高顶驾驶室顶部强度试验仿真分析及验证.pdf

设计 计算 研究 高顶驾驶室顶部强度试验仿真分析及验证 谢 旭 良 1 申福林 1 张国胜 z 李 强 ( 1 长 安 大学 ； 2 交 通 运输部 公路 科学研 究 所 ) 【 摘要】 为验证某款高顶驾驶室顶部强度和生存空间是否满足相关法规要求 ， 对其建立了有限元模型和假人模 型 进行了驾驶 室顶部强度 的试验仿真 获得了驾驶室变形情况和驾驶员生存空间变化情况 。仿真结果和实车试验 结果对 比分析表 明 两者 吻合 良好 ， 且该高顶驾驶室能够满足 G B 2 6 5 1 2 2 0 1 1 顶部强度试验要求并能够保证驾驶员 的生存空 间要求 。 主题词： 高顶驾驶室顶部强度生存空间法规 中图分类号： U 4 6 3 8 1 文献标识码 ： A文章编号 ： 1 0 0 0 3 7 0 3 ( 2 0 1 2 ) 0 9 0 0 1 1 0 4 S im u l a t io n Ana l ys is a nd Va l id a t io n o n Ro o f S t r e ng t h f o r a Hig h-t o p Tr uck Ca b X ie X u l i a n g ， S h e n F u l i n ， Z h a n g G u o s h e n g ， L i Q i a n g ( 1 C h a n g a n U n iv e r s i t y ； 2 R e s e a r ch I n s t i t u t e o f Hi g h w a y ， Mi n i s t r y o f T r a n s p o r t ) 【 A b s t r a ct I n o r d e r t o v e r i f y w h e t h e r t h e s t r e n g t h a n d s u r v i v a l s p a ce s a t is f y t h e r e g u l a t o ry r e q u i r e me n t o f r o o f s t r e n g t h ，f in it e e l e me n t mo d e l a n d a d u mmy we r e cr e a t e d f o r r o o f s t r e n g t h t e s t a n d s imu l a t i o n Ro o f d e f o r ma t i o n a n d ch a n g e o f d r iv e r s s u r v iv a l s p a ce we r e o b t a in e d Co mp a r is o n a n d a n a l y s is we r e ma d e b e t we e n s imu l a t ig n r e s u h s a n d p h y s ica l t e s t r e s u l t s ， wh ich s h o w t h a t s imu l a t io n r e s u l t s ma t ch w e l l w it h p h y s ica l t e s t r e s u l t s ，t h e h ig h t o p ca b ca n me e t t h e d e ma n d s o f r o o f s t r e n g t h t e s t a cco r d in g t o GB 2 6 51 2 - 2 0 1 1 a n d t h e s u rviv a l s p a ce is s u ffi cie n t f o r t h e s a f e t y o f d r iv e r Ke y wo r d s ： Hig h - t o p t r u ck ca b ， Ro o f s t r e n g t h ， S u r v iv a l s p a ce ， Re g u l a t io n 1 前 言 2 0 1 1年 5月 我 国 颁 布 了 强 制 性 法 规 G B 2 6 5 1 2 2 0 1 1 商用车驾驶室乘员保护) ) 【 1 ， 并于 2 0 1 2 年元旦正式实施 该法规规定正面碰撞必须采用实 车试 验 而顶 部强 度 和 后 围强 度 可 以采 用 模 拟强 度 计算方法来验证 国外 已经进行了许多商用车碰撞安全性的 C A E 分析2 - 3 1 而国内在商用车驾驶室碰撞安全性方面的 研究 仍处于起步阶段 本文针对某款高顶驾驶室 按 照 G B 2 6 5 1 2 2 0 1 1 规定 进行 了其顶 部强 度试 验 的 安全性数值分析 对驾驶员生存空 间进行了评价 并 对 仿真 结果与 实车试验 结果进 行 了对 比分析 2驾驶 室模 型 本文采用非线性有限元解算器对商用车驾驶室 顶部强度试验过程进行数值模拟。首先将驾驶室车 身 C A D数学模型导入到前处理软件 HY P E R ME S H 中 但 由于建 立 的 C A D模 型 是 由大 量 复杂 曲面 组 成 并且存在数据格式转换的差异 如曲面之间存在 缝隙、 重叠 、 错位等缺陷， 会影响生成网格的质量 ， 所 以为保证曲面之间的连接关系 要消除 自由边、 倒角 和小孑 L 等细小几何特征 ， 对 曲面进行裁剪 、 删除 ， 以 消除 曲面之 间 的边界错 位 通常在建立有限元模型过程 中还需要对复杂 驾驶室 C AD模型进行适 当简化 在保证计算精度的 同时能够适 当减少工作量 用于仿真计算的模型包 括 了驾驶 室 白车身 、 座 椅 、 车架 、 驾驶 室翻转 机构 、 驾 驶室悬置机构 、 仪表台、 转 向系统 、 发动机 、 散热器 、 假 人模 型 等 由于驾 驶室 白车 身主要 是 由金属 薄板 经 冲 压而成 的钣 金件 因此对该 类零 部件 抽取 中面 并 以壳单元表述其变形特征 而其它总成或零部件 根据其在碰撞过程可能存在的变形以及对驾驶员生 存空间的影响简化程度不一 如发动机简化成一个 实体单元 ， 并给定其质量 、 质心 、 惯量等物理参数 。 各种连接方式均采用适当的有限元进行模拟。单元 十基金项 目： “ 十一五” 国家科技支撑计 划( 2 o 0 9 B AG 1 3 A O 4 ) ； 中央高校基本科研业务费专项资金( C H D 2 0 1 2 J C 0 4 5 ) 。 2 0 1 2年第 9 期 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m 设计 计算 研究 尺寸影响计算时间步长 ， 进而影响模拟计算时间 所 以必须控制最小单元尺寸。壳单元和实体单元尺寸 在 4 1 5 mm范围内， 依据零部件的复杂程度 、 表 面 曲率变化程度、是否处于碰撞变形区域等来确定具 体尺寸， 尽量做到该加密的区域加密网格 该稀疏的 区域网格保持稀疏 ， 从而在总体上控制网格总量 以 减少仿真时长 该有 限元模型包括 6 5万个节点 、 6 O万个壳单 元、 3万个实体单元 有限元模型如图 1 所示 由于冲 压结构曲面变化相当复杂 。 三角形单元难 以避免 模 型中三角形单元少于 8 6 0 0 占壳单元总数的 1 4 2 左右。网格划分完成后 有限元单元质量的好坏直接 影响有限元求解的稳定性和精度 所以需要将单元 翘曲、 单元长短边 比值 、 单元内角要求、 雅克 比等控 制在一定范围内， 如翘曲单元不超过总数的 1 5 离 散后的车辆模型。 既要保证计算精度 也要保证运算 效率 。单元质量经过检查 满足计算要求 并消除了 初始渗透， 防止计算过程不收敛或出现其它错误 按 照 G B 2 6 5 1 2 2 0 1 1 法规建立了用于检验生存空间的 5 0百分位男性假人有限元模型阎 如图 2所示 置于 驾驶员座位上 并使假人“ H” 点与座椅“ R” 点重合 图 1 驾驶室有 限元模型 图 2假 人模 型 有限元仿真模型 中可采用的部件连接方法主要 有共节点、焊点连接和刚体连接 。共节点即将焊接 处两个节点 的 6个 自由度耦合 ：焊点连接和刚体连 接是 在两个或多个邻接节点间定义无质量的刚性 梁 ，将其平动和转动的 自由度耦合。车身结构连接 大部分 由点焊工艺完成 白车身共有几千个焊点 焊 点 的分布和密度都会影响结构的变形模式 在通常 一 1 2 一 的车辆侧面碰撞中， 只有少数焊点开裂 而且焊点的 动态失效数据不易得到 ，因此在车辆侧碰模拟计算 中不考虑焊点开裂 ，只做简单的焊点连接 模型中 焊点连接位置应该尽量和实车中位置一致 以保证 变形可靠 。将驾驶室的各个部件连接成一个整体 ， 最终驾驶室焊点分布如图 3所示 图 3焊 点 分 布 对于顶部强度试验 要求通过形状合适的刚体 部件将 前轴最 大静 载荷 均匀施加 在驾 驶室 或座舱 顶 部构架的所有支承件上 因此采用刚性平板作为施 压部件 均以刚性壳单元处理 本 文钢 材主要 采用 D C 0 4 个 别零部 件采 用 D C 0 6 。对于钣金件壳体 采用各向同性分段线性弹 塑性材料模型定义。对于定义为刚体的零部件 采 用 刚性 材 料 对除施压刚性平板外的所有零部件设置了 自动 单面接触模型 可用于所有汽车零部件可能发生的 接触检测 包括零部件 自身的接触。自动单面接触模 型是一种非常稳定和精确的接触类型 优点是对网 格划分中的尖角接触处理很好 对三角形及四面体 网格 的接触很 稳定 而施 压刚性 平板 与驾驶 室顶 围 之间的接触采用 自动面面接触 在 自动单面接触和 自动面面接触 中将可变形零部件的动 、静摩擦系数 分别定义为 0 2和 0 3 f 3 1 。 3仿真结果 在顶部强度试验中 要求悬架( 弹簧 、 轮胎等) 各 部件变形通过应用刚性构件的方式予以消除 ， 因此 ， 将弹性元件采用刚性梁单元替代。 对于刚性平板的静载荷作用 通过对该刚性平 板施加恒定速度或位移来模拟准静态运动。在该项 分析 中 试验在很低的速度下进行 ， 因此被认定为准