驾驶室摆锤碰撞的仿真分析.pdf

2010年第 29卷9月第 9期机 械 科 学 与 技 术M echanicalScience andTechnology forAerospace EngineeringSeptemberVo.l 292010No.9收稿日期:20090630基金项目:国家高技术研究发展计划项目(2006AA110105)资助作者简介:程?阔(1981-),工程师,硕士,研究方向为车辆安全及约束系统匹配,Chengkuo008 程?阔驾驶室摆锤碰撞的仿真分析程?阔1,张?健1,万鑫铭1,刘国强2,黄玉鹏1(1中国汽车工程研究院 汽车产品研发中心,重庆?400039;2中国重型汽车集团有限公司,济南?250002)摘?要:以某款驾驶室为依托,分别建立了摆锤和驾驶室的有限元模型及摆锤撞击的仿真模型,并对建立的基础模型进行了分析,通过对过程能量的验证证明了模型本身的正确性。通过对主要部件的变形与吸收能量的分析,总结出了影响碰撞结果的主要因素,并针对此点提出了改进结构。仿真分析证明,改进结构有效增加了假人的生存空间,提高了该驾驶室的安全性能。关?键?词:驾驶室法规;摆锤分析;有限元模型;改进方案中图分类号:U467?文献标识码:A?文章编号:1003?8728(2010)09?1268?04Si mulation and Analysis ofCab Pendulu m CrashCheng Kuo1,Zhang Jian1,Wan X inm ing1,Liu Guoqiang2,Huang Yupeng1(1ProductDesign Center,China Auto mobile Engineering Research Institute,Chongqing 400039;2ChinaN ationalHeavy Duty TruckG roup Corp,Jinan 250002)Abstract:For i mproving the safety perfor mance of a heavy truck cab,W e introduced the Econom ic Comm ission forEuropeRegulation 29(ECER29)and its evaluation standard.Taking the cab of a truck as a research objec,t weestablished the pendulum and cab finite element model and pendulum i mpactmode.l Energy analysis verified cor?rectness of themode.l According to the analysis of the energy and distortion,we summ arize the main factorswhichinfluence the i mpact resul.t Then,we put forward the i mproved structure.Si mulation results show that the i m?proved structure can increase the dummy survival space and the cab safety performance is i mproved.Key words:ECER29;pendulu m analysis;finite ele m entmode;li mprove project?我国商用车多为平头车,由于缓冲空间较小,因此一旦遭遇正面撞击时,乘员受到的伤害就比较大。在实际发生的交通事故中,刚度不够、驾驶室空间较小的中小型平头商用车,其驾驶室一般都变形严重,导致驾驶员生存空间不够而死亡。因此,为了减少事故的发生,很有必要对商用车驾驶室安全性进行研究。国外对于驾驶室的安全研究起步较早,从 60年代开始,主要集中在欧洲各国,比如沃尔沃、曼、奔驰、达夫等,目前的研究主要从 3方面进行:车体结构抗撞性、乘员约束系统、碰撞过程人体生物力学 1,提出了平行布置安全带,设计了较为坚固的驾驶室,在驾驶室底板、车窗边框、车顶四周都采用了钣金件进行加强,发生正面碰撞时,驾驶室还能整体后移,保证了驾驶室安全性能 2。国内在法规方面也做了积极的响应,目前关于重型商用车驾驶室的法规在起草中,预计很快就可以颁布实施,这将对提高我国商用车驾驶室安全性起到促进作用。笔者应用碰撞软件对某驾驶室进行了正面摆锤碰撞仿真分析,并针对其变形特点做了相应的改进,同时验证了改进结构的有效性,边界条件以 ECE R29为准。1?ECER29简介ECER29规定了商用车驾驶室乘员保护的要求和试验方法,其中共有 3项试验,分别是正面碰撞试验、车顶强度试验、后壁强度试验。验证驾驶室前部、顶部和后部的结构强度,每项试验都有一定的试验流程及边界条件。试验结果以可变形假人来评判生存空间,在完成每个试验仿真后,驾驶室应存在生第 9期程?阔等:驾驶室摆锤碰撞的仿真分析存空间,以附件规定的人体模型为准,且当座椅处于中间位置时,人体模型不应与车辆的非弹性部件发生接触。并使其?H 点与座椅?R 点重合。?H 点即人体模型的?H IP 点,是设计、制作人体模型时确定的基准点;?R 点是指由汽车制造厂家为每个座椅位置规定的根据三维参考系统确定的设计点 3?H 点理论上与?R 点相对应,试验中需要按照试验程序来确定。同时,根据相关的文献,生存空间还用一些关键部件的经验尺寸来衡量,笔者同时使用了两种标准来验证结构的变形。图 1?摆锤2?模型建立2?1?摆锤模型法规中对摆锤的质量、结构、以及初始能量做了详细的规定,如下为建立的摆锤模型及初始条件。由于该车的最大允许质量大于 7000 kg因此初始能量需要 45 kJ,为了节约计算时间,把摆锤的初始位置设定在竖直状态,并且设定角速度为 1?936 rad/s以达到能量要求。图 1所示为摆锤。2?2?重型车模型ECER29只是对驾驶室进行考核,其他总成部件并没有参与到碰撞过程中。因此在仿真过程中,对有些模型进行了简化,比如鞍座、油箱、排气系统、电瓶箱、发动机、变速器等,以质量点进行代替。这样既不影响计算结果,同时还提高了计算效率,具体网格标准为:单元长度通常按照 10 mm 划分;最小单元长度不小于 5mm;单元长宽比小于 1!5;雅各比大于 0?6;最小四边形内角大于 40;最大四边形内角小于 135;最小三角形内角大于 15;最大三角形内角小于 140;最大翘曲度小于 15;三角形占全部单元比例小于 10%4,5。图 2?重型车有限元模型按照 ECER29法规的试验条件对重型车设定了约束条件,车架通过承受一定预载荷的固定链 A,B,C 连接,限制车架在纵向、横向方向的移动,固定链的强度、角度均以法规为准,同时通过木块 D 对车架进行阻碍。图 2是约束状态下的重型车模型。3?仿真分析3?1?基础模型计算对以上建立的模型进行了模拟分析,图 3是仿真结果图,从图中可以看到,驾驶室前部变形不大。表 1为生存空间测量尺寸表,该生存空间是以经验数值作为是否达标的依据 6。从表 1中可以看出,碰撞后的相关尺寸均大于经验值,但是为了保证驾、乘员安全,有必要对该驾驶室进行进一步的改进。图 3?撞击结果图表 1?原模型假人生存空间尺寸测量表(单位:mm)项目内容基础模型A转向柱与座椅前端水平距离允许值#110碰撞前313碰撞后261B方向盘与座椅靠背之间水平距离允许值#250碰撞前386碰撞后291C方向盘与坐垫之间垂直距离允许值#150碰撞前236碰撞后2153?2?参数分析针对以上变形结果,依据能量和变形的大小,找到对碰撞影响较大的结构件,从图 4和图 5可以看到能量变化的趋势及相对应的部件。其对应的部件和吸收能量的具体数值见表 2。图 4?内能变化曲线1269机 械 科 学 与 技 术第 29卷图 5?对应部件表 2?部件吸收能量表部件 I D 号吸收能量(%106J)厚度(mm)地板纵梁3?42522?0左车架3?31878?0右车架2?86598?0前围板纵梁2?44473?0下前围板2?00581?5发动机盖板1?7721?5所选的部件为内能变化最大的 6个部件,主要是对上述部件进行厚度的变化,从表 2中可看到,车架的厚度已经达到了 8?0 mm,再增加厚度对于工艺和轻量化都会产生负面影响,因为上述部件为车架,单边质量已经达到了 114 kg,因此单边增加 1 mm,质量就会增加 14?25 kg,因此参数分析暂不考虑这两个部件,只对其他部件进行厚度的分析。图 6图 9是各个部件改变厚度之后的能量变化图。图 6?地板纵梁内能变化曲线图 7?前围板纵梁内能变化曲线图 8?下前围板内能变化曲线图 9?发动机盖板内能变化曲线从曲线对比可看到,地板纵梁厚度增加之后该部件吸收的能量降低,因为该部件在碰撞中起到的主要作用是连接力的传递路线,厚度增加以后,弯曲变形减小,会使力的传递路径更加顺利,因此,虽然吸能量有所降低,但是对于减小后部地板变形,增大生存空间却有积极的作用,下面的数据也验证了这一点。前围板纵梁厚度增加以后,部件吸收的能量增加了,从而减少了其他部件的变形,主要是降低了地板的变形量,也对假人生存空间提供了保证。下前围板厚度增加之后,从内能对比看出,吸收的能量增加了,摆锤撞击的部位位于该部件的中间,因此变形主要是以弯曲为主,弯曲变形过大,也就无法保证撞击力的传递路径。因此,该部件虽然吸收的能量增加,但是必然导致地板的变形过大,从而影响假人的生存空间。部件发动机盖板厚度增加后,吸收的能量有所增加,对假人的生存空间有一定的贡献。表 3是假人生存空间测量值。1270第 9期程?阔等:驾驶室摆锤碰撞的仿真分析表 3?参数分析模型假人生存空间尺寸测量表(单位:mm)模型基础模型下前围板地板纵梁前围板纵梁发动机盖板A初始尺寸313313313313313A撞击结果尺寸261278285259280B初始尺寸386386386386386B撞击结果尺寸291304315285308C初始尺寸236236236236236C撞击结果尺寸215221228208222?从参数分析中可以看到,改变部件地板纵梁的厚度对结果的影响最大,也就是说,完善碰撞力的传递路线是最有效的改进方式,因此针对上述分析,做了如下改进结构。由于碰撞结果本身就已经可以保证假人的生存空间,因此所作的改动比较小。3?3?改进结构针对以上的分析对比曲线以及变形结果图可以发现,承受摆锤撞击的部件除去与其直接接触的部件之外,对驾驶室地板变形起到增强作用的基本是纵向部件,而驾驶室变形小就会增加生存空间,因此设计了如图 10所示的改进部件,材料为屈服强度167?1的钢材,厚度为 3 mm。该结构和部件发动机盖板以焊点的形式连接,如图 11所示。图 10?改进结构图 11?与部件 75的连接图针对该改进结构进行了仿真计算,得到的生存空间测量值及假人示意图如图 12所示。图 12?假人生存空间示意图表 4?改进模型假人生存空间尺寸测量表(单位:mm)项目内容原模型改进方案提高比例A允许值#110碰撞前313313碰撞后26127013%B允许值#250碰撞前386386碰撞后29130010?7%C允许值#150碰撞前236236碰撞后21522011?6%从表 4中可以看到,经过改进之后,3个关键尺寸分别有了不同的改进,提高比例分别为 13%、10?7%、11?6%,验证了改进结构的有效性。从假人生存空间示意图可以看出,经过改进之后的结构,生存空间有了一定幅度的提升,假人未和非弹性部件发生接触,为碰撞后的假人生存提供了更有利的保证。(下转第 1276页)1271机 械 科 学 与 技 术第 29卷及 PDM 系统提出优化方案。笔者采用修改工艺路线的方法,将瓶颈设备(planer)用 M illing设备替代,重新构建系统仿真模型。从模型仿真结果中可以看出 M illing设备未出现?Blocked 状态,从而消除了整个系统模型局部死锁。图 5给出了 M illing1设备实时状态信息。从仿真结果看,采用 W itness软件对电机生产系统 OPNs模型进行仿真,可以有效地排除系统模型中出现的局部死锁,从而优化了电机产品生产工艺路线 OPNs模型。图 5?M illingM achine设备实时状态图6?结论笔者针对电机生产系统复杂性的特点,提出了面向对象 petri网建模技术,在定义了电机生产系统OPNs模型类及对象子网间消息传递模式的基础上,用实例描述了基于 OPNs的电机生产系统的建模过程,并采用数学分析与系统仿真相结合的方法对所建系统模型进行死锁检测,优化电机产品生产工艺路线 OPNs模型。参考文献 1?王国新,宁汝新,王爱民.面向可重构制造单元的仿真建模技术研究 J.系统仿真学报,2007,19(17):3894 3898 2?杜平安,周晓明,黄洁,廖伟智.面向工艺设计的制造过程建模 J.计算机集成制造系统,2006,12(10):1581 1585 3?刘昶,史海波,王海斌.基于多 Agent制造过程的建模方法 J.控制工程,2005,12(6):515 519 4?王学灵,朱和美.面向对象 Petri网建模技术与应用 J.信息技术,2008,(11)5?李杰,王书亭,陈立平.面向对象 Petri网的离散事件系统仿真建模 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