汽車側(cè)面碰撞過(guò)程的仿真

1、汽車側(cè)面碰撞過(guò)程的仿真作者：史廣奎朱西產(chǎn)馮琦程勇陳曉東游國(guó)忠摘要：結(jié)合國(guó)內(nèi)首次汽車側(cè)面碰撞試驗(yàn)，建立了包括移動(dòng)壁障、假人和轎車在內(nèi)的汽車側(cè)面碰撞模型。通過(guò)仿真準(zhǔn)確地再現(xiàn)出復(fù)雜的實(shí)車側(cè)面碰撞過(guò)程。關(guān)鍵詞：側(cè)面碰撞模型仿真1前言大量的交通事故是汽車發(fā)生側(cè)面碰撞。以2000年我國(guó)發(fā)生的交通事故為例，正面碰撞事故占20.8%，而側(cè)面碰撞事故占34.4%1。從傷亡情況看，正面碰撞造成的傷亡人數(shù)占26.9%，而側(cè)面碰撞占32.3%?？梢娧芯科噦?cè)面碰撞對(duì)改善交通安全至關(guān)重要。歐美從20世紀(jì)80年代初就開始重視對(duì)汽車側(cè)面碰撞的研究。美國(guó)于1990年頒布并執(zhí)行了汽車側(cè)面碰撞保護(hù)法規(guī)FMVSS214；歐洲在19

2、95年也制定了相應(yīng)的法規(guī)ECER95,并于1998年強(qiáng)制執(zhí)行。我國(guó)目前還沒(méi)有頒布汽車側(cè)面碰撞的強(qiáng)制性法規(guī)。2002年5月30日,在國(guó)內(nèi)完成了第一輛轎車的側(cè)面碰撞試驗(yàn)。單靠試驗(yàn)來(lái)解決汽車側(cè)面碰撞問(wèn)題是不現(xiàn)實(shí)的,迫切需要將計(jì)算機(jī)仿真技術(shù)與汽車側(cè)面碰撞試驗(yàn)結(jié)合起來(lái)。這樣,可以利用仿真數(shù)據(jù)全、針對(duì)性強(qiáng)的特點(diǎn)對(duì)試驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行剖析,也可利用周期短、成本低的優(yōu)勢(shì)對(duì)產(chǎn)品改進(jìn)方案進(jìn)行評(píng)估。試驗(yàn)方案用移動(dòng)壁障模擬撞擊車，它由臺(tái)車和吸能塊組成，總質(zhì)量為956kg，質(zhì)心距地503mm。吸能塊采用ECER95規(guī)定的標(biāo)準(zhǔn)吸能塊,其前端面分成6個(gè)區(qū)域,處于下部的1、2、3區(qū)比上部的4、5、6區(qū)向前突出60mm，旨在模擬保險(xiǎn)杠

3、（圖1）。被撞車為一輛國(guó)產(chǎn)轎車,橫置在移動(dòng)壁障的跑道上。駕駛員為EuroSID-l型標(biāo)準(zhǔn)假人，其H點(diǎn)處在跑道中心線正上方。牽引絞盤通過(guò)鋼絲繩帶動(dòng)移動(dòng)壁障以501km/h的速度行駛，在距轎車2m處鋼絲繩和移動(dòng)壁障突然脫開，讓移動(dòng)壁障和轎車左側(cè)面發(fā)生碰撞。用高速攝像、電測(cè)量和光測(cè)量三種方式同時(shí)采集汽車、假人和移動(dòng)壁障各部位的加速度和變形量。汽車側(cè)面碰撞模型3.1移動(dòng)壁障建立的移動(dòng)壁障模型有6661個(gè)單元，7837個(gè)節(jié)點(diǎn)。吸能塊主體采用體單元和蜂窩鋁材料，內(nèi)部的襯板采用板單元和分段線形塑性材料，臺(tái)車部分為剛體。保證吸能塊的變形特性和耗散能量特性是移動(dòng)壁障建模的技術(shù)關(guān)鍵，需要對(duì)吸能塊的單元特性反復(fù)進(jìn)行

4、調(diào)整，通過(guò)仿真驗(yàn)證確定最終的模型。驗(yàn)證方法是令移動(dòng)壁障在光滑路面上以35km/h的速度與剛性測(cè)力墻碰撞，要求吸能塊的最大變形量為（33020）mm,耗散能一變形曲線、整體和16區(qū)的力一變形曲線應(yīng)在一定的界限范圍內(nèi)2。驗(yàn)證結(jié)果如圖2所示，各項(xiàng)指標(biāo)都滿足了上述要求。4L醫(yī)料琵能15IEZEH.gkN?.5RECEE95I卜匪4L醫(yī)料琵能15IEZEH.gkN?.5RECEE95I卜匪316kNMm圖2吸能塊的變形特性3.2假人假人模型是在VPG（虛擬試驗(yàn)場(chǎng)）/Safety模塊中提供的EuroSID-l假人樣本模型的基礎(chǔ)上建立的。原模型頭部、頸部、胸部和左右腿的質(zhì)量低于標(biāo)準(zhǔn)假人23。補(bǔ)足質(zhì)量后，對(duì)頭

5、部、肩部、胸部、腹部和骨盆的響應(yīng)特性進(jìn)行了仿真標(biāo)定。頭部：對(duì)稱面與水平面成35o,下方200mm處設(shè)一剛性墻。對(duì)頭部所有節(jié)點(diǎn)施以重力加速度，使之與剛性墻碰撞，要求頭部質(zhì)心的合成加速度的峰值在100150g之間2。標(biāo)定結(jié)果為131g。肩部：假人坐在剛性平面上，胸部豎直，上臂向前與豎直方向成40，兩腿水平伸直。做一直徑為152mm、質(zhì)量為23.5kg的柱形擺錘模型。擺錘以4.3m/s的速度撞擊肩軸，要求擺錘的加速度峰值在7.510.5g之間。標(biāo)定結(jié)果為10.1g。胸部：將肋骨組件固定在剛性支架上。做一直徑為150mm,質(zhì)量為7.8kg的柱形落錘模型。落錘以1.0、2.0、3.0、4.0m/s的速度

6、撞擊肋骨側(cè)面，要求肋骨的位移分別在1014、23.527.5、3640、4651mm之間。標(biāo)定結(jié)果為：12.0、25.1、39.2、49.5mm。腹部：假人坐在剛性平面上，胸部豎直，上臂和兩腿向前水平伸直。做一質(zhì)量為23.5kg的沖擊錘模型（沖擊面為150mmx70mm的矩形）。沖擊錘以6.3m/s的速度撞擊腹側(cè)，要求沖擊錘受力峰值在9.511.1kN之間，且發(fā)生在撞擊后9.811.4ms；腹部合力的峰值在5.97.9kN之間。標(biāo)定結(jié)果：沖擊錘受力峰值為10.2kN,發(fā)生在10ms；腹部合力的峰值為6.1kN。骨盆：假人坐姿與腹部標(biāo)定時(shí)相同。用直徑為152mm，質(zhì)量為23.5kg的柱形擺錘以4

7、.3m/s的速度撞擊H點(diǎn),要求擺錘受力峰值在4.45.4kN之間，且發(fā)生在撞擊后10.315.5ms；恥骨合力峰值在1.041.64kN之間，且發(fā)生在9.915.9ms。標(biāo)定結(jié)果：擺錘受力峰值為4.8kN,發(fā)生在14ms；恥骨合力峰值為1.48kN，發(fā)生在12ms。3.3汽車汽車結(jié)構(gòu)復(fù)雜，綜合考慮計(jì)算時(shí)間和計(jì)算精度，對(duì)整車各部位采用了疏密程度不同的單元：位于車身左側(cè)、前圍最前點(diǎn)和C柱下部之間的區(qū)域?yàn)橹髯冃螀^(qū)，單元邊長(zhǎng)為1020mm,主要部件包括左側(cè)的車門、門柱、門檻、門橫梁、地板、座椅、頂蓋、頂蓋橫梁、儀表板前輪罩等；與主變形區(qū)對(duì)稱的右側(cè)區(qū)域?yàn)榇巫冃螀^(qū)，單元邊長(zhǎng)為2040mm；對(duì)于前后非撞擊區(qū)

8、，單元邊長(zhǎng)大多在50mm以上。四邊形單元的最大邊長(zhǎng)與最小邊長(zhǎng)之比不超過(guò)4:1三角形單元不超過(guò)2:1；四邊形單元各內(nèi)角在4501200范圍內(nèi)，三角形單元的最小內(nèi)角不小于250；四邊形單元的翹曲度在10以下。圖3為整車模型，共有173529個(gè)單元，173651個(gè)節(jié)點(diǎn)，5200個(gè)焊點(diǎn)。其中，車身骨架、車門、座椅骨架、副車架、發(fā)動(dòng)機(jī)罩、行李倉(cāng)蓋采用可變形的板單元，懸架和輪胎利用VPG模型庫(kù)中提供的模型進(jìn)行參數(shù)定義，動(dòng)力總成簡(jiǎn)化為剛體，其余對(duì)側(cè)面碰撞影響不大的部件由質(zhì)量點(diǎn)代替。模型總質(zhì)量為1050kg,質(zhì)心距地581mm,距前軸1026mm,與實(shí)車情況一致。圖3整車模型圖3整車模型圖4為左側(cè)前后車門模型

9、。左側(cè)車門是側(cè)面碰撞模型中的關(guān)鍵部件，單元邊長(zhǎng)大多在15mm以下，局部最小單元邊長(zhǎng)為6mm。焊點(diǎn)位置參照了實(shí)際車門焊接位置布置。左前門有14797個(gè)單元，14957個(gè)節(jié)點(diǎn)和495個(gè)焊點(diǎn)。左后門有11910個(gè)單元，11213個(gè)節(jié)點(diǎn)和390個(gè)焊點(diǎn)。顧及到門鉸合頁(yè)為鍛件，其剛度遠(yuǎn)高于與之連接的車門和門柱的局部剛度，使用了剛性的板單元來(lái)代替實(shí)體單元，鉸鏈銷采用柱鉸單元；對(duì)門鎖的鎖止作用采用彈簧單元來(lái)模擬，為了模擬到門鎖可能發(fā)生的脫離現(xiàn)象，定義了彈簧單元失效時(shí)的各方向變形量。Ji2S,i0；11皿0門外駛交總Ji2S,i0；11皿0門外駛交總M為計(jì)K和測(cè)疋圖4左側(cè)前后車門模型仿真與試驗(yàn)結(jié)果比較按以下步驟

10、完成仿真：讀入模型T選擇碰撞法規(guī)T定義移動(dòng)壁障位置和速度T定義假人位置、坐姿和安全帶的約束T建立碰撞中的接觸T定義控制卡片T定義仿真結(jié)果輸出T提交分析任務(wù)。車門變形量的仿真結(jié)果與試驗(yàn)數(shù)據(jù)的比較見表1。計(jì)算和測(cè)量的部位同為圖4標(biāo)出的車門外板位置。從表1可以看出仿真結(jié)果準(zhǔn)確再現(xiàn)出如下信息：車門最大變形（直接關(guān)系到對(duì)人體的傷害程度）發(fā)生在前門的第3點(diǎn)，與試驗(yàn)結(jié)果一致；計(jì)算的最大變形量為342mm，僅與試驗(yàn)結(jié)果相差23mm（約6%）；車門的變形輪廓為前門第1517部位和后門第2124部位發(fā)生翹曲，其它部位侵入乘員室內(nèi)，這也與試驗(yàn)情況相符；仿真的平均誤差（以32點(diǎn)總變形量的誤差計(jì)）為18.8%。誤差主要

11、在后門的下部，在所測(cè)的32點(diǎn)中以第6點(diǎn)的偏差為最大，與試驗(yàn)結(jié)果差了93mm（約41%）。表1車門孌形量的比較皿）3116實(shí)斛直1頑ion17231311IS斗咅313-5542.1?45710斗3J23232Qc225311瓏21-54-12S22531S22712114023-1E倔22024*310350252529102-543412S75111射02?l&l號(hào)12as2S11415713so*1291572001420S73017123515-It)-5312432S01點(diǎn)-47加速度響應(yīng)的的仿真結(jié)果與試驗(yàn)曲線的比較見圖5。計(jì)算和測(cè)量的加速度同為汽車駕駛員座椅支座的側(cè)向加速度、移動(dòng)壁障

12、質(zhì)心的縱向加速度和假人頭部的合成加速度。從圖5可以看出：座椅支座加速度在21、29、43ms處的三個(gè)主要峰值均仿真出來(lái)，這三個(gè)峰值的仿真誤差分別為5%、11%和23%；移動(dòng)壁障加速度峰值的試驗(yàn)結(jié)果是-15.5g,發(fā)生在碰撞后42ms,仿真結(jié)果也是-15.5g,發(fā)生在44ms；假人頭部加速度峰值的試驗(yàn)結(jié)果是80g,發(fā)生在碰撞后60ms,仿真結(jié)果是74g,也發(fā)生在60ms。在加速度的仿真結(jié)果中,以移動(dòng)壁障的仿真精度為最高，原因是其結(jié)構(gòu)相對(duì)簡(jiǎn)單，并預(yù)先進(jìn)行了性能驗(yàn)證；假人的仿真精度低于汽車的仿真精度,原因在于假人的響應(yīng)主要來(lái)自更為復(fù)雜的車內(nèi)二次碰撞,其誤差是車身響應(yīng)誤差和假人模型自身誤差的積累。50

13、口圖5加速度響應(yīng)的比較前門改進(jìn)意見該轎車的試驗(yàn)結(jié)果中，各項(xiàng)安全指標(biāo)都達(dá)到了ECER95的要求。但測(cè)得的假人恥骨合力的最大值為5.5kN,已接近ECER95所允許的上限（6kN）。究其原因，發(fā)現(xiàn)前門最大變形部位正處于假人H點(diǎn)附近，對(duì)人體盆骨構(gòu)成了較大的傷害威脅。通過(guò)仿真，對(duì)前門的改進(jìn)提出了如下見解：防撞桿的板厚由2.5mm改為3mm；窗臺(tái)加強(qiáng)板的板厚由1.2mm改為1.5mm；門檻加強(qiáng)梁的板厚由0.6mm改為1mm。改進(jìn)前、后假人恥骨合力的仿真結(jié)果及原車試驗(yàn)曲線一同繪入圖6。仿真結(jié)果表明，改進(jìn)后假人恥骨合力可降低17%。圖6假人恥骨合力6結(jié)論建立了包括移動(dòng)壁障、假人和轎車在內(nèi)的汽車側(cè)面碰撞模型。仿真和試驗(yàn)結(jié)果對(duì)比表明，該模型能夠準(zhǔn)確地再現(xiàn)實(shí)車側(cè)面碰撞過(guò)程，可用于對(duì)試驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行剖析和對(duì)產(chǎn)品改進(jìn)方案進(jìn)行評(píng)估。參考文獻(xiàn)1中華人民共和國(guó)道路交通事故統(tǒng)計(jì)資料匯編(2000).公安部交通管理局，20002ECERegulationNo.95.Un