1 項目意義
隨著汽車工業(yè)的快速發(fā)展，人們對汽車的經(jīng)濟、安全、美觀、實用等性能的要求越來越高。其中，安全性對汽車的重要性不言而喻。每年全世界因交通事故死亡的人數(shù)達18 萬之多，因交通事故造成的各種損失觸目驚心。汽車被動安全性的提高，有助于降低安全事故造成的各類損失，更重要的是使乘客和駕駛員的生命安全得到了有效保障，極大減少傷亡的機率。因此，汽車碰撞安全性的改進設(shè)計具有良好的社會效益。
風(fēng)景海獅車型是北汽福田公司為更好地滿足人們對商務(wù)用車的需求而設(shè)計開發(fā)出的一款“平頭”車型。因其最初的設(shè)計方案存在整車前部吸能變形空間比較小、碰撞安全性不滿足我國碰撞法規(guī)要求等缺陷，該系列車型起先并不適用于客貨兩運，需要對原方案作適當(dāng)改進。本項目開發(fā)目標(biāo)為提高風(fēng)景海獅車型的碰撞安全性，使其達到國家標(biāo)準(zhǔn)CMVDR 294《關(guān)于正面碰撞乘員保護的設(shè)計規(guī)則》的要求。本項目立題同時兼顧了社會效益、經(jīng)濟效益和科技創(chuàng)新三方面的效應(yīng)。
另一方面，2003 年1 月1 日國標(biāo) CMVDR 294《關(guān)于正面碰撞乘員保護的設(shè)計規(guī)則》的強制實施，使按原設(shè)計方案設(shè)計的風(fēng)景海獅面臨被迫停產(chǎn)和停止銷售的命運，由此會給北汽福田公司造成大量銷售利潤的損失；如果完全更改此車型，則需改換整套生產(chǎn)線、模具、夾具，需要四到五個億的資金投入和兩年的整改時間，這是現(xiàn)實所不允許的。有鑒于此，項目小組提出了采用實車碰撞試驗和樣車碰撞計算機模擬相結(jié)合的方法提高風(fēng)景海獅安全性的改進方案。與傳統(tǒng)的“經(jīng)驗性設(shè)計與實車碰撞試驗”相結(jié)合的辦法相比，本方案能顯著地縮短改進設(shè)計周期并大大降低成本。因此本項目的開發(fā)同時還具有相當(dāng)?shù)慕?jīng)濟效益和科技創(chuàng)新意義。
2 項目內(nèi)容和實施方法
2.1 項目的主要內(nèi)容
本項目的主要內(nèi)容包括：
(1) 建立風(fēng)景海獅的整車CAD 和CAE 模型，為后續(xù)的模擬計算做準(zhǔn)備。
(2) 在大量模擬計算和整車及零部件試驗結(jié)果綜合分析的基礎(chǔ)上，找出該車存在的問題，提出改進設(shè)計原則和可供選擇的改進方案，并對這些方案進行分析，具體過程如下：
1) 通過整車碰撞試驗檢驗本車型的車身結(jié)構(gòu)耐撞性；
2) 通過臺車碰撞試驗檢驗乘員約束系統(tǒng)的安全性；
3) 通過虛擬樣車碰撞的計算機模擬，快捷地對原方案或改進方案作出初步評測，找出可能存在的問題，改進方案作進一步分析，直至找到較理想的改進方案，再生產(chǎn)物理樣車進行實車碰撞試驗；
通過物理樣車的整車和臺車碰撞試驗，對原方案或改進方案進行評測，試驗結(jié)果作為進一步改進設(shè)計的依據(jù)。
(3) 根據(jù)具體生產(chǎn)情況確定可行的改進設(shè)計方案，保證各項工藝要求和加工質(zhì)量；
(4) 依據(jù)我國CMVDR294 法規(guī)的要求，由權(quán)威機關(guān)對具體的改進設(shè)計方案進行驗證；
(5) 通過碰撞試驗后，進行結(jié)構(gòu)改進設(shè)計和模具開發(fā)、零部件換型、生產(chǎn)線改進等，落實生產(chǎn)一致性要求。
2.2 項目實施方法和實現(xiàn)途徑
風(fēng)景海獅改進過程是一個“樣車碰撞試驗—理論分析提出改進方案—模擬計算驗證—臺車及零部件試驗—樣車碰撞試驗”的循環(huán)過程。
汽車碰撞安全性研究有兩個主要手段，即實車碰撞試驗和數(shù)值模擬。
實車碰撞試驗是用整車碰撞試驗和臺車碰撞試驗來分別考核結(jié)構(gòu)耐撞性和乘員約束系統(tǒng)的安全性；在整車碰撞試驗和臺車試驗中采用非常先進的日本共和電子設(shè)備來保證測試的高效準(zhǔn)確，其中包括（KYOWA）LBT-S-20KNS2 型安全帶傳感器和DIS-3000A 型車載數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)。
數(shù)值模擬在產(chǎn)品的設(shè)計階段就可以進行，通過數(shù)值模擬，分析、發(fā)現(xiàn)并解決問題，縮短開發(fā)周期，降低研制費用；可以很方便地得到任意零部件的應(yīng)力變形情況，修改設(shè)計方案后，便于修改計算模型，得到有關(guān)分析數(shù)據(jù)。在本項目的數(shù)值模擬計算中，硬件采用IBM 公司提供的大規(guī)模并行處理機群系統(tǒng)（4 個結(jié)點機，8 個CPU），軟件采用ANSYS 公司提供的LS-DYNA3D960 并行版計算軟件，計算效率比串行計算高4～5.3 倍。
3 風(fēng)景海獅安全性改進設(shè)計
3.1 改進前風(fēng)景海獅車存在的問題
本項目一共進行了4 次整車正面碰撞試驗。2002 年3 月4 日，在清華大學(xué)汽車安全與節(jié)能國家重點實驗室對風(fēng)景海獅車進行的第一次正面碰撞試驗充分暴露了該車在碰撞安全性方面存在的問題，大部分問題都出在零部件質(zhì)量上，只需要更換零部件或者局部加強就可以解決。而其中對整車安全性有重要影響，而且比較難以改進的因素有以下兩項。
3.1.1 車架變形情況
圖1 改進前車架主梁三叉處向上翹曲
風(fēng)景海獅車在結(jié)構(gòu)上屬于非承載式車身，在強度和重量比較大的車架上焊接車身結(jié)構(gòu)，碰撞試驗時，車架吸能約60％～70％，因此車架變形情況對碰撞安全性具有決定性影響。通過風(fēng)景海獅車的碰撞試驗，發(fā)現(xiàn)車架主梁三叉處向上翹曲大約20 度（見圖1），這直接導(dǎo)致兩個嚴重后果：第一，導(dǎo)致轉(zhuǎn)向管柱后移量較大，壓縮乘員空間，影響乘員頭部和胸部傷害指標(biāo)。第二，導(dǎo)致儀表板后移量較大，影響乘員腿部傷害指標(biāo)，甚至影響頭部和胸部傷害指標(biāo)。因此，需進行大量模擬計算，尋找合理的改進設(shè)計方案，增強吸能效果，以降低車身的加速度，最終降低乘員頭部、胸部和腿部的傷害指標(biāo)。
3.1.2 安全帶失效
安全帶失效直接影響到假人頭部HIC 和腿部傷害指標(biāo)。對整車來說，安全帶是非常敏感的部件，與車身軟硬度和乘員空間匹配都有很大的相關(guān)性。因此，必須通過臺車試驗進行安全帶性能的檢驗和選配。
3.2 碰撞安全性改進設(shè)計
碰撞安全性改進設(shè)計是模擬計算與實車碰撞試驗相結(jié)合的過程。兩種手段配合使用可保證在較短的時間內(nèi)完成汽車碰撞安全性的改進設(shè)計工作，節(jié)省試驗經(jīng)費，提高汽車被動安全性研究工作的效率。
通過模擬計算為試驗測試提供參考和方向，在計算機上方便、快捷地進行多方案的分析比較，效率高、成本低。由于風(fēng)景海獅車架變形情況對碰撞安全性起著決定性的影響，在進行碰撞模擬時，采用了車架的CAD 和CAE 模型來進行計算和分析（圖2、圖3）。同時，使用IBM 公司提供的并行計算機群系統(tǒng)和ANSYS公司提供的LS－DYNA960 并行計算軟件，大大提高了計算效率，確保樣車碰撞試驗、模擬計算和改進設(shè)計同步進行，取得了很好的效果。
圖2 風(fēng)景海獅改進前車架的模擬變形圖
圖3 風(fēng)景海獅改進后車架的模擬變形圖
實車碰撞試驗可有效地驗證改進設(shè)計方案的正確性和可行性。在大量模擬計算的基礎(chǔ)上擇優(yōu)選出改進設(shè)計方案，并通過實車碰撞試驗來驗證可行性。在兩輪的車架改進設(shè)計工作中一共進行了兩次實車碰撞試驗。隨后進行了7 次臺車試驗來對安全帶進行改進和選型。根據(jù)前兩輪車架改進設(shè)計和7 輪臺車試驗的結(jié)果，制定了最終的改進設(shè)計方案，并進行了第四次實車碰撞試驗來驗證方案的實際效果。實車碰撞試驗結(jié)果表明，改進后的車架在三叉點沒有翹曲，車身加速度降低約25%。由圖4 和圖5 可見，實車碰撞試驗與模擬計算所體現(xiàn)的改進前后車身加速度均相差25%左右，表明模擬計算結(jié)果可有效的應(yīng)用于改進設(shè)計指導(dǎo)工作。整個改進設(shè)計工作歷時4 個月，耗費資金520 萬左右，與國內(nèi)外同類改進設(shè)計工作相比，具有很高的效率，節(jié)約了大量的試驗經(jīng)費。
圖4 改進前后模擬計算的車身加速度
圖5 改進前后實際車身加速度
4 主要改進措施
針對風(fēng)景海獅車身結(jié)構(gòu)耐碰性和乘員安全性方面存在的問題，通過多次整車碰撞試驗和臺車碰撞試驗以及大量模擬計算，提出以下主要改進措施：
(1) 由于原車型碰撞后主梁三叉處翹曲20°導(dǎo)致轉(zhuǎn)向盤后移量過大而影響乘員空間，故對車架三叉處的局部進行加強處理。
(2) 同樣針對此問題，在前橫梁和保險杠之間加裝了雙層吸能結(jié)構(gòu)。
(3) 經(jīng)臺車試驗對安全帶進行選型并檢測，選用三點緊急鎖緊式安全帶，保證了乘客約束系統(tǒng)的安全性。
(4) 對于油箱焊縫開裂，燃油大量泄漏問題，我們更換了塑料油箱。
(5) 針對發(fā)動機掛點撕裂，導(dǎo)致發(fā)動機前移量過大的問題，給發(fā)動機加裝了較軟的限位裝置。
(6) 對于座椅頭枕飛出的問題，采取了更換豪華座椅，改進座椅頭枕鎖止機構(gòu)的措施。
(7) 對風(fēng)擋玻璃破碎的問題，采取了更換夾層玻璃并膠粘固定的措施。
(8) 對于座椅地板螺栓孔拉脫問題，采取了對地板進行局部加強的措施。
(9) 對于車架前端和三叉處焊點開裂問題，加強了對焊點質(zhì)量的控制。
5 生產(chǎn)一致性實施
通過國家安全法規(guī)要求的樣車改進措施在生產(chǎn)中落實，具體為車身主要承載結(jié)構(gòu)、車架縱梁的改進設(shè)計及模具開發(fā)、安全帶、坐椅、油箱等重要部件的換型，焊裝線工藝改進以及工藝控制等，通過生產(chǎn)一致性實施，保證批量生產(chǎn)的風(fēng)景海獅完全滿足國家碰撞安全法規(guī)的要求。
6 總結(jié)
經(jīng)過三輪 “樣車碰撞試驗? 理論分析提出改進方案? 模擬計算驗證? 臺車及零部件試驗驗證? 樣車碰撞試驗”的循環(huán)過程，我們在較短的時間內(nèi)提高了風(fēng)景海獅的碰撞安全性。通過車架主要承載結(jié)構(gòu)的改進設(shè)計和模具開發(fā)、緩沖吸能裝置設(shè)計與模具開發(fā)、安全帶換型、焊裝線工藝改進和控制，實施生產(chǎn)一致性，最終保證批量生產(chǎn)的車輛完全滿足國家碰撞法規(guī)的要求。
（轉(zhuǎn)載）
