中央通道在车辆碰撞中的影响及CAE分析优化

中央通道在车辆碰撞中的影响及CAE分析优化

于启涛

皖甬科技(上海)有限公司 上海

前言：汽车在行驶过程中，与行人或者车辆均会发生碰撞。在车辆发生碰撞时，无论是行人还是车辆或者乘客都会受到不同的伤害。尤其是行人和车内乘客受到伤害可能跟随一生。为了在车辆发生碰撞时能够使乘客少受伤害或不受伤害，在设计时都会对乘员保护有相应的规定。如GB11551-乘用车碰撞乘员保护 标准的相关规定；GB11552-乘用车内部突出物 标准的相关规定；为验证公司中央通道是否满足GB11552-2009乘用车内部突出物试验要求，运用CAE软件对中央通道总成进行仿真验证，根据分析结果并对头部碰撞进行可行性优化方案来满足要求，为中央通道设计提供指导意义。

关键字：中央通道、碰撞、仿真、优化

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随着科技的日益进步，随着汽车行业的飞速发展，随着人们生活的水平提高。汽车作为生活“必需品”走进千家万户，越来越多的家庭拥有不同品牌和不同数量的汽车。越来越多的消费者除了车辆使用性能要求以外，对汽车安全性能要求也越来越高。

当汽车发生碰撞或紧急制动时，驾驶人或乘车人会受到的伤害，尤其是头部会是受伤害最多的部位。所以主副仪表板是影响较大的总成。因此中央通道和仪表板作为内饰中结构复杂、功能强大、工艺要求较高的部件，不仅要满足整车舒适性、功能性以及装饰的要求，更要满足乘员安全性的要求。

为避免车内凸出物在碰撞时对乘客造成更大的伤害，我国制定了相应的法规（GB11552-2009）对车内凸出物进行了规定。保护乘员少受伤害。

在GB11552-2009乘用车内部凸出物引用标准有GB11551 乘用车正面碰撞乘员保护、GB15083 汽车座椅、座椅固定装置及头枕强度及试验要求、GB14166 机动车成年乘员约束系统。以上标准的引用和制定都对仪表板和中央通道有限制作用。

一、GB11552-2009 乘用车内部凸出物中头部碰撞要求有座椅H点、试验装置、碰撞区域、碰撞速度、试验结果要求；

①H点要求：后排可调式座椅或长条座椅应处于最后位置，不可调式座椅直接放置在H点上。按如图1所示假人H点位置摆放

    图示1 ———假人设计摆放位置

图示2 ———CAE解析头模

②实验装置要求：装置由摆锤组成，摆锤是一个刚性锤头其直径是165mm、质量为6.8kg；CAE分析时直接采用φ165球头进行解析球头为刚体进行质量配重；如图2所示

③碰撞区域要求：碰撞区域划分根据H点及国标进行假人摆放，male和female假人至中央通道进行碰撞区域确认，在碰撞区域确定碰撞位置进行坐标提取；如下图示3

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图示3 ———碰撞区域画分及碰撞点位置

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④碰撞速度：按GB11552-2009规定球头的撞击速度为24.1km/h，CAE分析时会存在角度差异，需要对头模速度进行换算加载。图4所示为角度求解方式；

图示4 ———角度求解

⑤试验结果要求：试验中头模3ms减速度不超过80g；

图示4 ———CAD数据

二、CAE解析；中央通道总成及其相关部件建立CAE模型，利用hypermesh对CAD数据（图示4）进行网格画分，根据其装配顺序进行CAE模型搭建。中央通道主要采用卡子装配和螺栓连接两种方式，卡子和螺栓均采用rigid刚性连接方式进行装配。

图示5 ———CAE数据

以公司近期全新开发中央通道为例，CAE数据进行了相应的简化，对中央通道总成上影响较小的零件进行简化建模或者省略建模。如扶手上泡面和蒙皮，点烟器进行省略，扶手转轴进行简化采用转铰（revolute）模拟；模型采用2D建模根据几何给予相应属性，材料信息采用MAT 24弹塑性信息输入，其中钣金支架采用MAT 1线性输入；对未建模部件和简化部件进行质量配重方式。

在CAE模型搭建中截取部分车身数据，车身地板采用MAT 20刚体材料属性。总成模型质量7.35kg，包含261561个节点、261028片网格单元；

图示6 ———碰撞点坐标角度速度

模型搭建完成，根据图示6换算结果对期进行工况输入并求解。

CAE分析结果评估：分析结果运动状态、能量曲线、加速度曲线、模型受力情况进行综合评估。

图示7 ———头碰运动状态

分析结果动画可以看出头模和中央通道运动轨迹和受力状态如图示7；

图示8 ———侵入量曲线

位移曲线表示头模侵入量变化，可以看出最大侵入量和回弹时刻如图示8可知90ms时开始回弹；

图示9 ———能量曲线

能量曲线如图示9 可知能量是否守恒，能量是否存在异常，如有异常可根据异常能量曲线找出原因，进行模型修改，出现提交运算直至结果正常；

图示10.1 ———3ms加速度曲线

图示10.2 ———3ms加速度曲线

加速度曲线可看出加速度变化以及最大加速度和3ms加速度数值，可以得到速度变化时间点，如果3ms加速度大于80g可根据某时刻速度变化找出相应变化部件进行数据修改提交解析运算使其满足GB11552要求；

三、CAE优化；CAE解析结果除了要满足GB-11552-2009外，还需要满足一些主机厂要求。如3ms加速度不仅满足国标80g要求，还要满足主机厂54g≤3ms clip≤72g；

碰撞位置2如图示10.1 3ms加速度为76.3g、碰撞位置5如图示10.2 3ms加速度为48.3g，虽满足国标要求但考虑CAE与试验的偏差需要对加速度大于72g的碰撞区域2弱化，加速度小于54g的碰撞区域5进行加强；

图示11.1 ———区域2碰撞截面图

图示11 .2———区域2碰撞截面图

碰撞区域2加速度大于72g，为降低人体伤害程度，对storage box和console body 进行减少加强筋弱化如图示11.1，使其碰撞加速度降低至要求范围内如图示11.2 3ms加速度为69.8g；

碰撞区域5 3ms加速度小于54g，此区域刚度相对较弱，对其结构性能有一定影响。根据出风口结构对其进行刚强度优化；对air outlet 和rear panel 进行结构性优化，根据撞击动画可在出风口附近的后端盖板上端加强筋由原本2条增止4条并加长，在后端面板下端增加与console 本体卡接位置并对附近加强筋加长增加其刚度来满足要求；

图示12.1 ———区域5碰撞截面图

或将与下钣金连接位置改至上钣金支架连接如图12.1所示；

图示12 .2———区域5碰撞截面图

图示12.2 为后端盖板增加卡接位置及增加与延长加强筋后的结果，其3ms加速度为54.3g符合要求。

图示13———侵入量与3ms加速度

图示13为优化后的结果数值。

四、结论

文中阐述中央通道CAE分析过程，并对GB11552要求的碰撞影响区域进行了详细的划分，并对中央通道仿真进行了详细的介绍；对影响头碰加速度因素进行了讲解，以及优化头碰的方法、过程、以及结果进行了展示。利用CAE仿真分析为设计研发阶段中央通道提供理论依据，找出刚度较大位置进行弱化，刚度较小的区域进行加强，提供可行性优化方案，缩短研发周期，节约研发成本。

编写者水平能力有限，文中可能与实际相左之处，望指正完善。

参考文献：

（1）GB 11551-2014 汽车正面碰撞的乘员保护

（2）GB 11552-2009 乘用车内部凸出物

（3）GB15083 汽车座椅、座椅固定装置及头枕强度及试验要求

（4）GB14166 机动车成年乘员约束系统

（5）技术中心中央通道设计标准

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