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汽車天窗碰撞安全性分析和優(yōu)化
2020-08-21 23:38:44· 來源：汽車實用技術(shù)雜志社 作者：蔣振宇，周志剛
摘要：文章在國內(nèi)外首次系統(tǒng)的闡述了汽車安全法規(guī)和標準對天窗的要求，并以某一款汽車天窗為研究對象，進行了碰撞CAE分析，同時也進行了實際碰撞測試，通過比較C
摘要：文章在國內(nèi)外首次系統(tǒng)的闡述了汽車安全法規(guī)和標準對天窗的要求，并以某一款汽車天窗為研究對象，進行了碰撞CAE分析，同時也進行了實際碰撞測試，通過比較CAE和實際測試結(jié)果，說明了碰撞CAE模型是正確的、有效的。為了進一步提高天窗的碰撞安全性，經(jīng)過三輪優(yōu)化和分析得到了新的機械組滑塊方案，根據(jù)優(yōu)化前后的CAE結(jié)果和簡化準靜態(tài)拉伸試驗結(jié)果，新的機械組滑塊斷裂力比原始結(jié)構(gòu)明顯提高了很多，此優(yōu)化方案已經(jīng)應(yīng)用到產(chǎn)品中，并已經(jīng)大批量生產(chǎn)。
引言
近年來中國汽車工業(yè)迅速發(fā)展，中國已成為世界上最大的汽車生產(chǎn)國和消費國，天窗版汽車成為多數(shù)購車者的首選,主要因為天窗能夠有效地使車內(nèi)空氣流通，增加新鮮空氣的進入，為車主帶來健康、舒適的享受。同時汽車車窗也可以開闊視野，也常用于移動攝影攝像的拍攝需求，但是隨著汽車天窗尺寸越來越大，消費者越來越重視汽車天窗的碰撞安全性。偉巴斯特（Webasto）作為汽車天窗行業(yè)的領(lǐng)導(dǎo)者，始終秉持安全、創(chuàng)新、節(jié)能等原則，對于天窗的碰撞安全，偉巴斯特（Webasto）制定了高于國家安全法規(guī)的企業(yè)碰撞要求。下面將介紹偉巴斯特（Webasto）中國在2013年完成的某款轎車天窗碰撞CAE和實際碰撞試驗，在介紹具體案例之前，先簡單的介紹整車碰撞安全法規(guī)，汽車碰撞通常分為高速和低速碰撞。
1 汽車高速和低速碰撞
1.1 高速碰撞
高速碰撞是引起人員死亡的主要事故類型。各國都制定了高速碰撞的強制法規(guī)，正面碰撞試驗法規(guī)有美國的FMVSS 208和歐洲的ECE 94,側(cè)面碰撞的法規(guī)有美國的FMVSS 214和歐洲的ECR R95。而國內(nèi)的相應(yīng)強制性標準分別為GB 1151-2003《乘用車正面碰撞的乘員保護》和GB20071-2006《汽車側(cè)面碰撞的乘員保護》[2]。
除了這些國家頒布的強制性汽車安全法規(guī)外，各國也出臺了新車安全水平等級評價規(guī)程NCAP，如EuroNCAP（歐洲新車評價規(guī)程）、IIHS(美國公路安全保險協(xié)會）、US-NCAP(美國新車評價規(guī)程) 、C-NCAP等。
這些法規(guī)主要是基于對乘員的保護，沒有對天窗在高速碰撞中的表現(xiàn)有具體規(guī)定。
1.2 低速碰撞
低速碰撞一般指車速低于15Km/h時的汽車碰撞，這也是城市交通中最常見的交通事故。為了提高汽車低速碰撞的安全性能和減少汽車維修費用，各國都制定了低速碰撞的國家法規(guī)和保險業(yè)的行業(yè)法規(guī)。低速碰撞法規(guī)和試驗要求有歐洲法規(guī)（ECE-R42）,美國聯(lián)邦法規(guī)（FMVSS PART 581），高速公路安全保險協(xié)會（IIHS）,德國安聯(lián)保險公司技術(shù)中心（AZT Crash Reparatur Test）和 汽車修理研究協(xié)會的RCAR(Research Council for Automobile Repairs)，我國參照歐洲的ECE-R42法規(guī)要求，也頒布了低速碰撞的標準GB I7354-1998[3]。
這些低速碰撞標準都規(guī)定了：汽車在完成低速碰撞試驗后，除了前保險杠和直接將保險杠安裝到車架上的安裝件和緊固件外，其他表面無脫落、無變形；其它部件都能正常開啟和工作。因此，天窗經(jīng)過低速碰撞測試后，也必須能夠正常開啟和工作。
2 某款轎車天窗碰撞CAE分析
偉巴斯特（Webasto）規(guī)定天窗在低速碰撞的時候，不能有任何零件發(fā)生斷裂，并且能夠進行正常開啟和關(guān)閉；在高速碰撞的時候，天窗不能從汽車上飛出。
對于碰撞仿真模擬，須采用顯式算法進行求解，它的穩(wěn)定性存在一定條件,即時間步長受到數(shù)值積分穩(wěn)定性的限制, 不能超過系統(tǒng)的臨界時間步長。對于殼單元,臨界時間步長△tmax 表示如下：
（1）
（2）其中：Le 為單元的最小長度，Cd 是材料波速， ρ為密度，E為彈性模量，μ為泊松比, 從公式（1）和（2）可以看出：材料剛度越大，波速越高，結(jié)果臨界時間步長就越小；密度越高，波速越低，結(jié)果是時間步長就越大。為了減少計算時間，可以使用質(zhì)量縮放技術(shù)，即增大材料的密度，增加臨界時間步長，從而減少計算時間[4]。不過需要注意增加的質(zhì)量不能超過總質(zhì)量的5%,不然計算出的結(jié)果不準確。機械組是天窗關(guān)鍵零部件，其尺寸比較小，如果采用全局尺寸單元來劃分機械組，有些重要的特征就沒有辦法準確表達，因此必須采用比較小的單元尺寸，這樣就會降低整個模型的穩(wěn)定極限時間，計算時間就會變長。為了加快計算速度，可以適當質(zhì)量釋放，但是需要監(jiān)控質(zhì)量的增加。
為了驗證CAE分析的可靠性和準確性，選取了偉巴斯特（Webasto）某款天窗為研究對象，通過CAE分析，這款天窗是能夠通過低速碰撞。在高速碰撞0.018s時候機械組滑塊承受的力達到最大值852.1N如圖1所示，在0.04s時機械組與滑塊幾乎完全發(fā)生脫離如圖2所示，滑塊斷開后，機械組在導(dǎo)軌里繼續(xù)向前滑動，當滑動到天窗最前面的時候就會被車頂擋住，天窗不會飛出，因此此天窗的設(shè)計是合格的。
圖1在碰撞過程中機械組滑塊承受的力
圖2在高速碰撞0.04s時機械組狀態(tài)
3 某款天窗的碰撞物理試驗
為了驗證天窗碰撞CAE分析的有效性，同時也進行了天窗實際碰撞試驗如圖3所示，測試結(jié)果是：在低速碰撞過程中，天窗沒有發(fā)生任何零件斷裂，且能夠正常工作;在高速碰撞過程中，滑塊發(fā)生斷裂見圖4所示，但是天窗沒有飛出，因此這款天窗能夠滿足高速和低速碰撞試驗要求。
圖3 某天窗碰撞試驗
圖4 在高速碰撞時滑塊斷裂
通過比較CAE和實際碰撞結(jié)果，兩者的吻合度還是比較高的，說明CAE模型是準確、有效的。
4 天窗優(yōu)化分析
從碰撞CAE分析和實際物理測試結(jié)果來看，這款天窗已經(jīng)通過國家的法規(guī)和公司的規(guī)定，但是偉巴斯特（Webasto）作為天窗的領(lǐng)導(dǎo)者，始終堅持高標準、嚴要求：希望天窗在高速碰撞的時候，機械組滑塊不能夠斷裂。對于這種零件局部優(yōu)化，有經(jīng)驗的CAE工程師不需要基于修改的CAD模型修改CAE模型，可以直接修改CAE模型，經(jīng)過我的三輪優(yōu)化和CAE分析，新的機械組滑塊（如圖6所示）能在高速碰撞的時候沒有發(fā)生斷裂如圖7所示，其滑塊的斷裂力達到了2374.1N如圖8所示，比原始結(jié)構(gòu)提高了1.8倍左右。
圖5原始設(shè)計
圖6優(yōu)化設(shè)計方案
圖7優(yōu)化后的機械組滑塊在碰撞過程中承受的力
圖8新的機械組在最大驅(qū)動力的時候(0.022s)狀態(tài)
5 優(yōu)化前后機械組滑塊靜態(tài)拉升試驗
原始設(shè)計已經(jīng)滿足了碰撞要求，所以新的結(jié)構(gòu)再也沒有進行實際碰撞試驗。為了對比優(yōu)化前后的結(jié)構(gòu)性能，根據(jù)機械組滑塊在碰撞試驗中受力和約束情況，搭建了準靜態(tài)拉升試驗臺架，分別測試了優(yōu)化前后機械組滑塊的斷裂力，優(yōu)化前是560N,優(yōu)化后是2150N見圖9。不管是CAE碰撞試驗還是簡化準靜態(tài)拉升試驗，優(yōu)化效果還是比較明顯的見表1。此結(jié)構(gòu)已經(jīng)應(yīng)用到產(chǎn)品設(shè)計中，并已經(jīng)大批量生產(chǎn)。
圖9機械組滑塊準靜態(tài)拉升試驗
表1 優(yōu)化前后機械組滑塊斷裂力的比較
6 結(jié)論
通過實際碰撞試驗，證明了碰撞CAE分析的精度還是可以的，為以后運用仿真技術(shù)驗證天窗碰撞安全性奠定了一定的基礎(chǔ)。
通過結(jié)構(gòu)優(yōu)化和分析，新的機械組滑塊斷裂力比原始結(jié)構(gòu)提高了1.8倍，大大的提高了天窗的碰撞安全性。
在天窗詳細階段，引入CAE分析，可以有效的減少設(shè)計缺陷及提高產(chǎn)品的工藝可行性，能夠減少試驗次數(shù)，降低開發(fā)成本和縮短產(chǎn)品開發(fā)周期。
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