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滑脱块式转向管柱溃缩力分析方法研究

李季孟祥杰屈新田朱俊杰于贵齐徐文冰

（东风汽车公司技术中心，430058）

摘要：汽车管柱是汽车转向系统的重要部件，也是车辆碰撞时保护驾驶员的关键吸能部件。本文重点分析

滑脱块式转向管柱的性能和吸能机理，按照乘用车转向管柱轴向动态压溃试验的试验方法，利用HyperMesh

前处理软件建立滑脱块式转向结构的有限元模型，利用Abaqus/explicit求解器进行转向管柱动态压溃仿

真分析，计算输出压溃力与位移的关系曲线，并且与试验结果进行对比，对产品的改进和完善具有指导意

义。

关键词：转向管柱，溃缩力，滑脱块，仿真分析

1.前言

汽车转向系统连接转向盘和车轮，用来保持或改变汽车的行驶方向，是驾驶员操纵汽车

的基本媒介。同时，转向系还关系到汽车的舒适性、操纵性和安全性，是汽车中较关键的一

个子系统。根据交通部的统计资料和对汽车碰撞试验的研究，当汽车发生正面碰撞时，有

46%的驾驶员伤害都是由转向盘、转向管柱和转向器等转向机构造成的[1]。汽车被动安全研

究中，基于损伤机理的研究，如何提高碰撞中乘员的保护性能，研究人员开发出了安全气囊、

安全带、限力式安全带到预紧限力式安全带再到双级预紧式安全带[2-3]，而关于安全转向机

构却没有进行足够充分的研究。

随着计算机技术的迅速发展和数字制造技术水平的日益提高，应用CAE技术可以减少

大量的传统物理试验费用，从而缩短汽车研发周期，降低试验成本。本文重点研究某车型转

向管柱的动态压溃特性，将CAE技术应用于转向管柱的性能分析，减少了从原型到试验评

估中制造原型的步骤，为高精度设计提供依据。

本次分析采用AltairHyperWorks软件包和Abaqus/explicit求解器。HyperWorks集成了

HyperMesh、HyperView、HyperGraph等一批优秀的工程工具，可以与所有主流的商业CAD

系统和CAE求解器协同工作。Abaqus有两个主求解器模块：Abaqus/Standard和

Abaqus/explicit。Abaqus/Standard是一个通用分析模块，它可以求解领域广泛的线性和非线

性问题，包括静力、动力、热和电问题的相应；Abaqus/explicit则是用于特殊目的的分析模

块，它采用显式动力有限元列式，适用于冲击和爆炸的短暂、瞬态的动态分析事例，针对本

文的压溃动态分析，需采用此求解器。

2.理论基础介绍

目前有不同类型和结构的吸能式转向管柱，转向管柱与方向盘和转向器相连接，起到传

递扭矩、被动安全防撞吸能等作用，为了保证在碰撞压缩的最大设计位移或时间内对驾驶员

胸部产生较小的作用力，主要通过采取材料的弯曲变形、接触摩擦、折断、剪断等几种形式

的组合[4]。本文主要针对滑脱块式可溃缩转向柱研究，主要应用了如下专业术语和理论，下

面将详细介绍术语及理论。

2.1溃缩式转向柱

溃缩式转向管柱是一种安全装置，在车辆发生正面碰撞时，驾驶员往往会因为强大的惯

性力作用而向前冲击，人体的胸部会和方向盘发生碰撞，为了使驾驶员胸部所承受的冲击力

有所缓解，一般将转向柱设计成具有二到三段溃缩机构的形式。转向柱的溃缩机构设计时，

通过对动态溃缩力曲线进行合理地控制以保障其正碰时溃缩力满足相关法规要求。

2.2滑脱块

滑脱块形式转向管柱如图1所示，支架B通过四个螺栓固定在仪表板横梁上，调节支架

D通过螺栓与支架相连接。固定座C与上管柱A通过缝焊连接在一起，固定座C和调节支架

D之间通过调节手柄压紧压紧相连。当转向管柱受到冲击时，溃缩机构的溃缩分两个阶段。

第一阶段为克服调节支架D与固定座C之间的摩擦，第二阶段为克服调节支架D与固定支架

B之间的摩擦，当冲击力大于摩擦力时，固定座C、调节支架D和上管柱A整体就会沿着支

架B的卡槽E滑脱，起到保护驾驶员的作用。

图1滑脱块形式

2.3溃缩力

车辆发生正面碰撞时，使转向管柱溃缩折叠的力即为溃缩力。

3.滑脱块式转向管柱模型建立及加载条件说明

转向管柱的碰撞溃缩过程是较复杂的变形过程，属于瞬态动态变化过程，故采用

Abaqus/explicit求解器进行分析计算，前处理采用Hypermesh，后处理软件采用

HyperGraph和Hyperview。

3.1滑脱块式转向管柱有限元模型创建

1、建模要点

在保证转向管柱仿真精度的前提下，应适当简化该套筒式转向系统的仿真模型，突出研

究重点。抓住模拟计算研究的关键问题，忽略在模拟中不起关键作用或基本不起作用的零部

件和结构。

滑脱块式转向管柱的溃缩力提取仿真涉及到复杂的接触问题，对网格的质量要求比较严

格。一般滑脱块结构较为规则