汽车天窗碰撞安全性分析和优化

蒋振宇，周志刚

（伟巴斯特车顶系统中国有限公司研发中心，上海 201108）

汽车天窗碰撞安全性分析和优化

蒋振宇，周志刚

（伟巴斯特车顶系统中国有限公司研发中心，上海 201108）

文章在国内外首次系统的阐述了汽车安全法规和标准对天窗的要求，并以某一款汽车天窗为研究对象，进行了碰撞CAE分析，同时也进行了实际碰撞测试，通过比较CAE和实际测试结果，说明了碰撞CAE模型是正确的、有效的。为了进一步提高天窗的碰撞安全性，经过三轮优化和分析得到了新的机械组滑块方案，根据优化前后的CAE结果和简化准静态拉伸试验结果，新的机械组滑块断裂力比原始结构明显提高了很多，此优化方案已经应用到产品中，并已经大批量生产。

汽车天窗；低速和高速碰撞；优化；计算机辅助工程

1、汽车高速和低速碰撞

1.1 高速碰撞

高速碰撞是引起人员死亡的主要事故类型。各国都制定了高速碰撞的强制法规，正面碰撞试验法规有美国的FMVSS 208和欧洲的ECE 94，侧面碰撞的法规有美国的FMVSS 214和欧洲的 ECR R95。而国内的相应强制性标准分别为 GB 1151-2003《乘用车正面碰撞的乘员保护》和 GB20071-2006《汽车侧面碰撞的乘员保护》[2]。

除了这些国家颁布的强制性汽车安全法规外，各国也出台了新车安全水平等级评价规程NCAP，如EuroNCAP（欧洲新车评价规程）、IIHS(美国公路安全保险协会）、US-NCAP(美国新车评价规程) 、C-NCAP等。

这些法规主要是基于对乘员的保护，没有对天窗在高速碰撞中的表现有具体规定。

1.2 低速碰撞

低速碰撞一般指车速低于15Km/h时的汽车碰撞，这也是城市交通中最常见的交通事故。为了提高汽车低速碰撞的安全性能和减少汽车维修费用，各国都制定了低速碰撞的国家法规和保险业的行业法规。低速碰撞法规和试验要求有欧洲法规（ECE-R42），美国联邦法规（FMVSS PART 581），高速公路安全保险协会（IIHS），德国安联保险公司技术中心（AZT Crash Reparatur Test）和 汽车修理研究协会的RCAR (Research Council for Automobile Repairs)，我国参照欧洲的ECE-R42法规要求，也颁布了低速碰撞的标准 GB I7354-1998[3]。

这些低速碰撞标准都规定了：汽车在完成低速碰撞试验后，除了前保险杠和直接将保险杠安装到车架上的安装件和紧固件外，其他表面无脱落、无变形；其它部件都能正常开启和工作。因此，天窗经过低速碰撞测试后，也必须能够正常开启和工作。

2、某款轿车天窗碰撞CAE分析

伟巴斯特（Webasto）规定天窗在低速碰撞的时候，不能有任何零件发生断裂，并且能够进行正常开启和关闭；在高速碰撞的时候，天窗不能从汽车上飞出。

对于碰撞仿真模拟，须采用显式算法进行求解，它的稳定性存在一定条件，即时间步长受到数值积分稳定性的限制，不能超过系统的临界时间步长。对于壳单元，临界时间步长△tmax表示如下：

其中：Le为单元的最小长度，Cd是材料波速，ρ为密度，E为弹性模量，μ为泊松比，从公式（1）和（2）可以看出：材料刚度越大，波速越高，结果临界时间步长就越小；密度越高，波速越低，结果是时间步长就越大。为了减少计算时间，可以使用质量缩放技术，即增大材料的密度，增加临界时间步长，从而减少计算时间[4]。不过需要注意增加的质量不能超过总质量的 5%，不然计算出的结果不准确。机械组是天窗关键零部件，其尺寸比较小，如果采用全局尺寸单元来划分机械组，有些重要的特征就没有办法准确表达，因此必须采用比较小的单元尺寸，这样就会降低整个模型的稳定极限时间，计算时间就会变长。为了加快计算速度，可以适当质量释放，但是需要监控质量的增加。

为了验证CAE分析的可靠性和准确性，选取了伟巴斯特（Webasto）某款天窗为研究对象，通过CAE分析，这款天窗是能够通过低速碰撞。在高速碰撞0.018s时候机械组滑块承受的力达到最大值852.1N如图1所示，在0.04s时机械组与滑块几乎完全发生脱离如图2所示，滑块断开后，机械组在导轨里继续向前滑动，当滑动到天窗最前面的时候就会被车顶挡住，天窗不会飞出，因此此天窗的设计是合格的。

图1 在碰撞过程中机械组滑块承受的力

图2 在高速碰撞0.04s时机械组状态

3、某款天窗的碰撞物理试验

为了验证天窗碰撞CAE分析的有效性，同时也进行了天窗实际碰撞试验如图3所示，测试结果是：在低速碰撞过程中，天窗没有发生任何零件断裂，且能够正常工作;在高速碰撞过程中，滑块发生断裂见图4所示，但是天窗没有飞出，因此这款天窗能够满足高速和低速碰撞试验要求。

图3 某天窗碰撞试验

图4 在高速碰撞时滑块断裂

通过比较CAE和实际碰撞结果，两者的吻合度还是比较高的，说明CAE模型是准确、有效的。

4、天窗优化分析

从碰撞CAE分析和实际物理测试结果来看，这款天窗已经通过国家的法规和公司的规定，但是伟巴斯特（Webasto）作为天窗的领导者，始终坚持高标准、严要求：希望天窗在高速碰撞的时候，机械组滑块不能够断裂。对于这种零件局部优化，有经验的CAE工程师不需要基于修改的CAD模型修改CAE模型，可以直接修改CAE模型，经过我的三轮优化和CAE分析，新的机械组滑块（如图6所示）能在高速碰撞的时候没有发生断裂如图7所示，其滑块的断裂力达到了2374.1N如图8所示，比原始结构提高了1.8倍左右。

图5 原始设计

图6 优化设计方案

图8 新的机械组在最大驱动力的时候(0.022s)状态

5、优化前后机械组滑块静态拉升试验

原始设计已经满足了碰撞要求，所以新的结构再也没有进行实际碰撞试验。为了对比优化前后的结构性能，根据机械组滑块在碰撞试验中受力和约束情况，搭建了准静态拉升试验台架，分别测试了优化前后机械组滑块的断裂力，优化前是560N，优化后是2150N见图9。不管是CAE碰撞试验还是简化准静态拉升试验，优化效果还是比较明显的见表1。此结构已经应用到产品设计中，并已经大批量生产。

图9 机械组滑块准静态拉升试验

表1 优化前后机械组滑块断裂力的比较

6、结论

1）通过实际碰撞试验，证明了碰撞CAE分析的精度还是可以的，为以后运用仿真技术验证天窗碰撞安全性奠定了一定的基础。

2） 通过结构优化和分析，新的机械组滑块断裂力比原始结构提高了1.8倍，大大的提高了天窗的碰撞安全性。

3）在天窗详细阶段，引入CAE分析，可以有效的减少设计缺陷及提高产品的工艺可行性，能够减少试验次数，降低开发成本和缩短产品开发周期。

[1] 陈琦.立足市场之本开拓技术之新访伟巴斯特车顶系统中国区总裁兼CEO贺雷德[J]. 汽车与配件, 2015(6):26-29.

[2] 贺培培.轿车侧面碰撞中后排乘员的损伤防护研究[D].长沙:湖南大学, 2012.

[3] 孙晓强. 轿车前部低速碰撞的耐撞性研究[D]. 长沙:湖南大学, 2011.

[4] 王青春,范子杰.利用Ls-Dyna计算结构准静态压溃的改进方法[J].力学与实践, 2003, 25(3):20-23.

Vehicle Sunroof Crash Safety Analysis and Optimization

Jiang Zhenyu, Zhou Zhigang
( Webasto Roof China Co., Ltd., Research Center, Shanghai 201108 )

In the world, this is the first time to systematic introduce safety regulation and standard for sunroof. Select some sunroof as objects of research, make vehicle sunroof crash CAE analysis，meanwhile finish actual crash test. Through comparison between CAE and actual crash test result, the correlation is good. In order to improve the sunroof crashworthiness, a new mechanism cable is got by my three rounds optimization, based on CAE result and actual static tensile test, the fracture force of the new structure is much higher than that of the original structure. This design has been applied to mass production.

vehicle sunroof; low and high speed crash; optimization; CAE

A

1671-7988 (2017)06-69-03

引言

蒋振宇（1977—），男，江苏东台人，硕士，高级工程师，就职于伟巴斯特车顶系统中国有限公司。研究方向为结构耐久，安全和NVH分析与优化等。

U467.3

A

1671-7988 (2017)06-69-03

近年来中国汽车工业迅速发展，中国已成为世界上最大的汽车生产国和消费国，天窗版汽车成为多数购车者的首选，主要因为天窗能够有效地使车内空气流通，增加新鲜空气的进入，为车主带来健康、舒适的享受。同时汽车车窗也可以开阔视野，也常用于移动摄影摄像的拍摄需求，但是随着汽车天窗尺寸越来越大，消费者越来越重视汽车天窗的碰撞安全性。伟巴斯特（Webasto）作为汽车天窗行业的领导者，始终秉持安全、创新、节能等原则[1]，对于天窗的碰撞安全，伟巴斯特（Webasto）制定了高于国家安全法规的企业碰撞要求。下面将介绍伟巴斯特（Webasto）中国在2013年完成的某款轿车天窗碰撞CAE和实际碰撞试验，在介绍具体案例之前，先简单的介绍整车碰撞安全法规，汽车碰撞通常分为高速和低速碰撞。

10.16638/j.cnki.1671-7988.2017.06.022

CLC NO.:U467.3