轎車側(cè)面柱碰撞結(jié)構(gòu)響應(yīng)與乘員損傷研究*

楊濟(jì)匡,覃禎員,王四文,顧國榮

(1.湖南大學(xué)汽車車身先進(jìn)設(shè)計制造國家重點實驗室,湖南 長沙 410082;2.查爾摩斯科技大學(xué)應(yīng)用力學(xué)系,瑞典; 3.國家客車質(zhì)量監(jiān)督檢驗中心,重慶 401122)

轎車側(cè)面柱碰撞結(jié)構(gòu)響應(yīng)與乘員損傷研究*

楊濟(jì)匡1,2?,覃禎員1,3,王四文1,顧國榮1

(1.湖南大學(xué)汽車車身先進(jìn)設(shè)計制造國家重點實驗室,湖南 長沙 410082;2.查爾摩斯科技大學(xué)應(yīng)用力學(xué)系,瑞典; 3.國家客車質(zhì)量監(jiān)督檢驗中心,重慶 401122)

基于側(cè)面柱碰撞對乘員傷害的嚴(yán)重性,應(yīng)用計算機(jī)仿真方法對轎車側(cè)面柱碰撞進(jìn)行研究.通過對車身側(cè)面結(jié)構(gòu)變形、加速度響應(yīng)和假人損傷參數(shù)等方面的分析,揭示了柱碰撞的特性,并據(jù)此提出了改進(jìn)門檻及地板橫梁強(qiáng)度的措施.結(jié)果表明:與側(cè)面壁障碰撞相比,轎車側(cè)面柱碰撞造成了對乘員更嚴(yán)重的損傷風(fēng)險,增大了車身側(cè)面結(jié)構(gòu)的侵入量.通過提高門檻梁、地板橫梁強(qiáng)度可以有效地提高車輛抗柱撞的車身結(jié)構(gòu)安全性.

結(jié)構(gòu)響應(yīng);側(cè)面柱碰撞;乘員安全;改進(jìn)措施

在各種汽車碰撞事故形態(tài)中,汽車側(cè)面碰撞事故導(dǎo)致乘員重傷和死亡率高達(dá)25%,是造成乘員重傷和死亡的主要事故類型,其中43%～55%是車對車碰撞事故造成的,另外12%～16%是由于車體側(cè)面撞擊到柱狀物而造成的[1].由于乘員與車門內(nèi)板之間僅存在20～30 cm的距離,一旦受到柱狀物碰撞,乘員將受到強(qiáng)烈貫入的沖擊載荷作用,乘員損傷級別一般在AIS3+及以上,人體損傷涉及到頭部、胸部、腹部、骨盆以及上下肢,其中頭部和胸部損傷幾率各高達(dá)33%,腹部或骨盆為16%[2].

汽車側(cè)面碰撞可以分為直接碰撞和間接碰撞2種形式,直接碰撞是指車與車之間的碰撞,而間接碰撞是指由于車輛的滑移、跑偏等引起的與障礙物的碰撞.隨著汽車碰撞試驗研究的深入,為盡可能多地分析不同事故類型對人體的傷害,碰撞試驗的形式也越來越多,側(cè)面柱碰撞試驗也隨之出現(xiàn).目前國際上現(xiàn)有的側(cè)面柱碰撞法規(guī)有:Euro NCAP(Pole Side Impact)[3],美國聯(lián)邦法規(guī)(FMVSS201)和美國聯(lián)邦法規(guī)(FMVSS214NPRM(oblique pole test))[4].這些試驗方法的不同之處主要體現(xiàn)在:車輛的碰撞形態(tài)、碰撞柱的尺寸﹑試驗中所用的假人﹑碰撞速度和角度、碰撞基準(zhǔn)點的位置和乘員傷害指標(biāo)等方面.現(xiàn)有的側(cè)面柱碰撞試驗并非作為強(qiáng)制性要求法規(guī),這使得設(shè)計者在車型設(shè)計階段很少考慮柱碰撞下的耐撞性,但是由于現(xiàn)實的側(cè)面柱碰撞事故對乘員造成嚴(yán)重的傷害,側(cè)面柱碰撞的研究也越來越受到關(guān)注.

在中國側(cè)面碰撞的研究比較晚,側(cè)面碰撞法規(guī)于2006年7月才開始實施,目前對側(cè)面碰撞的研究主要還是集中在車對車的碰撞(撞擊物為移動變形壁障),即側(cè)面壁障碰撞,而對車與柱狀物體發(fā)生側(cè)面碰撞的研究幾乎是空白.據(jù)相關(guān)數(shù)據(jù)統(tǒng)計[5],我國由于車與柱狀物發(fā)生側(cè)面碰撞事故而導(dǎo)致乘員死亡占了整個側(cè)面碰撞事故乘員死亡案例的38%.由于目前的蜂窩鋁壁障側(cè)面碰撞試驗不能反映來自車外柱狀物體碰撞的威脅,因此,開展側(cè)面柱碰撞研究具有重要意義.

1 側(cè)面柱碰撞仿真模型

仿真方法在碰撞問題的基礎(chǔ)研究中被廣泛應(yīng)用.側(cè)面柱碰撞乘員損傷分析將涉及到撞擊物、被撞車輛以及車內(nèi)乘員,因此側(cè)面柱碰撞仿真模型離不開撞擊物、車輛結(jié)構(gòu)和假人3部分.為了研究方便,本文將仿真分析分為2個部分:1)碰撞結(jié)構(gòu)響應(yīng)分析;2)結(jié)構(gòu)-假人碰撞分析.前者主要用于分析撞擊物、被撞車輛的結(jié)構(gòu)響應(yīng)特性,后者主要用于分析假人損傷.

采用的整車原型為美國National Crash Analysis Center建立的有限元模型,該模型進(jìn)行了正面碰撞仿真結(jié)果與實車碰撞試驗結(jié)果的對比驗證,其驗證結(jié)果證明了此模型的有效性、穩(wěn)定性和可靠性[6].另外,整車模型在側(cè)面碰撞的有效性也已經(jīng)在曹立波等[7]的研究中被驗證了.本文將用此模型作為基本模型,按照歐洲側(cè)面柱碰撞試驗法規(guī)要求[3],建立了側(cè)面柱碰撞有限元仿真模型,進(jìn)行柱碰撞的研究,其中仿真模型包含整車有限元模型和柱體模型2部分.在實際的車與柱狀物碰撞事故中,柱狀物一般變形很小,歐洲柱碰撞試驗法規(guī)中把柱狀物定義為剛性柱體,試驗時整車以側(cè)向速度29.5 km/h垂直撞擊位于其側(cè)面的固定剛性柱體,剛性柱體的直徑為254mm,其橫向垂直面通過駕駛員座椅上的假人頭部重心.在仿真碰撞中,碰撞邊界條件嚴(yán)格按照歐洲側(cè)面柱碰撞試驗法規(guī)要求定義,其中碰撞初始速度為29.5 km/h,計算時間設(shè)為200 m s.有限元模型如圖1所示.

圖1 側(cè)面柱碰撞有限元模型Fig.1 The FE modelo f po le side im pact

根據(jù)MADYMO子結(jié)構(gòu)模型設(shè)計中的預(yù)定結(jié)構(gòu)運動(PSM,Prescribed Structure Motion)方法耦合人-車模型[8],建立了假人損傷分析模型,如圖2所示.由于在側(cè)面碰撞中,安全帶的作用很小,因此這里不考慮安全帶的影響.該模型中包含多剛體假人模型和有限元模型2部分,其中假人模型采用了MADYMO假人數(shù)據(jù)庫中的ES-2多剛體假人,而有限元模型包含對假人損傷有影響的柱狀物和主要側(cè)撞結(jié)構(gòu)部件,主要包括:車身側(cè)面結(jié)構(gòu)、車門、內(nèi)飾及座椅等結(jié)構(gòu).這種簡化是與側(cè)撞特點相符合的,因為側(cè)撞時只有受撞一側(cè)部分的結(jié)構(gòu)發(fā)生變形,并且人體損傷也主要與這一部分結(jié)構(gòu)的變形特性有關(guān)[9].模型中的部件運動由節(jié)點位移來描述,包括車輛剛體運動和結(jié)構(gòu)的變形2方面,它們由整車碰撞仿真模擬結(jié)果中提取.由于在試驗中,車內(nèi)假人跟車輛是以相同的初始速度側(cè)向撞擊剛性柱體的,因此在損傷分析模型中假人的側(cè)向初始速度與整車的初始速度相同.

圖2 假人損傷分析模型Fig.2 The analysismodelo f dummy injury

2 仿真結(jié)果分析及評價

為了能夠清晰地了解側(cè)面柱碰撞的特性,本文在分析側(cè)面柱碰撞的車身側(cè)圍結(jié)構(gòu)變形、加速度響應(yīng)和假人損傷時,將仿真結(jié)果與側(cè)面壁障碰撞仿真結(jié)果作了對比,其中側(cè)面壁障碰撞參考了ECE-R95標(biāo)準(zhǔn).

2.1 結(jié)構(gòu)碰撞響應(yīng)

2.1.1 總體能量響應(yīng)特性

總體能量響應(yīng)特性可以用于評估車身結(jié)構(gòu)的耐撞性.側(cè)面柱碰撞系統(tǒng)能量-時間曲線如圖3所示.

圖3 系統(tǒng)能量-時間曲線Fig.3 System energy-time history

從圖3可以看出,柱碰撞仿真中系統(tǒng)能量的構(gòu)成趨于合理,總能量守恒,滑移界面能和沙漏能保持很小的正值,并且不超過總能量的5%,由此進(jìn)一步表明了建立的仿真模型是可靠和有效的.

在側(cè)面柱碰撞中,車體是唯一吸收碰撞能量的載體,由于在碰撞瞬間車體不僅產(chǎn)生側(cè)向平動,還會因碰撞接觸面相對于車體重心所產(chǎn)生的力矩而發(fā)生旋轉(zhuǎn)運動,其變形吸收的能量與旋轉(zhuǎn)能量成反比.此碰撞位置車體旋轉(zhuǎn)能量較小,系統(tǒng)的內(nèi)能和動能分別占總能量的86%和6.8%.而在側(cè)面壁障碰撞中,車輛和移動變形壁障共同吸收碰撞能量,碰撞結(jié)束后,系統(tǒng)內(nèi)能和動能分別占總能量的55.6%和41.6%,碰撞能量將近一半轉(zhuǎn)化為動能,減小了車身結(jié)構(gòu)的變形能.從能量的角度可以看出,側(cè)面柱碰撞對車身的耐撞性提出了更高的要求.

2.1.2 側(cè)圍結(jié)構(gòu)變形特性

圖4為側(cè)面碰撞過程中車身側(cè)圍結(jié)構(gòu)變形最大時刻的變形分布圖,圖5為碰撞結(jié)束后車身前后車門外板中部的變形曲線.

圖4 側(cè)面碰撞側(cè)圍結(jié)構(gòu)變形圖Fig.4 The disp lacement of vehicle side structure

圖5 車門外板中部的變形曲線Fig.5 Comparison of door deformation(Po le and MDB)

由圖4和圖5可知,在柱碰撞中,車身變形主要集中在與柱體直徑相當(dāng)?shù)莫M小區(qū)域,門檻梁、地板及地板橫梁發(fā)生了嚴(yán)重失穩(wěn)變形,不能有效地分散碰撞力和抵抗柱體沖進(jìn)乘員艙;由于門檻梁的嚴(yán)重變形,導(dǎo)致B柱和車門向車內(nèi)塌陷,整個側(cè)圍結(jié)構(gòu)形成V型侵入車內(nèi).而在側(cè)面壁障碰撞中,側(cè)圍結(jié)構(gòu)的變形主要集中在前后車門和B柱下部,門檻梁、地板及地板橫梁變形很小.上述分析表明:門檻梁、地板及地板橫梁的剛度對于車輛側(cè)面結(jié)構(gòu)抗柱撞的能力產(chǎn)生較大的影響.

在側(cè)面碰撞安全性的研究中,駕駛員的生存空間是首先要考慮的一個重要因素,本文采用前門內(nèi)板侵入量作為評價指標(biāo).仿真中前門內(nèi)板侵入量最大點的侵入量-時間曲線如圖6所示.從圖6可知,側(cè)面柱碰撞車門內(nèi)板發(fā)生變形的時間較側(cè)面壁障碰撞提前,在相同的碰撞時刻,柱碰撞的侵入量要大得多,其最大侵入量比側(cè)面壁障碰撞增加了63.3%.碰撞結(jié)束后,側(cè)面柱碰撞和側(cè)面壁障碰撞的車門或B柱內(nèi)板侵入車內(nèi)最大部位距離駕駛員座椅中心線的距離分別為182和61 mm.根據(jù)IIHS對車身的評價方法[10-11],碰撞結(jié)束后B柱內(nèi)板與座椅中心線的距離≥125 mm,車身B柱變形處于“優(yōu)”等級,距離為50～125 mm,處于“達(dá)標(biāo)”等級.由此可以說明,側(cè)面壁障碰撞車身具有良好的乘員生存空間,而該車型在側(cè)面柱碰撞中,車身變形處于“達(dá)標(biāo)”等級,對車內(nèi)乘員傷害造成嚴(yán)重的威脅.

圖6 車門內(nèi)板侵入量-時間曲線Fig.6 The intrusion-time history of inner door

2.1.3 加速度響應(yīng)分析

加速度曲線能綜合反映車輛在整個碰撞過程中受到的碰撞力的變化過程,同時便于了解碰撞過程中的一些內(nèi)部結(jié)構(gòu)對響應(yīng)的影響.若碰撞加速度響應(yīng)曲線波動趨勢較為平穩(wěn),則車身剛度分布比較合理,各梁系部件能夠有效地分散和傳遞碰撞力.圖7為2種側(cè)碰形態(tài)下車身非碰撞側(cè)B柱下端加速度-時間曲線.

圖7 B柱下端Y向加速度-時間曲線Fig.7 A cceleration-time history o f bottom B pillar-Y

由圖7可知,側(cè)面柱碰撞的加速度響應(yīng)曲線波動趨勢更大,加速度峰值出現(xiàn)的時間歷程更早,這表明車輛的側(cè)圍結(jié)構(gòu)剛度仍不能有效地抵抗柱體的沖擊,剛性柱體侵入車身的時間比側(cè)面壁障碰撞中蜂窩鋁侵入車身的時間更早.側(cè)面柱碰撞最大加速度峰值大于側(cè)面壁障碰撞的峰值,并且車身加速度的持續(xù)時間長很多.從能量角度來分析,車輛在撞擊過程中所吸收的能量更多,受到的破壞更大.

2.2 假人損傷參數(shù)分析

將側(cè)面柱碰撞仿真結(jié)果中的側(cè)圍結(jié)構(gòu)、座椅等部件的變形時間歷程輸入到圖2所示的模型中,并將碰撞側(cè)的駕駛員假人損傷結(jié)果與側(cè)面壁障碰撞結(jié)果進(jìn)行對比.

2.2.1 頭部傷害指數(shù)

頭部傷害指數(shù)H IC是評價碰撞對乘員頭部傷害的主要指標(biāo),其限值通常為1 000,H IC值越小,頭部傷害越小.在側(cè)面柱碰中假人頭部與車外的碰撞柱體相接觸,假人頭部H IC值為5 468,是法規(guī)限值的5倍多;而在側(cè)面壁障碰撞中假人頭部無接觸, H IC值很少會超出法規(guī)限值.這是由于車身側(cè)面結(jié)構(gòu)抗柱撞能力較差以及未安裝側(cè)面氣囊保護(hù)裝置,在側(cè)面柱碰撞中假人頭部與碰撞柱體直接發(fā)生接觸導(dǎo)致較大的H IC值.

2.2.2 胸部傷害指數(shù)

側(cè)面碰撞試驗中肋骨的變形量是重要考核指標(biāo),ECE-R95中給出的限值為42mm.側(cè)面碰撞的上肋骨變形量比中、下肋骨變形量大,上肋骨變形情況如圖8所示.在所進(jìn)行的側(cè)面柱碰撞中,假人上、中、下3根肋骨的變形量均超過了法規(guī)限值,肋骨最大變形量出現(xiàn)的時間比側(cè)面壁障碰撞早,而側(cè)面壁障碰撞肋骨變形量均在法規(guī)限值之內(nèi).

圖8 上肋骨變形-時間曲線Fig.8 Rib deflection-time history

2.2.3 腹部傷害指數(shù)

ECE-R95中規(guī)定假人腹部力要求小于2.5 kN,從圖9可以看出,假人的腹部力都能符合法規(guī)要求,柱碰撞假人的腹部力峰值比側(cè)面壁障碰撞的要小,出現(xiàn)的時間也較早.

圖 9 腹部力-時間曲線Fig.9 Abdomen force-time history

2.2.4 骨盆性能指數(shù)

ECE-R95中規(guī)定假人恥骨力要求小于6 kN.從圖10中可以看出,側(cè)面柱碰撞中假人的恥骨力達(dá)到8.8 kN,遠(yuǎn)高于法規(guī)要求,而側(cè)面壁障碰撞中,恥骨力峰值為4.5 kN,符合法規(guī)要求.

圖10 恥骨力-時間曲線Fig.10 Public force-time history

2.3 仿真結(jié)果綜合分析

從側(cè)面碰撞的結(jié)構(gòu)變形、加速度響應(yīng)、假人損傷分析等方面的綜合分析可以看出,側(cè)面柱碰撞車身變形主要集中在與柱直徑相當(dāng)?shù)呐鲎矃^(qū)域,對車身的沖擊和破壞性更大,門檻梁、地板及地板橫梁發(fā)生了嚴(yán)重變形,地板橫梁甚至出現(xiàn)塑性鉸,柱體侵入車內(nèi),車門內(nèi)板最大侵入量比側(cè)面壁障碰撞高了63.3%;假人除了腹部損傷指標(biāo)外,其他各項損傷指標(biāo)均超過了法規(guī)極限.而該車型在側(cè)面壁障碰撞中具有良好的車身結(jié)構(gòu)安全性,門檻梁、地板及地板橫梁變形很小,假人的各項損傷指標(biāo)均在法規(guī)之內(nèi).由此可見,與側(cè)面壁障碰撞相比,側(cè)面柱碰撞對車身的耐撞性提出了更高要求,對車內(nèi)乘員造成更嚴(yán)重的傷害,研究柱碰撞下的車身結(jié)構(gòu)安全性對于提高車輛的安全性是非常重要的.

3 改進(jìn)措施

車體側(cè)面結(jié)構(gòu)耐撞性在很大程度上決定了車內(nèi)乘員與側(cè)圍結(jié)構(gòu)二次碰撞的劇烈程度,它對人體損傷有很大影響,合理控制車體的耐撞性,對減小人體損傷有重要意義[12].因此,本文對在側(cè)面壁障碰撞中已具有良好碰撞安全性的原車型的改進(jìn)主要從提高車輛抗柱撞的耐撞性出發(fā),對整車的耐撞性影響較大的門檻梁、地板橫梁的剛度進(jìn)行適當(dāng)提高,其他條件不變.其中地板橫梁的厚度由1.5 mm改為2.0mm,門檻梁內(nèi)新增加的加強(qiáng)件厚度為1.5mm,材料采用超高強(qiáng)度鋼DP780,原門檻加強(qiáng)件材料由B340LA改為DP780,門檻的截面形狀如圖11所示.改進(jìn)前后車門內(nèi)板最大變形部位的侵入量-時間曲線如圖12所示.

圖11 門檻梁截面Fig.11 The section of door-sill-beam

圖12 改進(jìn)前后車門內(nèi)板侵入量-時間曲線Fig.12 The com parison of inner doors intrusion

從圖12中不難看出,改進(jìn)后車門內(nèi)板最大侵入量減小了37 mm,降幅為13.7%.碰撞結(jié)束后,車門內(nèi)板侵入車內(nèi)最大部位距駕駛員座椅中心線的距離為98mm,乘員的生存空間比改進(jìn)前有所改善.通過將改進(jìn)后仿真結(jié)果中的側(cè)圍結(jié)構(gòu)、座椅等部件的變形時間歷程重新輸入到圖2所示的模型中進(jìn)行計算,結(jié)果顯示假人的頭部H IC值、肋骨最大變形量、腹部力和恥骨力等損傷指標(biāo)值分別由原來的5 468 mm,56.1 mm,1.97 kN和8.82 kN變?yōu)? 392 mm,48.7 mm,1.62 kN和8.37 kN,很明顯各項損傷指標(biāo)值都有所降低,說明了本文的改進(jìn)措施能降低乘員的損傷.

本文也存在一些局限性,上述改進(jìn)的目的在于考察門檻梁和地板橫梁的剛度對車體耐撞性能的影響,因此,只對門檻梁和地板橫梁進(jìn)行了適當(dāng)?shù)募訌?qiáng),如果對門檻梁和地板橫梁采用更高屈服強(qiáng)度的超高強(qiáng)度鋼,其效果會更加明顯.另外,由于剛度加強(qiáng)是有限的,并且剛度加強(qiáng)可能會導(dǎo)致車體的碰撞加速度太大,對現(xiàn)實車輛而言僅僅考慮提高車體的耐撞性還不能充分達(dá)到保護(hù)車內(nèi)乘員的目的,良好的側(cè)圍結(jié)構(gòu)耐撞性只是第一道保護(hù)屏障.因此,除了通過上述提高整車耐撞性能從而降低乘員損傷風(fēng)險外,還可以通過使用防護(hù)襯墊、側(cè)面安全氣囊等防護(hù)措施降低乘員與車體的二次碰撞,減小對乘員的傷害.

4 結(jié) 論

本文的仿真研究表明:與側(cè)面壁障碰撞相比,側(cè)面柱碰撞造成了對乘員更嚴(yán)重的損傷風(fēng)險,對車身的耐撞性提出了更高的要求.門檻梁和地板橫梁剛度是影響車輛側(cè)面柱碰撞結(jié)構(gòu)耐撞性能的主要因素;通過適當(dāng)提高門檻梁和地板橫梁的剛度可以有效地提高車體抗柱撞的耐撞性能,從而降低乘員的損傷風(fēng)險.因此,車輛設(shè)計者在車身結(jié)構(gòu)安全性的設(shè)計階段,應(yīng)考慮轎車側(cè)面柱碰撞下的車身結(jié)構(gòu)安全性,這將有利于提高整車的側(cè)面碰撞安全性.

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Study of the Structural Response and Occupant Injury in Side Pole Im pact to a Passenger Car

YANG Ji-kuang1,2?,QIN Zhen-yuan1,3,WANG Si-wen1,GU Guo-rong1
(1.State Key Laboratory of Advanced Design and Manufac ture for Vehicle Body,Hunan Univ,Changsha, Hunan 410082,China;2.Dept o f App lied M echanics,Chalmers Univ of Technology,Sw eden; 3.National Coach Quality Supervision and Test Center,Chongqing 401122,China)

Based on the occupant injury severity in side pole impact,this paper conducted a computer simulation study on the side pole im pactof a passenger car.The injury criterion and parameters of dummy, the side structure deformation and acceleration of the car body were thoroughly analyzed in terms of the crash characteristics of the car in side pole impact.The countermeasures for im proving the strength of the door-sill-beam and the floor cross member were p resented.Simu lation resu lts have shown that the side po le impact increases occupant injury risk and makes more intrusion on the side structure of the body, com pared w ith car to barrier side impact.The passenger car safety performance can be imp roved in side po le impact by strengthening the door-sill-beam and the floor crossmember.

structure response;side pole impact;occupant safety;countermeasure

U461.91

A

1674-2974(2011)01-0023-06 *

2010-01-15

國家863計劃資助項目(2006AA 110101);教育部、國家外專局111計劃資助項目(111-2-11);教育部長江學(xué)者與創(chuàng)新團(tuán)隊發(fā)展計劃資助項目(531105050037);湖南大學(xué)汽車車身先進(jìn)設(shè)計制造國家重點實驗室自主課題資助項目(60870004)

楊濟(jì)匡(1948-),男,湖南湘潭人,湖南大學(xué)教授,博士生導(dǎo)師

?通訊聯(lián)系人,E-mail:jikuangyang@hnu.cn