汽車轉(zhuǎn)向管柱支撐結(jié)構(gòu)碰撞過程分析與改進設(shè)計

1 汽車碰撞的有限元分析方法特點

    在汽車碰撞過程中，碰撞動能主要通過汽車壓潰區(qū)的變形來吸收，因此，如何計算模擬碰撞過程中汽車構(gòu)件的變形過程，就成為汽車碰撞過程中的關(guān)鍵問題。由于汽車碰撞過程時間極短，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)的計算方法根本無法進行。目前，國內(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汽車轉(zhuǎn)向管柱支撐結(jié)構(gòu)進行碰撞模擬分析的。

    采用有限元方法進行模擬計算，具有以下特點：

    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，以達到所需要的計算精度；

    ②可以完全依靠計算機工作，無需手工計算；

    ③在結(jié)構(gòu)設(shè)計時，可以迅速得到結(jié)果，對結(jié)構(gòu)進行修正，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，可以很方便地進行結(jié)構(gòu)設(shè)計與方案比較，大大提高設(shè)計工作的效率。

2 轉(zhuǎn)向管柱支撐結(jié)構(gòu)有限元分析過程流程 

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

    本文針對碰撞結(jié)構(gòu)中的轉(zhuǎn)向機構(gòu)在改進分析計算方法與實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)的分析計算中，將轉(zhuǎn)向系統(tǒng)看作一個小的完整系統(tǒng)，對支撐部位采取三向平動約束，轉(zhuǎn)向管柱第二節(jié)下端采用萬向節(jié)動力學(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，來自于整車碰撞試驗中胸部的碰撞力，作用于方向盤上，觀察方向盤中心的位移量，以此作為改進的依據(jù)。根據(jù)GB11557-1998《防止汽車轉(zhuǎn)向機構(gòu)駕駛員傷害的規(guī)定》，方向盤中心的位移量向后竄動量不能超過127mm，以保證對人體傷害不至于過大，同時保證安裝在方向盤中的安全氣囊在展開的過程中準確地托住人的頭部。

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

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，模型中包含了這些零部件的細節(jié)結(jié)構(gòu)，包括翻邊、加強筋、工藝孔等，保證了模型的準確性；

    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進行連接，萬向節(jié)結(jié)構(gòu)采用動力學(xué)鉸的萬向節(jié)進行連接，力的施加采用節(jié)點集中力，并在人胸部與方向盤的接觸位置的節(jié)點上施加；

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

圖2 使用UGII建立CAD模型

圖3 有限元原始模型

圖4 改進結(jié)構(gòu)Ⅰ

圖5 改進結(jié)構(gòu)Ⅱ

    (1)結(jié)構(gòu)改進通過碰撞模擬和對轉(zhuǎn)向管柱支撐結(jié)構(gòu)多達5次的分析，對支撐結(jié)構(gòu)主要作了如下改進：

    ①原來由3個鈑金零件(見圖6中1、2和3)通過焊接組成的轉(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 計算結(jié)果

    通過以上結(jié)構(gòu)改進措施，支撐結(jié)構(gòu)得到加強。

    (2)計算結(jié)果 根據(jù)計算結(jié)果，原車方向盤中心的位移量在200mm左右（見圖8曲線I），與實車碰撞的測量結(jié)果相一致。多次改進后的結(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)果在隨后的實車碰撞試驗中得到了驗證，證明這種改進方式是非常行之有效的。