形量小于30mm 。从仿真结果，如图4（a ）所示，可知该驾驶室未发生破坏，零部件没有掉落，悬置保持连接状态，因此其整体结构满足设计要求，但前围零部件与假人发生肢体接触，前围侵入方面不符合设计与标准要求。
4安全性分析与优化
通过对研究样车的仿真分析可知，该支撑梁结构驾驶室出
现前围部件与假人肢体干涉的情况。分析产生的原因，主要是在摆锤与前围的接触过程中，前围上横梁首先与摆锤接触，在发生较大溃缩变形后，前围下横梁才与摆锤接触，这导致过多的撞击能量被前围上横梁吸收而不是经前围下横梁至地板梁，导致前围部件过多侵入驾乘人员的生存空间。
因此接下来的优化应该从引导撞击能量向前围下横梁转移方面考虑，并适当增加吸能部件。
参考国内外的相关优化方案，某大学与一汽技术中心研究人员提出在前围结构增加吸能块的方案，在仿真验证中取得良好的效果；奔驰汽车公司也在ACTROS 重卡的前围踏板箱上增加
吸能装置，并取得了良好的效果[3，6]
。在综合技术可行性与成本考
虑后，提出增加前围吸能盒结构，来改善前围的撞击安全性。
4.1前围吸能盒结构
将两个左右对称的吸能盒焊接在前围下横梁与地板主纵梁相接的前端，保证吸能盒溃缩吸收部分碰撞能量的同时，将大部分能量传导至地板主纵梁和地板边梁，经前后悬置分散到底盘。
吸能盒是由四个溃缩板和一个迎撞板组成的封闭空腔结构，如图3所示。其中，溃缩板为内凹结构，用来引导溃缩沿凹向收缩的方向，由于上下左右都是内凹结构，保证其受到偏向这四个方向的撞击时，吸能盒均能起到较好吸收撞击能量的作用。溃缩板上冲压有加强肋，使吸能盒保持一定的强度和刚度。
溃缩板
溃缩板
迎撞板
图3前围吸能盒结构
Fig.3The Structure of Cab Crash Box
4.2前围优化验证
将加入前围吸能盒的有限元模型导入LS-DYAN 再次碰撞分析。摆锤撞击后，吸能盒发生了明显的溃缩
变形，吸能盒整体向上弯曲，迎撞板明显内凹，说明前围吸能盒较明显地吸收部分碰撞能量。检查撞击后的应变云图，吸能盒与前围下横梁连接处的应力应变值处于安全范围，前围整体应变量满足设计要求。对比增加吸能盒前后前围的溃缩量，前围上下横梁的位移量有明显下降，前围上横梁最大减少了60mm 的溃缩，如图4（b ）所示。分析假人生存空间可知，试验假人没有与车内零部件发生肢体接触，试验假人腹部与方向盘距离为116mm ，膝部与转向管柱间距为2.6mm 。分析撞击能量变化曲线发现，摆锤撞击过程中，动能与内
能的转换大约持续了38ms ，如图5所示。这个时间历程大于了国内同类车型24ms 左右的水平[4]，说明试验样车碰撞能量吸收较为平缓，不会因加速度过大对驾驶员产生伤害。
江铃汽车股份有限公司第10期刘森海等：商用车前围碰撞安全性仿真与试验分析41
图4撞击后应变云图对比Fig.4The Contrast of Strain Cloud Pictures
Time
内能撞击能量
40.000
35.000
30.000
25.000
20.000
15.000
10.0005.000
0.000
-5.0000.0000.0400.0800.1200.1600.20000.240
0.0200.0600.1000.1400.1800.220
图5撞击后能量转换图
Fig.5Transition Diagram of Crash Energy
综上仿真优化结果表明，该驾驶室前围经摆锤撞击后，满足安全法规要求。接下来将在实车试验中验证这种优化的效果。5摆锤撞击试验验证
装配出满足试验要求的样车按照国标GB26512-2011与欧标ECE R29-02要求进行实车试验。
试验中，摆锤抬起角度为64毅，对应撞击能量为44.7kJ。车架与试验台采用铁链刚性连接
。
图6实车驾驶室部件形变
Fig.6The Deformation of Crash Test
摆锤撞击试验结果如下：（1）撞击后，前围吸能盒，上下横梁发生溃缩变形但未溃散，驾驶室地板梁发生上折弯曲，如图6所示。（2）驾驶室悬置向后倾斜，没有发生断裂；（3）试验假人没有与车内零部件发生肢体接触，撞击后的驾驶室有足够的生存空间。试验假人腹部与方向盘距离为101mm，膝部与转向管柱间距为2.1mm；（4）撞击过程中车门没有打开，撞击后车门可以开启。综上试验结果表明，该驾驶室可以满足碰撞法规要求。对比仿真与试验的结果可以发现：（5）在驾驶室前围结构局部形变上，仿真结果与试验结果变形趋势相同，形变接近；（6）摆锤撞击后，实车试验中，假人腹部与方向盘间距为101mm，仿真结果为116mm，仿真误差为15%。实车试验中，假人膝部与转向管柱间距为2.1mm，仿真间距为2.6mm，仿真误差为25%。基于以上分析，可以认为仿真结果具有一定的可信性。
6结论
从仿真分析角度对“笼式”支撑梁驾驶室进行前围摆锤碰撞测试，验证该结构良好整体安全性能的同时，揭露该驾驶室前围存在干涉假人生存空间的隐患。借鉴国内外的优化经验，提出了前围吸能盒设计，在后续的仿真分析中验证了这种吸能盒吸收碰撞能量并引导能量向驾驶室地板梁转移的效果，优化后的前围碰撞位移量有大幅度降低。
从实车试验角度对改进后的驾驶室前围安全性能进行了分析，试验结果表明，该驾驶室可以满足国内安全法规的要求，其前围吸能盒能明显吸收部分碰撞能量。对比仿真与试验的结果，在驾驶室局部变形趋势与假人生存空间方面，仿真与试验的误差可以保持在25%以内，证明该仿真模型达到了一定的可信度。
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机械设计与制造
No.10 Oct.2018
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