汽車轉(zhuǎn)向管柱支撐結(jié)構(gòu)碰撞過(guò)程分析與改進(jìn)設(shè)計(jì)

1 汽車碰撞的有限元分析方法特點(diǎn)

    在汽車碰撞過(guò)程中，碰撞動(dòng)能主要通過(guò)汽車壓潰區(qū)的變形來(lái)吸收，因此，如何計(jì)算模擬碰撞過(guò)程中汽車構(gòu)件的變形過(guò)程，就成為汽車碰撞過(guò)程中的關(guān)鍵問題。由于汽車碰撞過(guò)程時(shí)間極短，而且汽車構(gòu)件形狀復(fù)雜，邊界條件也很難確定，因此使用傳統(tǒng)的計(jì)算方法根本無(wú)法進(jìn)行。目前，國(guó)內(nèi)外用于汽車碰撞模擬的模型，主要采用4類，見附表。

    本文是用有限元方法對(duì)汽車轉(zhuǎn)向管柱支撐結(jié)構(gòu)進(jìn)行碰撞模擬分析的。

    采用有限元方法進(jìn)行模擬計(jì)算，具有以下特點(diǎn)：

    ①可以根據(jù)不同要求，采取不同的單元數(shù)量、種類和精度，以達(dá)到所需要的計(jì)算精度；

    ②可以完全依靠計(jì)算機(jī)工作，無(wú)需手工計(jì)算；

    ③在結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)時(shí)，可以迅速得到結(jié)果，對(duì)結(jié)構(gòu)進(jìn)行修正，并減少樣車的試制數(shù)量；

    ④如果建立起結(jié)構(gòu)數(shù)據(jù)庫(kù)，可以很方便地進(jìn)行結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)與方案比較，大大提高設(shè)計(jì)工作的效率。

2 轉(zhuǎn)向管柱支撐結(jié)構(gòu)有限元分析過(guò)程流程 

    如圖1所示。進(jìn)行車輛零部件碰撞模擬有許多種方式，可以在整車的環(huán)境中進(jìn)行，也能以局部零部件進(jìn)行。在整車環(huán)境下進(jìn)行具有約束條件完整，結(jié)果直觀精確，但計(jì)算工作量巨大，一部整車模型的搭建需要幾個(gè)月的時(shí)間；局部零部件的計(jì)算如果缺乏合理的環(huán)境約束，就難以有合理的結(jié)果。

    本文針對(duì)碰撞結(jié)構(gòu)中的轉(zhuǎn)向機(jī)構(gòu)在改進(jìn)分析計(jì)算方法與實(shí)踐效果方面作了研究。轉(zhuǎn)向管柱支撐于車身上，其碰撞力來(lái)自于駕駛員胸部的接觸力。在本次轉(zhuǎn)向結(jié)構(gòu)的分析計(jì)算中，將轉(zhuǎn)向系統(tǒng)看作一個(gè)小的完整系統(tǒng)，對(duì)支撐部位采取三向平動(dòng)約束，轉(zhuǎn)向管柱第二節(jié)下端采用萬(wàn)向節(jié)動(dòng)力學(xué)鉸約束，轉(zhuǎn)向管柱支撐結(jié)構(gòu)零件之間的連接采用焊接，來(lái)自于整車碰撞試驗(yàn)中胸部的碰撞力，作用于方向盤上，觀察方向盤中心的位移量，以此作為改進(jìn)的依據(jù)。根據(jù)GB11557-1998《防止汽車轉(zhuǎn)向機(jī)構(gòu)駕駛員傷害的規(guī)定》，方向盤中心的位移量向后竄動(dòng)量不能超過(guò)127mm，以保證對(duì)人體傷害不至于過(guò)大，同時(shí)保證安裝在方向盤中的安全氣囊在展開的過(guò)程中準(zhǔn)確地托住人的頭部。

    以下是轉(zhuǎn)向管柱支撐結(jié)構(gòu)分析計(jì)算的幾個(gè)主要步驟。

圖1 流程

表1 汽車碰撞的主要模型類型

    ①使用UGII建立CAD模型，圖2中我們將轉(zhuǎn)向系統(tǒng)與碰撞相關(guān)的CAD模型用UGII建立起來(lái)，模型中包含了這些零部件的細(xì)節(jié)結(jié)構(gòu)，包括翻邊、加強(qiáng)筋、工藝孔等，保證了模型的準(zhǔn)確性；

    ②在CAD模型的基礎(chǔ)上，建立有限元原始模型，見圖3。有限元模型的細(xì)節(jié)是完全按照CAD模型建立的，按5—10mm的尺寸劃分單元，模型中的焊接結(jié)構(gòu)采用Spotweld進(jìn)行連接，萬(wàn)向節(jié)結(jié)構(gòu)采用動(dòng)力學(xué)鉸的萬(wàn)向節(jié)進(jìn)行連接，力的施加采用節(jié)點(diǎn)集中力，并在人胸部與方向盤的接觸位置的節(jié)點(diǎn)上施加；

    ③在有限元原始模型的基礎(chǔ)上，經(jīng)多次計(jì)算分析和改進(jìn)，確定最終改進(jìn)結(jié)構(gòu)，見圖4和圖5。3轉(zhuǎn)向管柱支撐結(jié)構(gòu)改進(jìn)設(shè)計(jì)和計(jì)算結(jié)果

圖2 使用UGII建立CAD模型

圖3 有限元原始模型

圖4 改進(jìn)結(jié)構(gòu)Ⅰ

圖5 改進(jìn)結(jié)構(gòu)Ⅱ

    (1)結(jié)構(gòu)改進(jìn)通過(guò)碰撞模擬和對(duì)轉(zhuǎn)向管柱支撐結(jié)構(gòu)多達(dá)5次的分析，對(duì)支撐結(jié)構(gòu)主要作了如下改進(jìn)：

    ①原來(lái)由3個(gè)鈑金零件(見圖6中1、2和3)通過(guò)焊接組成的轉(zhuǎn)向管柱支撐結(jié)構(gòu)，改為三合一的整體構(gòu)件，見圖7；

    ②在整體構(gòu)件上沖壓出加強(qiáng)筋(見圖7A、B、C和D);

    ③原圖6結(jié)構(gòu)曲面I有近乎直角的彎折，現(xiàn)改為無(wú)彎折的平順曲面。

圖6 整體結(jié)構(gòu)Ⅰ

圖7 整體結(jié)構(gòu)Ⅱ

圖8 計(jì)算結(jié)果

    通過(guò)以上結(jié)構(gòu)改進(jìn)措施，支撐結(jié)構(gòu)得到加強(qiáng)。

    (2)計(jì)算結(jié)果 根據(jù)計(jì)算結(jié)果，原車方向盤中心的位移量在200mm左右（見圖8曲線I），與實(shí)車碰撞的測(cè)量結(jié)果相一致。多次改進(jìn)后的結(jié)構(gòu)使方向盤中心的位移量降至47.2mm(見圖8曲線Ⅱ)，這一結(jié)果在隨后的實(shí)車碰撞試驗(yàn)中得到了驗(yàn)證，證明這種改進(jìn)方式是非常行之有效的。