新材料与工艺手册

[车身轻量化] 铝合金驾驶室安全性能优化分析

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发表于 2020-2-25 10:19:55 | 显示全部楼层 |阅读模式

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铝合金驾驶室安全性能优化分析
张德伟,孔雪,李冰,祝哮,孙巍,王东辉
(辽宁忠旺集团有限公司,辽宁辽阳 111003)
汽车轻量化在线】摘要:新能源物流车轻量化势在必行。主要对某物流车的驾驶室采用铝合金材料后进行正面冲击的仿真分析,保证驾驶室生存空间。通过仿真结果识别驾驶室结构设计的不足之处,分析其原因并开展其结构优化设计。通过优化满足驾驶室安全性能要求,达到轻量化的目标,可提升产品市场竞争力。
关键词:驾驶室;生存空间;结构优化;轻量化
0 引言

[size=1em]近几年随着电商平台的快速发展和网购的爆炸式发展,我国快递规模持续扩大。快递业务规模的扩大对物流车的需求量也不断增加,新能源物流车成为同城物流配送的主要增长极。但由于受制于续航里程、充电时间以及配套充电设备不完善等因素,电动车暂时适用于中短程的行驶路线。为降低物流成本,增加续航里程,新能源物流车的轻量化势在必行。

[size=1em]铝合金的密度约为钢的1/3,回收利用率高,成型简单,已成为目前应用最广泛的轻量化材料。在保证车辆的结构可靠性和安全性能的前提下,尽可能地降低车辆的整备质量,从而提高车辆的续航里程,为此将新能源物流车的驾驶室材料用铝合金,主要采用挤压成型技术。

[size=1em]目前新能源物流车的驾驶室采用平头框架类型,乘员生存空间较小,因此一旦发生类似正面撞击事故时,乘员容易受到挤压伤害而危及生命。为消除在意外事故中驾驶室内乘员受伤的危险,保证驾驶室的生存空间,文中依据GB 26512-2011《商用车驾驶室乘员保护》的要求,对驾驶室进行正面撞击的仿真分析优化,保证驾驶室满足生存空间要求。

1 法规解析

[size=1em]正面冲击时驾驶室固定,正面冲击摆锤从前向后撞击驾驶室,冲击摆锤宽度为2 500 mm,高度为800 mm,质量为1 500 kg,摆锤重心位置低于驾驶室座椅(点R) 50 mm。当车辆的最大设计质量不大于7 000 kg时,撞击能量为29.4 kJ。当车辆的最大设计质量大于7 000 kg时,撞击能量为44.1 kJ。撞击工况如图1所示。

[size=0.8em]图1 撞击工况示意图

2 正面撞击初步结果分析2.1 驾驶室框架变形

[size=1em]驾驶室框架是正面冲击工况下的主要传力通道,是整个结构设计的基础。当正面冲击摆锤撞击到驾驶室前部时,由于底部强度大而上部相对比较薄弱,导致摆锤发生偏转,偏转后导致对上部的冲击力较大,上部结构偏弱使得驾驶室上部侵入较大而影响驾驶室的生存空间。最终导致驾驶室的最大侵入高达278.9 mm。驾驶室整体变形图和纵向侵入云图分别如图2—图3所示。

[size=0.8em]图2 驾驶室变形图

[size=0.8em]图3 驾驶室纵向侵入云图

2.2 门框变形

[size=1em]车门是正面冲击工况下重要的辅助传力通道,在整个结构设计中具有重要的支撑传力作用,也是发生事故后重要的逃生通道。正面冲击后,由于车门中部支撑刚度不足导致向内折弯,不能起到很好的传力作用导致驾驶室增大,车门框变形很大而使车门难以打开。车门变形图如图4所示,门框测量点及门框变形曲线图如图5所示,其变形值如表1所示。可见左、右门框变形量基本一致,说明左、右门框的结构和传力能力相当。

[size=0.8em]图4 车门变形图

[size=0.8em]图5 门框变形试验
[size=0.8em]表1 车门框变形值

[size=0.8em]mm

3 优化方案

[size=1em]由于驾驶室实际下部固定在车架上,而上部没有固定机构,受到正面冲击时类似悬臂梁结构,为了使驾驶室减少侵入,加强底部支架结构,如图6所示。

[size=0.8em]图6 底部加强件

[size=1em]正面冲击时,冲击力主要靠两侧的框架结构来承载,因此要加强两侧的框架结构来承受住正面的冲击,同时车门中部支撑要有足够的承载能力辅助两侧框架将力顺次传递,最终保证驾驶室有足够的生存空间。传力通道示意图如图7所示。

[size=0.8em]图7 传力通道示意图

4 优化结果分析

[size=1em]由于驾驶室上部结构加强,纵向传力能力提升,车门中部支撑件加强后稳定传力,优化后正面撞击后驾驶室整体变形图和纵向侵入云图分别如图8—图9所示。由图9可知,驾驶室的最大侵入量为203.0 mm,增加了驾驶室生存空间。优化后门框变形曲线图如图10所示,可知变形门框动态最大变形量为93.6 mm,静态最大变形量为77.2 mm,门框变形值如表2所示。可见优化后的左、右门框变形量基本一致且变形量较小,正面冲击后左、右车门都能正常开启。

[size=0.8em]图8 优化后驾驶室变形图

[size=0.8em]图9 优化后驾驶室侵入云图

[size=0.8em]图10 优化后门框变形曲线图
[size=0.8em]表2 优化后车门框变形值

[size=0.8em]mm

5 结论

[size=1em](1)驾驶室框架是正面冲击工况下的主要传力通道,是整个结构设计的基础,在设计中要保证其足够的强度。

[size=1em](2)车门是正面冲击工况下重要的辅助传力通道,在整个结构设计中具有重要的支撑传力作用,在设计中要保证其合理的支撑强度。

[size=1em](3)驾驶室经过结构优化后,纵向传力能力提升,车门中部支撑件加强后稳定传力,满足驾驶室生存空间要求。

[size=1em](4)驾驶室通过采用铝合金材料实现了轻量化目标,而且其安全性能满足法规要求,可有效提升续航里程,增加市场竞争力。



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