风景海狮碰撞安全性改进设计0实验箱

风景海狮碰撞安全性改进设计

风景海狮碰撞安全性改进设计 2011年12月04日 来源： 摘要：福田公司“风景海狮碰撞安全性改进”项目通过采用碰撞试验与模拟计算相结合的方法来提高风景海狮系列车型的碰撞安全性，使其符合我国汽车被动安全法规的要求。考虑到改进设计的可行性，要求改进设计方案尽可能少地改动原设计，特别是外形钣金件要不作改动。经过三轮 “样车碰撞试验? 理论分析提出改进方案? 模拟计算验证? 台车及零部件试验验证? 样车碰撞试验”的循环开发过程，在较短的时间内该车的主要技术指标就已满足我国碰撞安全法规的要求。最后，通过生产一致性实施，保证批量生产的风景海狮完全满足国家碰撞安全法规的要求。关键词：被动安全性 改进设计 正面碰撞试验 模拟计算1 项目意义风景海狮车型是北汽福田公司为更好地满足人们对商务用车的需求而设计开发出的一款“平头”车型。因其最初的设计方案存在整车前部吸能变形空间比较小、碰撞安全性不满足我国碰撞法规要求等缺陷，该系列车型起先并不适用于客货两运，需要对原方案作适当改进。本项目开发目标为提高风景海狮车型的碰撞安全性，使其达到国家标准CMVDR 294《关于正面碰撞乘员保护的设计规则》的要求。本项目立题同时兼顾了社会效益、经济效益和科技创新三方面的效应。随着汽车工业的快速发展，人们对汽车的经济、安全、美观、实用等性能的要求越来越高。其中，安全性对汽车的重要性不言而喻。每年全世界因交通事故死亡的人数达18 万之多，因交通事故造成的各种损失触目惊心。汽车被动安全性的提高，有助于降低安全事故造成的各类损失，更重要的是使乘客和驾驶员的生命安全得到了有效保障，极大减少伤亡的机率。因此，汽车碰撞安全性的改进设计具有良好的社会效益。另一方面，2003 年1 月1 日国标 CMVDR 294《关于正面碰撞乘员保护的设计规则》的强制实施，使按原设计方案设计的风景海狮面临被迫停产和停止销售的命运，由此会给北汽福田公司造成大量销售利润的损失；如果完全更改此车型，则需改换整套生产线、模具、夹具，需要四到五个亿的资金投入和两年的整改时间，这是现实所不允许的。有鉴于此，项目小组提出了采用实车碰撞试验和样车碰撞计算机模拟相结合的方法提高风景海狮安全性的改进方案。与传统的“经验性设计与实车碰撞试验”相结合的办法相比，本方案能显著地缩短改进设计周期并大大降低成本。因此本项目的开发同时还具有相当的经济效益和科技创新意义。2 项目内容和实施方法2.1 项目的主要内容本项目的主要内容包括：(1) 建立风景海狮的整车CAD 和CAE 模型，为后续的模拟计算做准备。(2) 在大量模拟计算和整车及零部件试验结果综合分析的基础上，找出该车存在的问题，提出改进设计原则和可供选择的改进方案，并对这些方案进行分析，具体过程如下：1) 通过整车碰撞试验检验本车型的车身结构耐撞性；2) 通过台车碰撞试验检验乘员约束系统的安全性；3) 通过虚拟样车碰撞的计算机模拟，快捷地对原方案或改进方案作出初步评测，找出可能存在的问题，改进方案作进一步分析，直至找到较理想的改进方案，再生产物理样车进行实车碰撞试验；通过物理样车的整车和台车碰撞试验，对原方案或改进方案进行评测，试验结果作为进一步改进设计的依据。(3) 根据具体生产情况确定可行的改进设计方案，保证各项工艺要求和加工质量；(4) 依据我国CMVDR294 法规的要求，由权威机关对具体的改进设计方案进行验证；(5) 通过碰撞试验后，进行结构改进设计和模具开发、零部件换型、生产线改进等，落实生产一致性要求。2.2 项目实施方法和实现途径风景海狮改进过程是一个“样车碰撞试验—理论分析提出改进方案—模拟计算验证—台车及零部件试验—样车碰撞试验”的循环过程。汽车碰撞安全性研究有两个主要手段，即实车碰撞试验和数值模拟。实车碰撞试验是用整车碰撞试验和台车碰撞试验来分别考核结构耐撞性和乘员约束系统的安全性；在整车碰撞试验和台车试验中采用非常先进的日本共和电子设备来保证测试的高效准确，其中包括（KYOWA）LBT-S-20KNS2 型安全带传感器和DIS-3000A 型车载数据采集系统。数值模拟在产品的设计阶段就可以进行，通过数值模拟，分析、发现并解决问题，缩短开发周期，降低研制费用；可以很方便地得到任意零部件的应力变形情况，修改设计方案后，便于修改计算模型，得到有关分析数据。在本项目的数值模拟计算中，硬件采用IBM 公司提供的大规模并行处理机群系统（4 个结点机，8 个CPU），软件采用ANSYS 公司提供的LS-DYNA3D960 并行版计算软件，计算效率比串行计算高4～5.3 倍。3 风景海狮安全性改进设计3.1 改进前风景海狮车存在的问题本项目一共进行了4 次整车正面碰撞试验。2002 年3 月4 日，在清华大学汽车安全与节能国家重点实验室对风景海狮车进行的第一次正面碰撞试验充分暴露了该车在碰撞安全性方面存在的问题，大部分问题都出在零部件质量上，只需要更换零部件或者局部加强就可以解决。而其中对整车安全性有重要影响，而且比较难以改进的因素有以下两项。3.1.1 车架变形情况

图1 改进前车架主梁三叉处向上翘曲

风景海狮车在结构上属于非承载式车身，在强度和重量比较大的车架上焊接车身结构，碰撞试验时，车架吸能约60％～70％，因此车架变形情况对碰撞安全性具有决定性影响。通过风景海狮车的碰撞试验，发现车架主梁三叉处向上翘曲大约20 度（见图1），这直接导致两个严重后果：第一，导致转向管柱后移量较大，压缩乘员空间，影响乘员头部和胸部伤害指标。第二，导致仪表板后移量较大，影响乘员腿部伤害指标，甚至影响头部和胸部伤害指标。因此，需进行大量模拟计算，寻找合理的改进设计方案，增强吸能效果，以降低车身的加速度，最终降低乘员头部、胸部和腿部的伤害指标。3.1.2 安全带失效安全带失效直接影响到假人头部HIC 和腿部伤害指标。对整车来说，安全带是非常敏感的部件，与车身软硬度和乘员空间匹配都有很大的相关性。因此，必须通过台车试验进行安全带性能的检验和选配。3.2 碰撞安全性改进设计碰撞安全性改进设计是模拟计算与实车碰撞试验相结合的过程。两种手段配合使用可保证在较短的时间内完成汽车碰撞安全性的改进设计工作，节省试验经费，提高汽车被动安全性研究工作的效率。通过模拟计算为试验测试提供参考和方向，在计算机上方便、快捷地进行多方案的分析比较，效率高、成本低。由于风景海狮车架变形情况对碰撞安全性起着决定性的影响，在进行碰撞模拟时，采用了车架的CAD 和CAE 模型来进行计算和分析（图2、图3）。同时，使用IBM 公司提供的并行计算机群系统和ANSYS公司提供的LS－DYNA960 并行计算软件，大大提高了计算效率，确保样车碰撞试验、模拟计算和改进设计同步进行，取得了很好的效果。

图2 风景海狮改进前车架的模拟变形图

图3 风景海狮改进后车架的模拟变形图

实车碰撞试验可有效地验证改进设计方案的正确性和可行性。在大量模拟计算的基础上择优选出改进设计方案，并通过实车碰撞试验来验证可行性。在两轮的车架改进设计工作中一共进行了两次实车碰撞试验。随后进行了7 次台车试验来对安全带进行改进和选型。根据前两轮车架改进设计和7 轮台车试验的结果，制定了最终的改进设计方案，并进行了第四次实车碰撞试验来验证方案的实际效果。实车碰撞试验结果表明，改进后的车架在三叉点没有翘曲，车身加速度降低约25%。由图4 和图5 可见，实车碰撞试验与模拟计算所体现的改进前后车身加速度均相差25%左右，表明模拟计算结果可有效的应用于改进设计指导工作。整个改进设计工作历时4 个月，耗费资金520 万左右，与国内外同类改进设计工作相比，具有很高的效率，节约了大量的试验经费。

图4 改进前后模拟计算的车身加速度

图5 改进前后实际车身加速度

4 主要改进措施针对风景海狮车身结构耐碰性和乘员安全性方面存在的问题，通过多次整车碰撞试验和台车碰撞试验以及大量模拟计算，提出以下主要改进措施：(1) 由于原车型碰撞后主梁三叉处翘曲20°导致转向盘后移量过大而影响乘员空间，故对车架三叉处的局部进行加强处理。(2) 同样针对此问题，在前横梁和保险杠之间加装了双层吸能结构。(3) 经台车试验对安全带进行选型并检测，选用三点紧急锁紧式安全带，保证了乘客约束系统的安全性。(4) 对于油箱焊缝开裂，燃油大量泄漏问题，我们更换了塑料油箱。(5) 针对发动机挂点撕裂，导致发动机前移量过大的问题，给发动机加装了较软的限位装置。(6) 对于座椅头枕飞出的问题，采取了更换豪华座椅，改进座椅头枕锁止机构的措施。(7) 对风挡玻璃破碎的问题，采取了更换夹层玻璃并胶粘固定的措施。(8) 对于座椅地板螺栓孔拉脱问题，采取了对地板进行局部加强的措施。(9) 对于车架前端和三叉处焊点开裂问题，加强了对焊点质量的控制。5 生产一致性实施通过国家安全法规要求的样车改进措施在生产中落实，具体为车身主要承载结构、车架纵梁的改进设计及模具开发、安全带、坐椅、油箱等重要部件的换型，焊装线工艺改进以及工艺控制等，通过生产一致性实施，保证批量生产的风景海狮完全满足国家碰撞安全法规的要求。6 总结经过三轮 “样车碰撞试验? 理论分析提出改进方案? 模拟计算验证? 台车及零部件试验验证? 样车碰撞试验”的循环过程，我们在较短的时间内提高了风景海狮的碰撞安全性。通过车架主要承载结构的改进设计和模具开发、缓冲吸能装置设计与模具开发、安全带换型、焊装线工艺改进和控制，实施生产一致性，最终保证批量生产的车辆完全满足国家碰撞法规的要求。参考文献1 中国机动车设计法规CMVDR 294，19992 朱西产. 应用计算机模拟技术研究汽车碰撞安全性. 世界汽车，1997(3)3 裘新, 黄存军, 张金换, 黄世霖. 汽车正撞的数值模拟及实验验证. 清华大学学报，1999(2)4 宗子安, 曹力波. 计算机模拟技术在汽车碰撞试验中的应用. 汽车研究与开发，1993(1)5 裘新, 李一兵, 黄世霖. 汽车设计中应用非线性有限元模拟计算对其结构耐撞性进行分析和研究，中国汽车工程学会论文选编，清华大学主编，1997 年3 月6 贾宏波, 黄金陵, 郭孔辉等. 汽车车身结构碰撞性能的计算机模拟、评价与改进. 吉林工业大学学报，1998(2)7 黄世霖等. 汽车整车正面碰撞试验研究. 中国汽车协会论文选编，清华大学主编，1997 年3 月8 北京理工大学机电工程系. ANSYS/LS -DYNA 算法基础. 北京：北京理工大学出版社，19969 K.H.Park.S.H.Shin, H.S.Cho, J.T.Jlnn, Application of the Finite Element Method for Improvement of Vehicle Crashworthiness, SAE 912582 IPC-6Congerence, Seoul, Korea, Ovtober 199110 Najagawa Ken, Tatsuhiro. Crash Simulation of a Passenger Car. SAE 90046411 Kamal, M.M., Analysis and Simulation of Vehicle to Barrier Impact, SAE Transactions,Vol.79, Paper No.700414,pp.1453～1467,197012 K.Pickett,L.T.Kisielewicz, E.Haug, G.Milcent, F.X.Wijnant, S.H.Park.S.H.Shin,H.S.Cho, Optimization of the Crash-worthiness of a Passenger Car Using Iterative-Simulationsm, SAE Transaction, Vol. 102,Paper No.931977,pp.2172～2179,199313 Gustav A.Nystrom,Garrison Kost, Stephen M.Werner, Stiffness Parameters for Vehicle Collision Analysis, SAE Transactions, Vol.100, Paper No.910119,pp 169～176,199114 Ansys Inc. The Theory Manual[M]. Third Edition, USA:SAIP,Inc,1997,1~20(end)

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