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【摘 要】交通便利已经是现在人们日常生活中不可缺少的部分，汽车在人们的日常生活中地位也越来越高。仪表板头部碰撞是汽车内饰重要安全性能要求之一，乘用车仪表板开发过程中，都要满足国标《GB11552-2009乘用车内部凸出物》要求。本文就汽车仪表板头部碰撞改进方案展开探讨。
【关键词】仪表板；头部碰撞；问题分析；改进方案
引言
仪表板总成是汽车内饰中最重要的组成部分，是集安全性、功能性、舒适性与装饰性于一身的部件，设计上较好的仪表板能使驾驶员感到方便舒适，反之则可能影响驾驶员和乘员的安全，仪表板设计已成为汽车车身设计的一个重要组成部分。
1汽车仪表板的性能需求
仪表板因其特殊的空間位置，使得越来越多的操控功能集布于其中，成为汽车内部装饰件中的核心单元。汽车仪表板在整体优化设计过程中，应满足以下多个方面的使用性能。（1）足够的刚性强度。即能够有效支撑仪表板内部仪表、音响设备、管线管路、以及其它杂物的负荷，还应具备一定的耐冲击能力。（2）较好的结构稳定性。即在高温环境下不会变形和失效，为各类仪表功能单元提高稳定的结构空间。（3）选材的安全性。仪表板的原料均不得选含镉等危害人体身体健康和环境污染的材料。（4）满足安全法规的要求。仪表板总成除了满足功能性要求外，还要满足许多安全法规的要求，包括成员碰撞保护要求（头部碰撞，膝部碰撞），人机工程要求等。
2仪表板头部碰撞性能要求
仪表板需要满足GB11552内部凸出物的性能要求，对法规进行解读大体包含以下内容：（1）静态测量。主要是设计尺寸、突出部位高度以及倒角之类的要求，头碰区域内不能有棱边（推荐尖棱≥0.5mm），头碰区域外圆角曲率半径不小于3.2mm（推荐做到>3.5mm）；测试时378N的挤压力要保证按钮之类的突出物能溃缩到9.5mm内。（2）动态测量。碰撞区域加速度超过80g的持续时间不得超过3ms。（3）开裂要求。试验时，碰撞区内的仪表台面板不能发生开裂。
3计算方法分析
在汽车碰撞中，大变形问题需要耗费大量的计算机时，为避免大型联立方程组求解，提高计算速度，一般采用CAE瞬态显式算法进行计算和分析。虚功原理变分格式的能量平衡方程如（1）式：
在te时刻，变形体运动方程的半离散形式为（2）式：
式中：M，¨qN，PN，FN分别为凝聚质量矩阵、N时刻加速度矢量、总体载荷矢量、单元应力场的总体等效节点力矢量。单元采用单点积分算法，并在程序中增加对由于单点高斯积分四边形和六面体单元产生的沙漏模式（hourglassmode）控制，考虑到结构碰撞中的接触问题，在计算中引入接触力FC，则方程变为（3）式：
式中HN为结构沙漏粘性阻力矢量。时间积分通常采用显式中心差分法进行求解，具体如（4）式：
4仪表板的安装方式
装配作业中，因为内饰件装配有些工序难以让机械手操作，所以是耗费人工最长的地方，但如果采取模块化装配方式将这些零配件安装上仪表板装配模块套在驾驶舱内，那么总装生产线将会简化工序，缩短生产线，降低成本。
5某车型仪表板头部碰撞问题分析
5.1某车型头碰现状
静态测量：在仪表板3D数据中按照法规要求进行头碰区域划分，并对圆角和开关类进行测量检查。根据测量检测结果，可知静态分析满足法规要求。动态测量：分析模型包含：仪表板本体，管梁，装饰板，MP5主机，方向盘，车身前围板及A柱板等。车身进行全约束，划分各零件网格，根据实际结构定义厚度、材料信息，建立连接关系，然后根据经验对仪表板头碰区域内选取14个点作为CAE动态头碰分析点。对14个点进行加速度仿真分析，根据分析结果得出各点的加速度都满足法规要求。开裂要求：内饰面板塑料属于高分子材料，由于多分子性、多相性、以及加工成型过程中产生的微孔、杂质等特点，高分子材料的破坏是一个结合微观、细观、宏观的非常复杂的多层次过程。所以并没有确定相关高分子材料的失效准则，有限元仿真不能模拟材料断裂，只能根据工程经验判断是否断裂。设计初期，对此未进行评判。理论设计通过后就开始进行实车头碰试验验证，但在实车验证中出现头碰区域的装饰板开裂问题。
5.2影响因素排除
根据实车碰撞结果，查找头碰饰板开裂区域，主要集中在出风口周边区域。饰板开裂影响因素比较多，初步确定主要影响因素有（1）仪表板的结构；（2）装饰板结构（3）装饰板的制造工艺；（4）仪表板和管梁之间的连接支架；（5）仪表板和装饰板的材料。
5.3头部碰撞区的确定
头部碰撞区主要指驾驶员及副驾驶员的头部可碰区头部碰撞区的测量装置。头部碰撞测试的实际过程中一般不考虑车内空间，测试时只用仪表板单件进行测试，设计一个直径为165mm的球头模型，装于杆的一端，杆的另一端通过模拟的人体胯关节与底座铰接从胯关节到球头模型顶部的尺寸可在736～840mm之间连续调节。头部碰撞区的确定。根据GB11552要求，头部碰撞区是在静态条件下，用上述规定的测量装置（球头模型）所能触及的车厢内部所有未装玻璃的区域。
5.4整改方案分析
根据饰板开裂区域及饰板结构状态初步确定以下有利于满足头碰的方案：方案一：对饰板更换为材料特性更换的进口PC+ABS料；方案二：（1）对中间出风口及右侧出风口匹配的饰板周边增加加强筋；（2）对中间出风口及右侧出风口匹配的饰板翻遍加厚，饰板背部增加一条加强筋；（3）对12点附近增加加强筋。方案三：在出风口区域增加吸能块。
6汽车仪表板整体优化
（一）在你不易发现的地方降低成本。（1）集成零部件、减少生产工序。汽车生产过程中，通过提高内饰零部件功能的集成度，来减少工序，降低成本，汽车仪表盘也可以通过提高功能的集成度，降低生产成本。（2）使用更省成本的卡扣。相比普通的塑料熔焊方式，改用卡扣装配来代替，节省了焊接设备及加工的成本，自然就降低了汽车的生产成本。（二）看得见的地方给你错觉。（1）触感与视觉的差异。通常来说，汽车内饰中软质的皮面要比硬质的塑料表面更显高档，将车门内板的表面注塑出和蒙皮一样的纹理，视觉上很难分辨出有蒙皮和无蒙皮的部位，让人感觉整个车门内板都是软质蒙皮包覆的。（2）丰田的仿真缝线设计。为了模仿真皮缝线带来的豪华感，丰田使用了仿真缝线的设计，配合内饰部件上蚀刻的真皮纹理，让低价位的车型在视觉上也有一种豪华车的气息。这在旗下的威驰、卡罗拉、雷凌等车型上都有体现。（3）满足性能，减轻零件重量。仪表板总成除了要满足功能性要求，还要满足许多安全法规的要求，计算机辅助设计技术可以快速对仪表板总成的模态性能、刚度性能、头部碰撞性能指标进行评价，指导结构设计，从而降低开发成本。
结语
交通便利已经是现在人们日常生活中不可缺少的部分，汽车在人们的日常生活中地位也越来越高。汽车的安全性也越来越被人们所重视。汽车仪表板作为驾驶员和乘客直接接触到的内饰部件之一，在汽车行驶、紧急制动和发生碰撞时，仪表板内部凸出物会对乘员产生很大伤害，因此需要提高仪表板的安全性要求。
参考文献：
[1]曹渡.汽车内外饰设计与实战，北京：机械工业出版社，20151.1：203.
[2]GB11552-2009，乘用车内部凸出物[s].北京：中国标准出版社，2016.
（作者单位：吉利汽车研究院（宁波）有限公司）
【关键词】仪表板；头部碰撞；问题分析；改进方案
引言
仪表板总成是汽车内饰中最重要的组成部分，是集安全性、功能性、舒适性与装饰性于一身的部件，设计上较好的仪表板能使驾驶员感到方便舒适，反之则可能影响驾驶员和乘员的安全，仪表板设计已成为汽车车身设计的一个重要组成部分。
1汽车仪表板的性能需求
仪表板因其特殊的空間位置，使得越来越多的操控功能集布于其中，成为汽车内部装饰件中的核心单元。汽车仪表板在整体优化设计过程中，应满足以下多个方面的使用性能。（1）足够的刚性强度。即能够有效支撑仪表板内部仪表、音响设备、管线管路、以及其它杂物的负荷，还应具备一定的耐冲击能力。（2）较好的结构稳定性。即在高温环境下不会变形和失效，为各类仪表功能单元提高稳定的结构空间。（3）选材的安全性。仪表板的原料均不得选含镉等危害人体身体健康和环境污染的材料。（4）满足安全法规的要求。仪表板总成除了满足功能性要求外，还要满足许多安全法规的要求，包括成员碰撞保护要求（头部碰撞，膝部碰撞），人机工程要求等。
2仪表板头部碰撞性能要求
仪表板需要满足GB11552内部凸出物的性能要求，对法规进行解读大体包含以下内容：（1）静态测量。主要是设计尺寸、突出部位高度以及倒角之类的要求，头碰区域内不能有棱边（推荐尖棱≥0.5mm），头碰区域外圆角曲率半径不小于3.2mm（推荐做到>3.5mm）；测试时378N的挤压力要保证按钮之类的突出物能溃缩到9.5mm内。（2）动态测量。碰撞区域加速度超过80g的持续时间不得超过3ms。（3）开裂要求。试验时，碰撞区内的仪表台面板不能发生开裂。
3计算方法分析
在汽车碰撞中，大变形问题需要耗费大量的计算机时，为避免大型联立方程组求解，提高计算速度，一般采用CAE瞬态显式算法进行计算和分析。虚功原理变分格式的能量平衡方程如（1）式：
在te时刻，变形体运动方程的半离散形式为（2）式：
式中：M，¨qN，PN，FN分别为凝聚质量矩阵、N时刻加速度矢量、总体载荷矢量、单元应力场的总体等效节点力矢量。单元采用单点积分算法，并在程序中增加对由于单点高斯积分四边形和六面体单元产生的沙漏模式（hourglassmode）控制，考虑到结构碰撞中的接触问题，在计算中引入接触力FC，则方程变为（3）式：
式中HN为结构沙漏粘性阻力矢量。时间积分通常采用显式中心差分法进行求解，具体如（4）式：
4仪表板的安装方式
装配作业中，因为内饰件装配有些工序难以让机械手操作，所以是耗费人工最长的地方，但如果采取模块化装配方式将这些零配件安装上仪表板装配模块套在驾驶舱内，那么总装生产线将会简化工序，缩短生产线，降低成本。
5某车型仪表板头部碰撞问题分析
5.1某车型头碰现状
静态测量：在仪表板3D数据中按照法规要求进行头碰区域划分，并对圆角和开关类进行测量检查。根据测量检测结果，可知静态分析满足法规要求。动态测量：分析模型包含：仪表板本体，管梁，装饰板，MP5主机，方向盘，车身前围板及A柱板等。车身进行全约束，划分各零件网格，根据实际结构定义厚度、材料信息，建立连接关系，然后根据经验对仪表板头碰区域内选取14个点作为CAE动态头碰分析点。对14个点进行加速度仿真分析，根据分析结果得出各点的加速度都满足法规要求。开裂要求：内饰面板塑料属于高分子材料，由于多分子性、多相性、以及加工成型过程中产生的微孔、杂质等特点，高分子材料的破坏是一个结合微观、细观、宏观的非常复杂的多层次过程。所以并没有确定相关高分子材料的失效准则，有限元仿真不能模拟材料断裂，只能根据工程经验判断是否断裂。设计初期，对此未进行评判。理论设计通过后就开始进行实车头碰试验验证，但在实车验证中出现头碰区域的装饰板开裂问题。
5.2影响因素排除
根据实车碰撞结果，查找头碰饰板开裂区域，主要集中在出风口周边区域。饰板开裂影响因素比较多，初步确定主要影响因素有（1）仪表板的结构；（2）装饰板结构（3）装饰板的制造工艺；（4）仪表板和管梁之间的连接支架；（5）仪表板和装饰板的材料。
5.3头部碰撞区的确定
头部碰撞区主要指驾驶员及副驾驶员的头部可碰区头部碰撞区的测量装置。头部碰撞测试的实际过程中一般不考虑车内空间，测试时只用仪表板单件进行测试，设计一个直径为165mm的球头模型，装于杆的一端，杆的另一端通过模拟的人体胯关节与底座铰接从胯关节到球头模型顶部的尺寸可在736～840mm之间连续调节。头部碰撞区的确定。根据GB11552要求，头部碰撞区是在静态条件下，用上述规定的测量装置（球头模型）所能触及的车厢内部所有未装玻璃的区域。
5.4整改方案分析
根据饰板开裂区域及饰板结构状态初步确定以下有利于满足头碰的方案：方案一：对饰板更换为材料特性更换的进口PC+ABS料；方案二：（1）对中间出风口及右侧出风口匹配的饰板周边增加加强筋；（2）对中间出风口及右侧出风口匹配的饰板翻遍加厚，饰板背部增加一条加强筋；（3）对12点附近增加加强筋。方案三：在出风口区域增加吸能块。
6汽车仪表板整体优化
（一）在你不易发现的地方降低成本。（1）集成零部件、减少生产工序。汽车生产过程中，通过提高内饰零部件功能的集成度，来减少工序，降低成本，汽车仪表盘也可以通过提高功能的集成度，降低生产成本。（2）使用更省成本的卡扣。相比普通的塑料熔焊方式，改用卡扣装配来代替，节省了焊接设备及加工的成本，自然就降低了汽车的生产成本。（二）看得见的地方给你错觉。（1）触感与视觉的差异。通常来说，汽车内饰中软质的皮面要比硬质的塑料表面更显高档，将车门内板的表面注塑出和蒙皮一样的纹理，视觉上很难分辨出有蒙皮和无蒙皮的部位，让人感觉整个车门内板都是软质蒙皮包覆的。（2）丰田的仿真缝线设计。为了模仿真皮缝线带来的豪华感，丰田使用了仿真缝线的设计，配合内饰部件上蚀刻的真皮纹理，让低价位的车型在视觉上也有一种豪华车的气息。这在旗下的威驰、卡罗拉、雷凌等车型上都有体现。（3）满足性能，减轻零件重量。仪表板总成除了要满足功能性要求，还要满足许多安全法规的要求，计算机辅助设计技术可以快速对仪表板总成的模态性能、刚度性能、头部碰撞性能指标进行评价，指导结构设计，从而降低开发成本。
结语
交通便利已经是现在人们日常生活中不可缺少的部分，汽车在人们的日常生活中地位也越来越高。汽车的安全性也越来越被人们所重视。汽车仪表板作为驾驶员和乘客直接接触到的内饰部件之一，在汽车行驶、紧急制动和发生碰撞时，仪表板内部凸出物会对乘员产生很大伤害，因此需要提高仪表板的安全性要求。
参考文献：
[1]曹渡.汽车内外饰设计与实战，北京：机械工业出版社，20151.1：203.
[2]GB11552-2009，乘用车内部凸出物[s].北京：中国标准出版社，2016.
（作者单位：吉利汽车研究院（宁波）有限公司）