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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