新型汽車(chē)碰撞吸能方法及其應(yīng)用

新型汽車(chē)碰撞吸能方法及其應(yīng)用

湖南大學(xué)曹立波主要內(nèi)容主被動(dòng)結(jié)合汽車(chē)碰撞吸能方法逐級(jí)汽車(chē)碰撞吸能方法研究意義國(guó)內(nèi)外正在研究的主動(dòng)安全技術(shù)主要是采取一些電子監(jiān)測(cè)系統(tǒng)，判斷事故發(fā)生的可能性。當(dāng)事故可能發(fā)生時(shí)，采取相應(yīng)的避讓措施來(lái)避免事故的發(fā)生。雖然相關(guān)研究已取得較大的進(jìn)步，但由于交通事故的突發(fā)特性，使得以預(yù)防事故發(fā)生為目的的主動(dòng)安全技術(shù)只能避免5％～15％的事故。因此，提高汽車(chē)被動(dòng)安全性或綜合利用汽車(chē)主動(dòng)安全技術(shù)與被動(dòng)安全技術(shù)來(lái)提高汽車(chē)的防撞性仍然是非常重要的。工作原理:采用與保險(xiǎn)桿連接在一起的金屬薄壁吸能梁作為主要吸能部件，當(dāng)由駕駛員控制或系統(tǒng)自動(dòng)判斷到碰撞事故不可避免時(shí),推動(dòng)裝置將吸能部件推出車(chē)前并將其限位,通過(guò)吸能梁的壓潰變形吸收碰撞能量。該吸能裝置解決了“為提高車(chē)輛碰撞吸能特性必須盡量增加變形吸能空間與車(chē)內(nèi)吸能空間受到限制”的矛盾，通過(guò)主動(dòng)向外增加變形吸能空間，達(dá)到提高車(chē)輛的碰撞安全性的目的。該裝置已經(jīng)獲得了國(guó)家發(fā)明專(zhuān)利ZL02139876.3。主被動(dòng)結(jié)合碰撞吸能方法可行性分析吸能特性的仿真研究采用多剛體與有限元耦合計(jì)算的方法，利用MADYMO軟件分別對(duì)裝備有該吸能裝置及未裝備該吸能裝置的汽車(chē)在正碰、側(cè)碰及與行人碰撞過(guò)程中的碰撞特性進(jìn)行了模擬對(duì)比分析。

正碰仿真

(50Km/h)動(dòng)態(tài)響應(yīng)過(guò)程對(duì)比未裝吸能裝置的正碰模型裝有吸能裝置的正碰模型碰撞加速度曲線(xiàn)對(duì)比結(jié)果比較：安裝有該裝置時(shí)車(chē)輛碰撞加速度峰值由414.4（m/s2）降到了315.4（m/s2）,降低了23.90%。吸能裝置的變形吸能長(zhǎng)度達(dá)到300多毫米，使車(chē)輛的吸能緩沖時(shí)間增加25ms左右，速度從13.33m/s降到10.61m/s，吸收了車(chē)輛碰撞動(dòng)能的36.65%。當(dāng)碰撞速度低于20km/h時(shí)，該吸能裝置可以吸收所有碰撞能量，從而使汽車(chē)其它車(chē)身結(jié)構(gòu)免受損失。

側(cè)碰仿真

模擬動(dòng)態(tài)響應(yīng)過(guò)程對(duì)比（碰撞速度：50km/h）對(duì)于側(cè)面碰撞而言，由于被撞汽車(chē)能夠用于緩沖和吸能的區(qū)間十分有限，現(xiàn)有的大多數(shù)汽車(chē)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)都難以提供較好的耐側(cè)撞性能，乘員在側(cè)面碰撞事故中更加容易遭受傷亡。以2005年我國(guó)發(fā)生的交通事故為例，正面碰撞造成的傷亡人數(shù)占26.9%，而側(cè)面碰撞占32.3%。由于該裝置能夠在撞擊車(chē)輛之間增加緩沖吸能的空間，通過(guò)吸能梁的變形吸能使被撞車(chē)輛受到的沖擊得到降低，從而可有效減輕乘員受到的傷亡。兩車(chē)的相對(duì)運(yùn)動(dòng)速度曲線(xiàn)對(duì)比安裝有該吸能裝置時(shí)兩車(chē)的相對(duì)運(yùn)動(dòng)速度曲線(xiàn)變化更加平緩，從碰撞開(kāi)始接觸到兩車(chē)開(kāi)始分離的碰撞過(guò)程，即從相同的初始相對(duì)速度14.17m/s運(yùn)動(dòng)到0m/s的時(shí)間由43ms增加到74ms，變形吸能的時(shí)間增加了31ms。假人損傷參數(shù)的比較假人骨盆橫向加速度胸腔脊柱下部(LowerSpine)橫向加速度胸腔脊柱上部(UpperSpine)橫向加速度加速度峰值（m/(s**2)）

骨盆橫向加速度

脊柱上部橫向加速度

脊柱下部橫向加速度

無(wú)吸能裝置2628.1819.41884.35有吸能裝置881.95579.94

913.4降低66%29%51%

行人碰撞仿真

動(dòng)態(tài)響應(yīng)過(guò)程對(duì)比（50百分位男性）分別對(duì)5百分位小個(gè)女性、50百分位男性及95百分位大個(gè)男性行人進(jìn)行了碰撞模擬分析和比較。由于大部分行人碰撞事故都發(fā)生在45km/h以下，所以仿真碰撞速度都取32km/h。行人頭部損傷比較50百分位男性5百分位小個(gè)女性95百分位高個(gè)男性不同行人50百分位男性5百分位女性95百分位男性損傷參數(shù)頭部加速度峰值HIC頭部加速度峰值HIC頭部加速度峰值HIC無(wú)該裝置12901259155114791103899有該裝置1055610974435485223仿真分析結(jié)論：該裝置通過(guò)吸能梁的變形吸能和安全氣囊的緩沖作用能夠?qū)?chē)輛乘員及行人在不同類(lèi)型的碰撞事故中起到明顯的安全保護(hù)作用。

第一代裝置臺(tái)車(chē)實(shí)驗(yàn)已初步開(kāi)發(fā)了兩代吸能裝置的機(jī)械部分及控制部分，對(duì)開(kāi)發(fā)的該吸能裝置分別進(jìn)行了臺(tái)車(chē)和實(shí)車(chē)安裝實(shí)驗(yàn)。

試驗(yàn)研究實(shí)驗(yàn)結(jié)論：臺(tái)車(chē)和實(shí)車(chē)安裝實(shí)驗(yàn)表明，該控制系統(tǒng)及吸能裝置能在汽車(chē)上正常運(yùn)行。但安裝不太方便,性能需改進(jìn).

第一代裝置實(shí)車(chē)安裝試驗(yàn)2007年開(kāi)始,在國(guó)家自然科學(xué)基金的支持下,與長(zhǎng)豐汽車(chē)制造股份有限公司開(kāi)始合作在獵豹飛騰汽車(chē)上進(jìn)行從新設(shè)計(jì)改裝.

第二代裝置實(shí)車(chē)安裝試驗(yàn)逐級(jí)碰撞吸能方法微型車(chē)在中國(guó)具有很大市場(chǎng)。其前部結(jié)構(gòu)與轎車(chē)存在明顯差異。從造型的角度看，其前部長(zhǎng)度不宜過(guò)長(zhǎng)。通常希望在盡量短的長(zhǎng)度內(nèi)達(dá)到碰撞安全性要求。微型車(chē)中，通常采用矩形薄壁縱梁作為吸能梁。然而，矩形梁在碰撞初期通常會(huì)產(chǎn)生一個(gè)加速度峰值。然后，隨著結(jié)構(gòu)屈服，碰撞加速度又會(huì)出現(xiàn)一個(gè)波谷。這個(gè)過(guò)程不能滿(mǎn)足均勻吸能的要求，特別是不利于在最短長(zhǎng)度內(nèi)達(dá)到吸能效果。為了在較短的長(zhǎng)度內(nèi)達(dá)到吸能效果，可以適當(dāng)增加壁厚。然而，增加壁厚會(huì)使結(jié)構(gòu)屈服更加困難，加速度峰值將更大。同時(shí)，增加前端壁厚可能使縱梁后段先屈服，產(chǎn)生不正常的變形模式?？v梁整體加強(qiáng)又會(huì)增加成本與重量。理想的方法是盡量減少波峰波谷變化，使碰撞加速度趨于均勻。為此，可以在吸能梁內(nèi)部適當(dāng)?shù)奈恢迷O(shè)置1～2塊加強(qiáng)板，使其在碰撞過(guò)程中的適當(dāng)時(shí)候參加吸能，達(dá)到逐級(jí)吸能的效果，有效地填充加速度波谷。該方法已申請(qǐng)發(fā)明專(zhuān)利。計(jì)算機(jī)仿真分析

1、模型建立首先利用矩形梁模型來(lái)研究逐級(jí)吸能效果模型驗(yàn)證矩形梁模型的驗(yàn)證臺(tái)車(chē)實(shí)驗(yàn)加速度曲線(xiàn)對(duì)比逐級(jí)吸能梁參數(shù)研究結(jié)果縱梁變形B-柱加速度曲線(xiàn)

較理想的方案乘員損傷分析損傷參數(shù)HIC36VCChestD原車(chē)型792.740.1594734.039改進(jìn)車(chē)型664.200.199535.866損傷參數(shù)N_M(Nm)FFCL(N)FFCR(N)原車(chē)型105.22697.12567.9改進(jìn)車(chē)型106.782662.52571.6從下表可以看出，HIC值有所減小，頸部彎矩、VC和ChestD有所增加，大腿力變化很小。所有損傷參數(shù)均在法規(guī)要求范圍內(nèi)。改進(jìn)方案的整車(chē)碰撞實(shí)驗(yàn)碰撞速度為48.6km/h。碰撞實(shí)