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汽车天窗碰撞安全性分析和优化
2020-08-21 23:38:44· 来源：汽车实用技术杂志社 作者：蒋振宇，周志刚
摘要：文章在国内外首次系统的阐述了汽车安全法规和标准对天窗的要求，并以某一款汽车天窗为研究对象，进行了碰撞CAE分析，同时也进行了实际碰撞测试，通过比较C
摘要：文章在国内外首次系统的阐述了汽车安全法规和标准对天窗的要求，并以某一款汽车天窗为研究对象，进行了碰撞CAE分析，同时也进行了实际碰撞测试，通过比较CAE和实际测试结果，说明了碰撞CAE模型是正确的、有效的。为了进一步提高天窗的碰撞安全性，经过三轮优化和分析得到了新的机械组滑块方案，根据优化前后的CAE结果和简化准静态拉伸试验结果，新的机械组滑块断裂力比原始结构明显提高了很多，此优化方案已经应用到产品中，并已经大批量生产。
引言
近年来中国汽车工业迅速发展，中国已成为世界上最大的汽车生产国和消费国，天窗版汽车成为多数购车者的首选,主要因为天窗能够有效地使车内空气流通，增加新鲜空气的进入，为车主带来健康、舒适的享受。同时汽车车窗也可以开阔视野，也常用于移动摄影摄像的拍摄需求，但是随着汽车天窗尺寸越来越大，消费者越来越重视汽车天窗的碰撞安全性。伟巴斯特（Webasto）作为汽车天窗行业的领导者，始终秉持安全、创新、节能等原则，对于天窗的碰撞安全，伟巴斯特（Webasto）制定了高于国家安全法规的企业碰撞要求。下面将介绍伟巴斯特（Webasto）中国在2013年完成的某款轿车天窗碰撞CAE和实际碰撞试验，在介绍具体案例之前，先简单的介绍整车碰撞安全法规，汽车碰撞通常分为高速和低速碰撞。
1 汽车高速和低速碰撞
1.1 高速碰撞
高速碰撞是引起人员死亡的主要事故类型。各国都制定了高速碰撞的强制法规，正面碰撞试验法规有美国的FMVSS 208和欧洲的ECE 94,侧面碰撞的法规有美国的FMVSS 214和欧洲的ECR R95。而国内的相应强制性标准分别为GB 1151-2003《乘用车正面碰撞的乘员保护》和GB20071-2006《汽车侧面碰撞的乘员保护》[2]。
除了这些国家颁布的强制性汽车安全法规外，各国也出台了新车安全水平等级评价规程NCAP，如EuroNCAP（欧洲新车评价规程）、IIHS(美国公路安全保险协会）、US-NCAP(美国新车评价规程) 、C-NCAP等。
这些法规主要是基于对乘员的保护，没有对天窗在高速碰撞中的表现有具体规定。
1.2 低速碰撞
低速碰撞一般指车速低于15Km/h时的汽车碰撞，这也是城市交通中最常见的交通事故。为了提高汽车低速碰撞的安全性能和减少汽车维修费用，各国都制定了低速碰撞的国家法规和保险业的行业法规。低速碰撞法规和试验要求有欧洲法规（ECE-R42）,美国联邦法规（FMVSS PART 581），高速公路安全保险协会（IIHS）,德国安联保险公司技术中心（AZT Crash Reparatur Test）和 汽车修理研究协会的RCAR(Research Council for Automobile Repairs)，我国参照欧洲的ECE-R42法规要求，也颁布了低速碰撞的标准GB I7354-1998[3]。
这些低速碰撞标准都规定了：汽车在完成低速碰撞试验后，除了前保险杠和直接将保险杠安装到车架上的安装件和紧固件外，其他表面无脱落、无变形；其它部件都能正常开启和工作。因此，天窗经过低速碰撞测试后，也必须能够正常开启和工作。
2 某款轿车天窗碰撞CAE分析
伟巴斯特（Webasto）规定天窗在低速碰撞的时候，不能有任何零件发生断裂，并且能够进行正常开启和关闭；在高速碰撞的时候，天窗不能从汽车上飞出。
对于碰撞仿真模拟，须采用显式算法进行求解，它的稳定性存在一定条件,即时间步长受到数值积分稳定性的限制, 不能超过系统的临界时间步长。对于壳单元,临界时间步长△tmax 表示如下：
（1）
（2）其中：Le 为单元的最小长度，Cd 是材料波速， ρ为密度，E为弹性模量，μ为泊松比, 从公式（1）和（2）可以看出：材料刚度越大，波速越高，结果临界时间步长就越小；密度越高，波速越低，结果是时间步长就越大。为了减少计算时间，可以使用质量缩放技术，即增大材料的密度，增加临界时间步长，从而减少计算时间[4]。不过需要注意增加的质量不能超过总质量的5%,不然计算出的结果不准确。机械组是天窗关键零部件，其尺寸比较小，如果采用全局尺寸单元来划分机械组，有些重要的特征就没有办法准确表达，因此必须采用比较小的单元尺寸，这样就会降低整个模型的稳定极限时间，计算时间就会变长。为了加快计算速度，可以适当质量释放，但是需要监控质量的增加。
为了验证CAE分析的可靠性和准确性，选取了伟巴斯特（Webasto）某款天窗为研究对象，通过CAE分析，这款天窗是能够通过低速碰撞。在高速碰撞0.018s时候机械组滑块承受的力达到最大值852.1N如图1所示，在0.04s时机械组与滑块几乎完全发生脱离如图2所示，滑块断开后，机械组在导轨里继续向前滑动，当滑动到天窗最前面的时候就会被车顶挡住，天窗不会飞出，因此此天窗的设计是合格的。
图1在碰撞过程中机械组滑块承受的力
图2在高速碰撞0.04s时机械组状态
3 某款天窗的碰撞物理试验
为了验证天窗碰撞CAE分析的有效性，同时也进行了天窗实际碰撞试验如图3所示，测试结果是：在低速碰撞过程中，天窗没有发生任何零件断裂，且能够正常工作;在高速碰撞过程中，滑块发生断裂见图4所示，但是天窗没有飞出，因此这款天窗能够满足高速和低速碰撞试验要求。
图3 某天窗碰撞试验
图4 在高速碰撞时滑块断裂
通过比较CAE和实际碰撞结果，两者的吻合度还是比较高的，说明CAE模型是准确、有效的。
4 天窗优化分析
从碰撞CAE分析和实际物理测试结果来看，这款天窗已经通过国家的法规和公司的规定，但是伟巴斯特（Webasto）作为天窗的领导者，始终坚持高标准、严要求：希望天窗在高速碰撞的时候，机械组滑块不能够断裂。对于这种零件局部优化，有经验的CAE工程师不需要基于修改的CAD模型修改CAE模型，可以直接修改CAE模型，经过我的三轮优化和CAE分析，新的机械组滑块（如图6所示）能在高速碰撞的时候没有发生断裂如图7所示，其滑块的断裂力达到了2374.1N如图8所示，比原始结构提高了1.8倍左右。
图5原始设计
图6优化设计方案
图7优化后的机械组滑块在碰撞过程中承受的力
图8新的机械组在最大驱动力的时候(0.022s)状态
5 优化前后机械组滑块静态拉升试验
原始设计已经满足了碰撞要求，所以新的结构再也没有进行实际碰撞试验。为了对比优化前后的结构性能，根据机械组滑块在碰撞试验中受力和约束情况，搭建了准静态拉升试验台架，分别测试了优化前后机械组滑块的断裂力，优化前是560N,优化后是2150N见图9。不管是CAE碰撞试验还是简化准静态拉升试验，优化效果还是比较明显的见表1。此结构已经应用到产品设计中，并已经大批量生产。
图9机械组滑块准静态拉升试验
表1 优化前后机械组滑块断裂力的比较
6 结论
通过实际碰撞试验，证明了碰撞CAE分析的精度还是可以的，为以后运用仿真技术验证天窗碰撞安全性奠定了一定的基础。
通过结构优化和分析，新的机械组滑块断裂力比原始结构提高了1.8倍，大大的提高了天窗的碰撞安全性。
在天窗详细阶段，引入CAE分析，可以有效的减少设计缺陷及提高产品的工艺可行性，能够减少试验次数，降低开发成本和缩短产品开发周期。
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