杨蔚

摘 要：随着我国经济的不断高速增长，商用车行业得到了飞速发展。其中，轻型商用车占到商用车市场的一半。轻型商用车的保有量的大幅增加，带来道路交通事故的频发。为应对国民经济对物流和出行的更高要求，如何提高轻型商用车碰撞安全性能成为重要的研究课题。本文主要研究《GB 11551-2014 汽车正面碰撞的乘员保护》关于N1类车型碰撞安全要求，重点阐述N1类商用车与M1类乘用车型安全性要求差异。然后以国内某款轻型商用车为例，阐述使用有限元方法进行建模和碰撞仿真，优化设计整车安全性能，以满足碰撞法规的要求。从整车碰撞试验的结果可以看出，该款轻型商用车的安全性能满足国标要求。

关键词：轻型商用车;碰撞安全;有限元;精度和可靠性

1 前言

近年来，我国汽车工业发展迅速，道路交通的逐渐普及及公共物流的快速成长，给国内商用车的发展带来契机，商用车的销量和市场保有量也在持续增加，其中，轻型商用车的销量明显大于中大型商用车。商用车的安全性能研发相对乘用车滞后，其发生安全事故时，乘员伤亡率较高，且商用车前部的缓冲区域相对乘用车普遍偏小，因而对于轻型商用车的碰撞安全性能研究就显得尤为重要。关于商用车碰撞安全研究，国外开展较早，Gendar[1]基于ECE R29[2]法规详细研究了某商用车的碰撞性能，并将CAE技术引入到传统驾驶室的开发。Dwivedi[3]开发一种可限制驾驶室变形的保护装置，大大提高正面碰撞安全性能。国内于近年开展了大量研究，如王登峰[4]等人对商用车驾驶室进行正面摆锤撞击研究。徐中明等[5]对某重型越野车进行基于灵敏度的轻量化研究。陆善彬等[6]研究了某商用车碰撞过程最小生存空间的评价问题。

本文以轻型商用车为研究对象，根据《GB11551-2014》[7]对N1类车碰撞安全性能要求进行解读，并简要介绍其与M1类车安全性能的差异。再以国内某款典型轻型商用车为例，结合计算机辅助工程（CAE）方法进行整车碰撞性能的研究。最后基于实车试验进行仿真模型与试验的数据对比，验证仿真模型的一致有效性。

2 N1类GB11551-2014碰撞安全解读

N1类汽车指最大设计总质量不超过3500kg的载货汽车（主要包括微卡、轻卡、厢式货车、皮卡等），碰撞安全主要包括车身安全要求及乘员安全要求。

2.1 车身安全要求

N1类车辆车身安全要求主要为：

a）在试验过程中，车门不得开启;

b）在试验过程中，前门锁止系统不得发生锁止;

c）碰撞试验后，除支持假人质量的必要工具外不能使用其他工具，应能：

1.对应于每排座位，若有门，至少有一个能打开。如果没有门，移动座椅或改变座椅靠背位置使得所有乘员能够撤离。

2.将假人从约束系统中解脱时，如果发生了锁止，通过在松脱位置上施加不超过60N的压力，该约束系统能被打开。

3.不调整座椅，从车中完好取出假人。

4.在碰撞过程中，燃油供给系统不应发生泄漏。

5.碰撞试验后，若燃油供给系统存在液体连续泄漏，则在碰撞后前5min平均泄漏速率不得大于30g/min;如果来自燃油供给系统的液体与来自其他系统的液体混合，且不同的液体不容易分离和辨认，则在评定连续泄漏时，收集到的所有液体都应计入。

2.2 乘员安全要求

N1类车辆乘员安全要求主要为：前排外侧座位假人性能要求，包括

a）头部性能指标（HPC）应不大于1000，并且头部合成加速度大于80g的时间累积不应超过3ms，但不包括头部反弹;

b）胸部压缩指标（ThCC）应不大于57N*m;

c）大腿压缩力指标（FFC）在持续加载10-60ms过程中不大于7.58KN。

2.3 N1类车与M1类车安全性要求的差异

N1类车与M1类车安全性差异主要体现在乘员安全要求，N1类车型对以下几点不做要求：

3 某典型轻卡整车碰撞模型介紹

本研究以国内某典型轻型商用车为例，并结合计算机辅助技术建立具有高精度和高可靠性的有限元[8]仿真模型。并以该模型为基础，进行与法规相对应碰撞工况的参数设定与碰撞仿真模拟[9]。

3.1 整车建模方法介绍

3.1.1 碰撞理论简介

碰撞仿真采用显式积分法[10]，其仿真求解时间决定于最小时间步。

3.1.2 整车模型搭建

首先，零件网格划分，包括输入CAD导入、CAD模型几何清理及网格的划分及质量检查。其次，零部件之间连接关系的建立，包括焊点连接、胶粘连接、铰链连接、螺栓连接等。最后，边界条件设置、模型控制卡片等。搭建完的整车模型如图2所示。

3.2 整车模型概况

整车模型由14个主要总成系统构成，如图3所示，单元数155万，节点数162万。

3.3 碰撞工况介绍

根据GB11551-2014《汽车正面碰撞的乘员保护》，最大设计总质量不大于2.5吨的N1类汽车适用于该标准。国内某典型轻型商用车总质量约为1.7吨，可依据此法规进行50km/h的正面碰撞性能评价。

4 某典型轻卡整车碰撞仿真试验分析

上文通过有限元仿真技术建立碰撞仿真模型，需对模型的精度、可靠性及相关参数有效性进行试验验证。本章结合该典型轻卡整车正面碰撞试验结果与有限元仿真模型进行对比分析。并从车身整体变形、关键区域侵入量、加速度水平等方面进行一致性评定。

4.1 整车碰撞仿真结果

整车仿真模型运动姿态与试验基本一致，各总成间相对运动关系正确，零部件间受力关系及变形正常。正面碰撞中乘员舱关键位置侵入量、转向结构跳动量、车门变形量、碰撞减速度水平等指标是影响目标车内乘员安全的主要因素。一般情况下，采用防火墙/踏板侵入量、车门变形量和减速度曲线等参数来评价车体正面耐撞性能。

表2为某轻型商用车整车碰撞仿真结果：减速度峰值为40.8g，出现在10ms时刻;防火墙侵入量（最大值）为147mm，出現在真空阻力泵安装点附近;制动踏板X向侵入量（最大值）为89mm;加速踏板X向侵入量（最大值）为68mm;转向管柱侵入量X向（最大值）为40mm，Z向（最大值）为29mm。

图6为B柱下方车身减速度曲线，0～30ms对应前纵梁前段至前悬架安转点之间纵梁的溃缩变形;30ms～70ms对应纵梁后段及乘员舱区域的车身变形。

图7为防火墙变形云图，变形最大位置位于真空阻力泵安装处。

4.2 整车碰撞试验结果及分析

将整车仿真模型的结果与实车碰撞试验结果进行一致性评定，验证模型的精度。下图8是碰撞结束后的试验和仿真模型图，图9是试验与仿真的加速度曲线对比。

从图8和图9可看出，试验数据与仿真数据的一致性较好，仿真模型精度处于较高水平。

4.3 整车安全开发技术要点

整车安全开发中，乘员舱生存空间是重要技术指标，而影响乘员舱生存空间的关键因素包括其自身刚度以及碰撞能量。乘员舱刚度受限于几何结构、车体空间及成本核算，其刚度提高幅度有限。而对前纵梁碰撞吸能性和压溃稳定性的提高来减少乘员舱的碰撞能量是提高汽车安全性能的主要手段。本文通过提高商用车前纵梁的吸能性能及压溃稳定性的方式提升整车安全性能。

随着纵梁厚度的不断增加，前纵梁吸能量逐渐增加，有利于保持乘员舱的生存空间;但平均加速度也逐渐增加，压溃稳定性逐渐变差;加速度峰值逐渐增加，将增大乘员受损伤的风险。因而，在实际工程应用中，需根据商用车实际的整车安全性能进行合理的前纵梁吸能量及压溃稳定性匹配。

5 结论

本文以某轻型商用车为例对商用车整车安全开发进行研究。首先简述了商用车市场现状、碰撞安全的重要性，并重点解读了GB11551-2014关于N1类车的碰撞安全性要求。其次通过国内某轻型商用车的整车安全模型搭建、模型组成、工况介绍来详细展示商用车有限元设计开发方式。最后以有限元仿真模型与实车试验结果的对比验证了仿真模型的精度和可靠性，并简要分析整车安全开发技术要点，并说明了整车安全性能要求前纵梁应寻求吸能性能及压溃稳定性的合理匹配。

参考文献：

[1]GENDAR，D.Numerical Simulations for Testing of Commercial Vehicle as Per ECE-R29 Regulations[J]. SAE Paper 2007-26-045.

[2]ECE R29-03，Uniform Provisions Concerning the Approval of Vehicles with Regard to the Protection of the Occupants of the Cab of a Commercial Vehicle[S].

[3]DWIVEDIP，KULKARNIA，CHALIPATS. Protection Devices to Improve Frontal Pendulum Impact Performance of Heavy Commercial Vehicles[J].SAE Paper 2011-26-0099.

[4]王登峰，刘丽亚，董学锋，等.商用车驾驶室碰撞安全性的研究与改进[J].汽车工程，2011，33（1）：2-5.

[5]徐中明，史方圆，张志飞，等.重型越野车驾驶室安全性仿真及结构修改[J].汽车工程，2010，32（12）：1038-1041.

[6]陆善彬，张君媛，周剑，等.商用车ECER-29法规试验中乘员生存空间的研究[J] 汽车技术，2009（6）：43-47.

[7]国家标准GB11551-2014《汽车正面碰撞的乘员保护》.

[8]王勖成，邵敏.有限单元法基本原理和数值方法.北京：清华大学出版社，1995.

[9]T Nakagawa Ken， Tatsuhiro， Crash Simulation of a Passenger Car. SAE900464.

[10]Ted Belysschko，Wing Kam Liu，Brian Moran.著;庄茁译.连续体和结构的非线性有限元[M].北京：清华大学出版社，2002.