新材料与工艺手册

[底盘系统轻量化] 某车型针对《乘用车顶部抗压强度》的开发

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发表于 2013-3-23 12:32:05 | 显示全部楼层 |阅读模式

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作者对《乘用车顶部抗压强度》法规和某车型的顶部抗压强度设计进行分析,车型顶部抗压强度CAE分析寻找乘用车顶部抗压强度的设计要点,并且对某款车型进行CAE分析以满足《乘用车顶部抗压强度》要求。

汽车在高速行驶过程中撞击马路牙子、护栏或者急速打转向盘都很容易出现翻车事故,而车辆腾空之后首先撞击路面是A柱上方,许多顶部抗压强度很弱的车辆会造成顶部塌陷挤压乘员舱,造成乘员的受伤甚至死亡。
为了保护翻车事故中的乘员安全,全世界开展了很多顶部抗压强度方面的研究(如图1和2所示),包括静态挤压和动态冲击。上世纪八十年代美国出台了FMVSS216《轿车顶部抗压强度》法规,并且美国IIHS保险公司协会在FMVSS216的基础上制订了顶部抗压强度的等级评价体系,顶部抗压承载力大于整车质量4倍以上为GOOD;3.25~4倍之间为ACCEPTABLE;2.5~3.25倍之间为MARGINAL;2.5倍以下为POOR。
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2007
年以后中国汽车技术研究中心对乘用车顶部抗压强度进行了广泛的研究,借鉴FMVSS216法规推出了GB26134-2010《乘用车顶部抗压强度》法规,适用于M1类车型,但不适用于敞篷车。法规于2011年1月4日发布,2012年1月1日强制性实施。
法规具体要求(如图3和4所示)为加载装置下表面的移动量不得超过127mm,载荷的大小为车辆整备质量的1.5倍,但不得超过22.24kN(2.2t),压板移动速度为13mm/s。对于A级和B级轿车而言,A柱由内板、外板、高强度加强板等组成,顶部抗压强度都不存在问题;而某些A00级轿车、微型车、VAN类面包车受成本的影响,A柱只是由低强度的内板和外板组成,要达到法规要求需要开展大量的工作。
某车型顶部抗压强度CAE分析
某车型为全新开发的VAN类多功能车型,其乘用车版为9座面包车,商用车版为厢式货车。由于乘用车版的座位数为9座,属于M1类车型则必须满足《乘用车顶部抗压强度》法规的要求。 在本车型开发过程中开展顶部抗压强度的CAE分析工作,由于按照《乘用车顶部抗压强度》试验要求,允许使用白车身和相应附件进行试验,则在CAE分析过程当采用HYPERWORKS做前后处理建立白车身CAE模型(如图5和6所示),本模型共有网格数量为801129,共有499个PART,网格划分尺寸为10mm,最网格尺寸为3mm,钣金之间的焊接通过BEAM(MAT100号材料)进行连接模拟,其中所有的胶粘采用SOLID单元模拟;压力板采用刚性20号材料模拟,压力板在整个下压过程中不发生偏转。 在模型中施加强制位移,下压速度为0.5mm/ms,下压130mm(法规要求最大下压127mm)。下压方向和压板角度严格按照法规执行。这个顶部压溃分析模型在LS-DYNA软件计算7h,质量增加0.064%,小于1%代表模型的时间步长设置合理,模型满足CAE分析要求。沙漏能占总能量比例为2.4%,滑动能占总能量比例为0.6%,证明计算结果可信(如图7所示)。本次顶压分析模型提取顶部压力和4个截面力(如图8所示),分别是A柱截面力、顶棚第一横梁截面力、上横梁截面力、B柱截面力。 在分析过程中,做了两个技术方案进行对比(如图9所示),第一种是安装玻璃的状态;第二种是不安装玻璃的状态。通过两种方案的对比判断玻璃在整个顶部压溃过程中的作用,最终计算结果以带玻璃的状态为准。通过CAE分析,带玻璃的状态能够通过法规要求(如图11所示),最大下压力为2.5t,大于法规要求的2.2t,在下压50mm左右已经达到了最大的扛压力满足法规的要求。 在整个顶压过程中,A柱、B柱、上横梁、顶棚第一横梁都是关键的力学传递路径(如图10所示)。由于没有玻璃的状态在整个顶压过程中出现了A柱的失稳,导致整个抗压力无法上升(如图12所示)。玻璃虽然不是一个吸能件,但是能够增强A柱、顶棚第一横梁、刮水器横梁这个四边形的稳定性。两者进行对比,不带玻璃状态的最大扛压力只有1.7t,无法满足法规的要求(2.2t)。
乘用车顶部抗压强度的设计要点
根据4个截面力的分析判断,对整车顶部压溃贡献作用依次为A柱截面力、B柱截面力、顶棚第一横梁力、上横梁截面力。因此在白车身设计中对A柱、B柱、顶棚第一横梁、上横梁的截面进行重点关注,在材料的使用上建议使用抗拉强度大于800Mpa的高强度钢板。其中A柱内建议增加一根贯穿A柱1.2mm厚度的高强度加强板。在玻璃的使用上建议采用5~6.5mm厚度的夹层玻璃,安装方式必须为胶粘,不能采用橡胶边圈固定(某些老款的VAN类车型上依然使用)。 本车型是VAN类车型,不属于C-NCAP测试范围之内的车型,对碰撞安全性能的要求是满足中国的强制性法规,因为在设计中只留10%的设计余量,出于成本的考虑在A柱的设计中采用内板加外板的结构,因此顶棚A柱、第一横梁和上横梁的设计非常重要,在截面设计中加大三者的横截面积,在连接处留15mm的搭接宽度。相对于正面碰撞而言,顶部抗压强度的设计只需要在以上方面开展工作即可通过法规要求。 在出口中东GCC试验当中对某皮卡车型和VAN类面包车进行顶部压溃试验,原车型在初期的设计中没有考虑顶部抗压强度的设计,需要花费最小的成本达到法规要求。作者负责整个项目的碰撞安全性能改进工作,在皮卡车型A柱内部增加了一根1.4m长、1.2mm厚的抗拉强度为860Mpa的高强度加强板,从A柱的根部开始贯穿A柱并且与B柱搭接,单车增加成本160元即可满足顶部抗压强度的法规要求(如图13所示),但模具费用和焊装线改进的费用高达600万元,适合于年产量为4万辆以上的车型;在VAN类面包车A柱内部打发泡高强度泡沫胶(如图14所示),增加A柱刚度15%,增加成本480元即可满足顶部抗压强度的法规要求,并且不增加模具、焊装线改进的成本,适合于年产量2万辆左右的车型。
针对乘用车顶部抗压强度的总结
综上所述,中国的GB26134-2010《乘用车顶部抗压强度》法规相对于整车碰撞安全法规而言技术点和涉及车身部件要少很多,相对满足要求要容易很多。但是美国的FMVSS216法规已经进行了修改,其承载力要大于整车质量3.5倍,并且IIHS要求大于4倍才能评价为GOOD,对于中国自主品牌企业而言,满足中国的GB26134-2010《乘用车顶部抗压强度》法规绝对不能成为终极目标,应该将新的FMVSS216和IIHS顶部评价做为汽车顶部抗压强度设计的目标,同时也反映出本法规出台较晚,已经无法满足目前汽车行业发展的需要,必然会在法规实施几年之后进行相应的修正,达到与美国FMVSS216相接轨。这个问题必须值得中国自主品牌企业高度重视。作者根据多年工作经验,提出以下建议供社会各界人士探讨: 第一,中国的GB26134-2010《乘用车顶部抗压强度》法规由于推出时间较晚,其技术要求较低,必然会在几年之内进行修正。因此在全新车型的设计当中,需要将顶部抗压强度的设计目标确定为其承载力大于整车质量的3.5倍,以满足以后的出口需要。 第二,对于老款的车型,在改进设计中需要分析力学传递路径,对A柱截面力、B柱截面力、顶棚第一横梁力、上横梁截面力进行分析,在最薄弱的环节进行改进设计,以最小的成本满足法规要求。 总之,通过社会各界人士的共同努力提高车辆顶部抗压强度的技术水平,尽可能得准确判断、合理保护乘员人身安全,减少交通事故当中的伤亡率,为创造和谐社会作用努力!
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