以安全性为主要目标的重型货车驾驶室轻量化设计研究
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摘 要：在保证某重型货车驾驶室安全性的前提下，进行轻量化设计研究。首先建立驾驶室有限元模型，根据商用车ECE R29法规，对驾驶室进行顶压、前压、后压工况的仿真分析，得到驾驶室的应力分布和变形情况。在此基础上，基于上述3种工况进行灵敏度分析，确定可进行优化的驾驶室零件。再对优化后的驾驶室进行仿真分析，并对分析结果进行了试验验证。在减重22 kg的同时，整体上提升了驾驶室的安全性，达到了设计目标。通过探索重型货车驾驶室轻量化优化方法，为同类产品结构设计提供了参考。
关键词：驾驶室；安全性；轻量化
中图分类号：U463.85文献标文献标志码：A文献标DOI：10.3969/j.issn.2095-1469.2011.02.008
Lightweight Cab Design of Heavy Truck Based on Safety
Wan Xinming，Li Yang，Huang Yupeng，Cheng Kuo
(China Automotive Engineering Research Institute，Chongqing 400039，China)
Abstract：While ensuring the safety of heavy trucks, lightweight design was carried out. According to ECE R 29 regulations, a finite element model(FEM) of the cab was established. FEM simulated pressure on the front, top and rear part of the cab respectively, and then the stress distribution and deformation were obtained. On this basis, sensitivity analysis was carried out for those three working conditions, and the potential light weight parts were selected to optimize the design. Then optimization results were validated by the tests. The lightweight design reduces 22 kg weight of the cab while improving safety. The lightweight optimization method provides a reference for the design of similar products.
Key words：cab；safety；light weight
在我国汽车对石油的消耗量中，商用车消耗量占整个汽车消耗量的72%，而我国自主生产的商用车相对国外同类车型平均油耗高10%，已成为汽车工业可持续发展的瓶颈。汽车轻量化是汽车节能减排的重要途径之一[1]。国外的研究表明：汽车自质量每减少10%，油耗便降低6%～8%[2]。随着国家节能减排、绿色环保政策法规的逐步实施，治超限载的力度加大，以及来自成本的压力，商用车轻量化受到越来越多企业的重视，已成为众多商用车生产企业的主要研发重点之一。
重型货车是商用车的代表，其驾驶室的轻量化设计对减轻整车质量起到了重要作用[3]。本文以满足ECE R29安全法规为目标，确定了以有限元分析为基础，利用灵敏度分析确定优化零件，对优化截面部件厚度的轻量化改进方案[4-5]，最后进行了试验验证。
1 基础车型静力分析
1.1 驾驶室有限元模型建立
有限元模型包括驾驶室白车身有限元模型、支架系统有限元模型、车门有限元模型和内饰有限元模型。其中，驾驶室白车身有限元模型等均为薄壁结构，划分为4节点或3节点壳单元；前下横梁划分为梁单元；连接支座划分为8节点六面体单元、6节点五面体单元或4节点四面体单元。整个驾驶室模型分为10个分总成：前围、后围、顶盖、左侧围、右侧围、地板、车门、仪表板内饰和底架。分总成内部和各分总成之间使用的连接单元主要为CWELD单元还有RBE2和BEAM单元。模型单元数、节点数和焊点数分别为571045、592267、7279。表1为材料参数设置。
1.2 驾驶室有限元模型验证
模型验证包括质量和连接两部分。通过模型值与实际值对比，实车各总成质量与模型中的质量基本一致，满足工程建模的误差范围。
驾驶室的连接关系以焊点为主，底盘以螺栓为主。模型中，普通焊点采用梁单元来模拟，螺栓则采用刚性连接。部件之间的焊点个数以及位置均以企业的焊接图进行布置。
1.3 基础车型静力分析
ECE R29中有3项试验，分别是正面碰撞试验、车顶强度试验、后壁强度试验。分别验证驾驶室前部、顶部和后部的结构强度，每项试验都有严格的试验流程以及条件（具体见ECE R29法规）。
参照ECE R29的方法，设置顶压、后压、前压分析边界条件及载荷(图1)。底部约束前端转轴部分和后面支架下端，压力10 000 N通过RBE2单元作用于驾驶室上。
通过分析，得到在各个工况下的位移情况，表3为各工况加载点位移值。
2 轻量化改进方案分析
2.1 灵敏度分析
在上述顶压、后压、前压静力分析有限元模型基础上进行灵敏度分析，边界条件及载荷均不改变。设计变量设定为驾驶室白车身部件厚度，约束变量设定为加载点位移。以质量最小为目标函数[6]。根据分析结果，提取顶压、后压、前压各工况下的部件灵敏度系数曲线，如图3所示。
2.2 确定改进方案
从分析得到的灵敏度系数可以看出优化的重点应为地板、立柱和覆盖件。综合顶压、后压、前压各工况情况，本着减少灵敏度系数较大的部件厚度，适度增加灵敏度系数较小的部件厚度的原则修改部件厚度，拟定出修改方案。
轻量化方案中涉及厚度改变的部件如下：地板、驾驶室骨架等主要承载件厚度增加0.1～0.3 mm，面积大的钣金件如顶盖、后围板、侧围板和一些承载力较小部件的厚度减少0.1～0.3 mm不等，总质量减轻约22 kg。
2.3 改进方案的静力分析
由表4可知，改进方案相对于基础车型，其变形值均有了一定的下降，同时白车身的质量也有所减小，在提升安全性的同时实现了轻量化的目标。
2.4 改进方案动态安全分析
为进一步验证修改方案对驾驶室安全性能的影响，进行了驾驶室顶压、后压及摆锤前碰撞的动态安全性能分析，其计算结果如下：
（1）顶压对比分析
① 顶棚变形情况对比
图7是轻量化改进前后顶篷和地板距离变化曲线对比图。如图7所示，顶篷和地板之间的距离在0.06 s时趋于稳定，采用0.15 s时刻的驾驶员生存空间对其进行评判。可以看出，改进前后差别很小，说明轻量化改进方案对驾驶室在抵抗顶部压力的强度上没有明显的影响。
② 乘员生存空间判断
在驾驶室关键变形数据稳定后，利用乘员生存空间评判标准对驾驶室乘员生存空间进行评判，见表5。
从表5可知，在顶部静压仿真中，乘员生存空间尺寸值和碰撞前差别不大，能够保证乘员的生存空间。
（2）后压计算对比分析
图8是改进前后驾驶室后围（变形部分）和前围（未变形部件）之间距离变化曲线。从曲线可以看出，前后围之间的距离变化范围在10 mm内，即处于结构弹性范围内。同时改进前后变化趋势和范围大致相同，不会对驾驶室乘员生存空间构成威胁。
（3）摆锤碰撞对比分析
碰撞之后的假人生存空间尺寸见表6。
从表6的对比结果可以看出，实施轻量化方案之后假人的生存空间有小幅增加。
3 试验验证
按照ECE R29的要求，对改进后的驾驶室进行了顶压、后压、摆锤撞击试验。按照试验要求，驾驶室安装在车架上，车架纵梁安放在横跨车架全宽的枕木垫架上，纵向固定将链条或钢丝绳拴系在车架前端，横向固定用链条或钢丝绳对称地拴系在车架纵向中心线的两侧。
如图9所示，压板以缓慢的速度移动，分别向驾驶室施加向下、向前压力。碰撞试验结果与仿真结果一致，都证明了该驾驶室可以满足法规要求。由于驾驶室的变形较小，因此几乎没有影响到假人的生存空间。表7是顶压及后压试验结果。从表7可知，驾驶室加载位移远远小于法规允许值，驾驶室安全性较高。
图10是驾驶室撞击试验试验的结果与仿真结果的对比。由于门框等部件未显示的原因，仿真中假人头部上方的空间看似较大，实际与试验的空间基本相同。
经过实验值与模拟值的对比, 各种工况下的试验结果与仿真分析结果吻合较好，相对误差在10%左右。
考虑误差产生的原因，由于在建立仿真分析模型的过程中，对相关零部件及结构进行了简化，模型参数设置包括材料基本物理参数、材料力学特性、边界条件的简化等因素[7]，对模型精度产生了一定影响。同时考虑实车制造过程中的成型、加工等工艺造成实车状态与设计方案也存在一定的差别，所以误差是难以避免的。但是总体来看，仿真结果精度可以满足工程需要，为产品优化设计提供了支撑。
4 结论
（1）通过分析可知，基础车型驾驶室存在一定的轻量化空间。采用多种优化方法对驾驶室钣金件进行厚度优化，改进后的驾驶室质量减轻了22 kg。在质量减轻的前提下，驾驶室位移值有所降低，乘员的生存空间有较好的保障，整体优化效果明显。
（2）基于灵敏度分析基础上的轻量化设计方法对驾驶室结构设计具有指导和参考价值，避免了修改完善的盲目性，可节省大量的设计成本和试验费用,缩短设计时间。通过实车试验，验证了有限元分析的准确性。
（3）本文首先对基础车型进行分析，再进行灵敏度分析，综合判断需改进零部件的数量，继而进行优化分析，最后进行试验验证的优化方法流程对同类产品设计具有普适性，对于结构轻量化设计有较好的参考作用。
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