基于尖頂?shù)刃Х讲ǖ目蛙囌媾鲎舶踩越Y(jié)構(gòu)優(yōu)化

葉松奎

（廈門金龍聯(lián)合汽車工業(yè)有限公司，福建 廈門 361023）

基于尖頂?shù)刃Х讲ǖ目蛙囌媾鲎舶踩越Y(jié)構(gòu)優(yōu)化

葉松奎

（廈門金龍聯(lián)合汽車工業(yè)有限公司，福建 廈門 361023）

車體結(jié)構(gòu)正面碰撞的加速度與乘員損傷之間存在著密切的聯(lián)系。根據(jù)實際的碰撞加速度曲線的特點，建立“尖頂?shù)刃Х讲ā蹦Ｐ?，研究尖頂?shù)刃Х讲ǖ奶卣鲄?shù)影響人體損傷響應的規(guī)律，從而指導客車正面碰撞安全性的結(jié)構(gòu)優(yōu)化。

正面碰撞；車身加速度；尖頂?shù)刃Х讲ǎ怀藛T損傷

由于正面碰撞是汽車事故中死亡率最高的一種碰撞形式[1]，因此，開展大客車的正面碰撞研究對提高客車產(chǎn)品的碰撞安全性及減輕乘員損傷具有非常重要的意義。眾所周知，車體結(jié)構(gòu)碰撞的加速度與乘員損傷之間存在著密切的聯(lián)系[2]。但由于直接從車體結(jié)構(gòu)上提取的碰撞加速度－時間歷程曲線形狀很不規(guī)律，難以直接應用于乘員損傷響應規(guī)律的研究。因此，有必要根據(jù)加速度曲線的特點，建立一個能夠代表碰撞過程的加速度簡化模型，通過研究簡化模型的特征參數(shù)，直觀地分析碰撞加速度與人體損傷之間的響應規(guī)律，從而達到優(yōu)化車體結(jié)構(gòu)碰撞安全性的目的。目前，在轎車的碰撞安全領(lǐng)域，運用得比較成熟的加速度簡化模型主要是雙梯形等效波形[3-5]。但此模型需要一個非常重要的參數(shù)——發(fā)動機的停機時刻，即發(fā)動機撞上固定壁障的時刻。然而，對于大多數(shù)客車而言，由于發(fā)動機是后置的，根本就不存在這個參數(shù)，因此，不適合采用這種簡化模型進行客車乘員損傷響應規(guī)律的研究。本文將尖頂?shù)刃Х讲ǖ母拍钜肟蛙嚺鲎舶踩I(lǐng)域，通過研究碰撞加速度曲線的尖頂?shù)刃Х讲ǖ奶卣鲄?shù)影響乘員損傷的規(guī)律，進而指導客車正面碰撞安全性的結(jié)構(gòu)設(shè)計及優(yōu)化。

1 尖頂?shù)刃Х讲Ｐ?/h2>

在車輛的碰撞力學上，通常采用一定的數(shù)學簡化模型來模擬實際的加速度曲線。簡化模型與原始曲線具有相同的時間歷程和邊界條件，保證車輛位移和速度足夠接近于原始曲線。因此，可以通過提取簡化模型的某些特征參數(shù)，直觀地研究各特征參數(shù)與損傷之間的聯(lián)系。碰撞加速度曲線的尖頂?shù)刃Х讲ǖ暮喕Ｐ腿鐖D1所示。

式中：0～tm為車輛的減速階段；tm～tr為車輛的反彈階段。a（0）為減速階段加速度初狀態(tài)；a（tm）為減速階段加速度末狀態(tài)；tm為車輛的反彈時刻，即車輛的碰撞速度－時間歷程曲線上速度為0的時刻；tr為碰撞總時間，此時車速達到最大反彈速度Vr。

尖頂?shù)刃Х讲紤]了與原加速度曲線相同的時間歷程與邊界條件。經(jīng)數(shù)學計算后，可得到以下各特征參數(shù)的表達式：

式中：tc為原加速度曲線與坐標軸圍成形狀的形心位置對應的時間；C為車體結(jié)構(gòu)的最大變形量；V0為碰撞初速度。

對碰撞加速度曲線及尖頂?shù)刃Х讲ㄟM行積分計算，得到圖2的速度及位移曲線。特征參數(shù)Vr、tm、C如圖2所示。

從圖2可以看出，利用尖頂?shù)刃Х讲Ｐ突蟮玫乃俣燃拔灰魄€與實車碰撞的速度及位移曲線都吻合得相當好。

2 尖頂?shù)刃Х讲尚行苑治?/h2>

以下對客車駕駛員進行損傷響應[6-7]分析。分析采用第50百分位男性假人，安全帶一端固定在座椅靠背上，另一端固定在車身上。碰撞初速度為30 km/h（碰撞初速度參考客車座椅性能試驗方法[8]），碰撞加速度分別采用實車碰撞試驗提取的碰撞加速度及尖頂?shù)刃Х讲ǎ治鼋Y(jié)果如圖3及表1所示。

表1 乘員損傷

從以上分析結(jié)果可以看出，采用實車碰撞的加速度與采用尖頂?shù)刃Х讲ㄟM行損傷響應分析，乘員損傷加速度曲線的趨勢幾乎是一致的，各傷害值的誤差也較小，兩者具有很高的吻合度。說明利用尖頂?shù)刃Х讲ù鎸嵻嚺鲎驳募铀俣惹€進行乘員損傷響應分析是可行的。

3 特征參數(shù)影響乘員損傷的規(guī)律

尖頂?shù)刃Х讲ㄖ饕怯?a（0）、a（tm）、tm及 tr等 4個特征參數(shù)來描述的，對于相同的約束系統(tǒng)，乘員損傷對具有不同特征參數(shù)的尖頂?shù)刃Х讲ǖ捻憫矔兴煌?。因此，認清尖頂?shù)刃Х讲ㄌ卣鲄?shù)影響乘員損傷響應的規(guī)律是十分必要的。在碰撞的開始時刻，車輛開始減速（一次碰撞[9]），由于乘員與約束系統(tǒng)之間存在一定的間隙，乘員在此刻并沒有開始減速，而是繼續(xù)以初始運動狀態(tài)向前運動。當車輛的減速運動使得車輛與乘員之間出現(xiàn)相對速度，使得乘員與約束系統(tǒng)之間的間隙消除后，乘員開始受到約束系統(tǒng)的減速作用（二次碰撞）。此后，乘員與約束系統(tǒng)在相互作用下分別進行減速運動，車輛的速度在減速階段逐漸降低到零，并經(jīng)歷反彈階段后，最終達到靜止狀態(tài)。乘員胸部X向加速度不但受車身結(jié)構(gòu)碰撞的影響，同時也與約束系統(tǒng)特性有關(guān)[10]。假人胸部加載段的加速度與相對車身位移具有良好的線性關(guān)系，因此，將乘員與約束系統(tǒng)簡化成彈簧-質(zhì)量系統(tǒng)。假設(shè)經(jīng)過時間為t*，乘員相對車輛向前運動消除約束系統(tǒng)間隙δ后與約束系統(tǒng)產(chǎn)生二次碰撞，則有人體胸部響應為[11]

式中：aov（t）為胸部相對車輛的加速度；p*為該時刻車輛的加速度；△V*為乘員與約束系統(tǒng)發(fā)生作用時車輛速度的變化量；β 為加速度放大因子，等于 a（tm）/a（0）。

文獻[12]表明，減小車身的平均加速度a、加速度均方根σa及最大加速度amax，對提高車輛的碰撞安全性具有顯著效果。

基于以上理論，對于尖頂?shù)刃Х讲?，可以通過調(diào)整以下兩個特征參數(shù)達到提高車輛碰撞安全性的目的：增大碰撞時間tm，從胸部損傷響應的公式也可以看出，增大tm對于減小aov（t）有明顯效果；使加速度放大因子β趨近于1。

修改圖1的尖頂?shù)刃Х讲ǖ奶卣鲄?shù)，得到如圖4所示的三組不同的尖頂?shù)刃Х讲?，并以此進行乘員損傷響應分析。分析結(jié)果如圖5及表2所示。

CASE1與 BASE相比，參數(shù) tm不變，增大 a（0），減小 a（tm），即減小 β；CASE2與 BASE相比，同時增大 tm及β。

表2 三個方案的乘員胸部損傷對比

從表2可以看出，CASE1相比BASE，胸部3msG減小了1.1 g，說明在β大于1的情況下，減小β，對減小乘員損傷是有好處的；CASE2相比BASE，胸部3msG減小了3.3 g，說明盡管β增大了，但tm的增大，對減小乘員損傷是更為有效的。

4 基于尖頂?shù)刃Х讲ǖ能圀w結(jié)構(gòu)改進

基于尖頂?shù)刃Х讲ㄓ绊懗藛T損傷響應的規(guī)律，從以下兩個方面考慮對原型車碰撞加速度曲線進行優(yōu)化，以提高車體結(jié)構(gòu)的碰撞安全性，從而減小乘員損傷。

1）減小加速度放大因子β，即增大尖頂?shù)刃Х讲ǖ腶（0），減小a（tm）。具體做法是提高車輛前防撞橫梁的剛度，提高吸能盒的極限屈曲載荷。

2）增大減速階段的持續(xù)時間tm。具體做法是延長吸能盒的長度；而加速度放大因子β的減小，同樣會使tm稍微有所增大。

基于以上優(yōu)化思想，對原型車的前防撞梁結(jié)構(gòu)進行優(yōu)化。圖6為2012年廈門金龍汽車在北京交通部汽車試驗場進行前碰撞試驗的某型半承載客車；圖7為此客車在前部結(jié)構(gòu)設(shè)計安裝的前防撞梁結(jié)構(gòu)示意圖。客車前部由于空間有限，前縱梁前端至前圍的距離只有100～180mm。因此，將前防撞梁的吸能盒設(shè)計成上、下兩層，上部吸能盒安裝在前縱梁之前，下部吸能盒通過安裝支架與前縱梁相連，前防撞橫梁安裝在下部吸能盒前端。這種防撞梁結(jié)構(gòu)不僅具備多傳力路徑的功能，能夠充分地分散碰撞力，吸收更多的碰撞能量，從而達到優(yōu)化車體碰撞加速度曲線的目的；同時由于碰撞點的降低，提高了與小車的碰撞相容性。但需要注意的是，下部吸能盒安裝支架的設(shè)計，既要充分考慮與備胎及轉(zhuǎn)向機的干涉，又要保證支架的剛強度，避免在碰撞過程中下部吸能盒因支架變形后移而無法潰縮變形。

經(jīng)過結(jié)構(gòu)優(yōu)化后，車體碰撞加速度及尖頂?shù)刃Х讲ㄈ鐖D 8所示：a（0）增大至 18.2 g，a（tm）減小至 20.6 g，tm增大至43ms。利用實車碰撞加速度曲線重新進行乘員損傷分析，得到圖9的分析結(jié)果。乘員胸部損傷3msG由原來的29.2 g減小至27.1 g，效果顯著。

5 結(jié) 論

1）分別采用實車碰撞試驗的加速度曲線及尖頂?shù)刃Х讲ㄟM行乘員損傷響應分析，兩者的乘員損傷曲線具有很好的吻合度，說明利用尖頂?shù)刃Х讲ù鎸嵻嚺鲎苍囼灥募铀俣惹€進行乘員損傷響應分析是可行的。

2）對尖頂?shù)刃Х讲ǘ?，當tm相同時，β越接近于1，相應的乘員胸部加速度峰值就越??；雖然β的增大可能導致胸部損傷增大，但當tm增大時，乘員胸部加速度峰值反而有明顯的減小，說明乘員胸部加速度響應對tm的變化更為敏感，且隨著tm的增大，胸部加速度峰值明顯減小。

[1]朱西產(chǎn).汽車正面碰撞試驗法規(guī)及其發(fā)展趨勢的分析[J].汽車工程，2002，24（1）：1-5，14.

[2]Steve Mark.Effect of Frontal Crash Pulse Variations on Occupant Injuries[C].The 18th International TechnicalConference on the Enhanced Safety ofVehicles，USA，2003.

[3]馬志雄，朱西產(chǎn).假人主要傷害值對等效雙梯形減速度曲線的靈敏度分析[J].汽車工程，2009，31（2）：166-169.

[4]朱航彬，劉學軍.正面碰撞波形對乘員傷害值的影響[J].汽車工程，2008，（11）

[5]馬志雄，朱西產(chǎn).臺車試驗中采用等效雙梯形減速度曲線的模擬研究[J].汽車工程，2008，（5）

[6]MADYMO Theory ManualR6.4.1[CP].TNOMADYMO B.V.,the Netherlands，2007.

[7]張學榮，劉學軍，陳曉東，等.正面碰撞安全帶約束系統(tǒng)開發(fā)與試驗驗證[J].汽車工程，2007，（12）

[8]GB 13057-20XX，客車座椅及其車輛固定件的強度[S].北京：中國標準出版社，20XX.

[9]鐘志華，張維剛，曹立波，等.汽車碰撞安全技術(shù)[M].北京：機械工業(yè)出版社，2003.

[10]李充，朱海濤.正面碰撞車身加速度與乘員胸部損傷研究[C].第七屆國際汽車交通安全學術(shù)會議論文集，2009.

[11]張金換，杜匯良，馬春生.汽車碰撞安全性設(shè)計[M].北京：清華大學出版社，2010.

[12]葛如海，劉星榮.汽車車身對壁正面碰撞安全性評價指標的研究[J].江蘇理工大學學報：自然科學版，2001，（4）：20-31.

修改稿日期：2013-11-26

Structure Optimization of Coach Frontal Crash Safety Based on Triangle Equivalent Square Wave

Ye Songkui
（Xiamen King Long United Automotive Industry Co.,Ltd,Xiamen 361023,China）

There is a close correlation between the acceleration of vehicle structure frontal crash and occupant injury.According to the characteristics of the actual crash acceleration curve,the triangle equivalent square wave（TESW）model is established and the regular pattern of TESW parameters affecting human body injury response is studied in order to guide the structure optimization of vehicle frontal crash safety.

frontal crash；vehicle acceleration；TESW；occupantinjury

U 467.1+4

A

1006-3331（2014）01-0007-04

葉松奎（1984-），男，工程師；主要從事車輛被動安全CAE仿真分析工作。