基于多點(diǎn)沖擊的側(cè)面碰撞臺(tái)車試驗(yàn)方法

董麗萍，朱西產(chǎn)，馬志雄

（同濟(jì)大學(xué) 汽車學(xué)院，上海201804）

在汽車側(cè)面碰撞中，目前法規(guī)和測試標(biāo)準(zhǔn)中關(guān)注人體受傷害的主要部位為胸部、腹部和髖部，影響乘員安全的主要因素是車身側(cè)面結(jié)構(gòu)、車門內(nèi)飾板、側(cè)面約束系統(tǒng)以及生存空間等［1］.其中車身側(cè)面結(jié)構(gòu)決定了在側(cè)面碰撞過程中與乘員直接接觸的車門內(nèi)飾板的侵入速度和侵入量，車門內(nèi)飾板、側(cè)面約束系統(tǒng)和側(cè)面生存空間決定了假人的傷害情況.在側(cè)面碰撞試驗(yàn)中，車門上與假人接觸的部分主要是車門內(nèi)飾板，車門內(nèi)飾板對(duì)假人傷害值的影響有3個(gè)方面：形面、剛度及運(yùn)動(dòng)［2］.由于在側(cè)面碰撞中車門各個(gè)區(qū)域的變形不同，從而導(dǎo)致車門內(nèi)飾板不同區(qū)域在與乘員接觸時(shí)的侵入速度和侵入量變化也很大.

有關(guān)側(cè)面碰撞對(duì)人體不同部位損傷的試驗(yàn)研究，可通過實(shí)車碰撞試驗(yàn)進(jìn)行，也可以在模擬實(shí)車碰撞的臺(tái)車試驗(yàn)上進(jìn)行.實(shí)車碰撞試驗(yàn)時(shí)間長，費(fèi)用高，可以準(zhǔn)確獲取乘員在碰撞過程中的傷害，而臺(tái)車試驗(yàn)費(fèi)用成本較低.而目前現(xiàn)有的常規(guī)側(cè)撞臺(tái)車試驗(yàn)裝置只能模擬車門內(nèi)飾板上某一點(diǎn)的運(yùn)動(dòng)，單純只是一點(diǎn)的模擬很難復(fù)現(xiàn)整個(gè)車門的侵入過程.比如，目前研究車門內(nèi)飾板的運(yùn)動(dòng)對(duì)人體胸部傷害的影響，則將車門內(nèi)飾板上對(duì)應(yīng)于人體胸部位置的加速度波形作為臺(tái)車試驗(yàn)?zāi)M的目標(biāo)波形，這樣做就很難兼顧到假人其他位置的傷害響應(yīng)［3-5］.尤其是假人T12（假人第12根脊椎骨位置）部位的傷害情況，T12受力評(píng)價(jià)指標(biāo)包括T12的y向受力Fy及繞x軸的轉(zhuǎn)矩Mx.兩個(gè)指標(biāo)的測量通過安裝在胸椎和腰椎間T12處的載荷傳感器測量.T12載荷傳感器可分為上下兩部分，上部與胸椎相連，下部與腰椎相連，因此T12的傷害情況與假人胸部和腹部的運(yùn)動(dòng)相關(guān).而假人背板力的傷害也與座椅、車門侵入和假人運(yùn)動(dòng)情況相關(guān).因此目前的側(cè)碰臺(tái)車不能很好地復(fù)現(xiàn)假人所有的傷害，存在復(fù)現(xiàn)曲線能力有限，試驗(yàn)結(jié)果驗(yàn)證困難等不足.目前泛亞汽車技術(shù)中心有限公司安全試驗(yàn)室采用ASIS公司的側(cè)面碰撞臺(tái)車系統(tǒng)，雖然能同時(shí)模擬座椅運(yùn)動(dòng)加速度波形以及車門和B柱不同區(qū)域的加速度變化［6］，但是試驗(yàn)設(shè)備非常昂貴，而且需要調(diào)整伺服液壓裝置同時(shí)控制若干個(gè)侵入缸的運(yùn)動(dòng)，因此試驗(yàn)裝置的調(diào)試和操作性比較困難.同時(shí)需要對(duì)車門進(jìn)行預(yù)變形處理，非常依賴于整車碰撞仿真模型的準(zhǔn)確性，因此很難保證試驗(yàn)的一致性.

本文對(duì)側(cè)面碰撞過程中車門內(nèi)飾板的侵入速度進(jìn)行分析和簡化，并在此基礎(chǔ)上將車門總成進(jìn)行劃分，分為假人胸部、腹部和骨盆對(duì)應(yīng)的3個(gè)區(qū)域，建立了基于質(zhì)量彈簧模型的某車型側(cè)面碰撞臺(tái)車模型，該臺(tái)車試驗(yàn)方法可以同時(shí)復(fù)現(xiàn)車門板上多個(gè)點(diǎn)的運(yùn)動(dòng)以及座椅的運(yùn)動(dòng)情況.然后將側(cè)面碰撞臺(tái)車試驗(yàn)中假人傷害情況和整車試驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行比較，取得了良好的一致性.

1 車門內(nèi)飾板分解

根據(jù)側(cè)碰假人H點(diǎn)（大腿與軀干相連的旋轉(zhuǎn)點(diǎn)，即跨點(diǎn)，體現(xiàn)為大腿與軀干相連的軸的中心線）、靠背角和假人身上特征點(diǎn)，調(diào)整好假人、車門內(nèi)飾板以及座椅之間的相對(duì)位置后，根據(jù)假人胸部、腹部和骨盆與車門內(nèi)板的對(duì)應(yīng)位置，將車門內(nèi)飾板分為3個(gè)區(qū)域，如圖1所示.然后根據(jù)車門內(nèi)飾板與側(cè)碰假人的接觸部位以及實(shí)車側(cè)面碰撞試驗(yàn)時(shí)車門內(nèi)板上加速度傳感器的安裝位置，將車門內(nèi)板劃分成不同的區(qū)域，提取各個(gè)區(qū)域的加速度曲線進(jìn)行積分得到的速度曲線，作為該區(qū)域處車門內(nèi)飾板的侵入速度，從而復(fù)現(xiàn)車門不同位置處不同的侵入速度和侵入量.

圖1 假人與車門內(nèi)飾板對(duì)應(yīng)區(qū)域Fig.1 Corresponding regions between dummy and door trim

2 多點(diǎn)沖擊側(cè)面碰撞臺(tái)車試驗(yàn)方法

2.1 側(cè)面碰撞受力分析

在側(cè)面碰撞過程中對(duì)車門進(jìn)行受力分析可以知道，車門主要承受來自 MDB（moving deformation barrier，側(cè)面移動(dòng)可變性壁障）施加在車門上的力Fm，車身側(cè)面結(jié)構(gòu)阻礙車身變形的力Fs，以及車門與假人之間的相互作用力作用在車門上的力.

從公式中可以看出，車門內(nèi)飾板承受的力主要來自側(cè)面MDB、車身側(cè)圍結(jié)構(gòu)以及假人的反作用力.整個(gè)側(cè)面碰撞過程中車門的運(yùn)動(dòng)過程是：當(dāng)MDB與目標(biāo)車開始接觸，車門隨著目標(biāo)車開始加速；然后車身側(cè)面結(jié)構(gòu)發(fā)生變形，車門很快達(dá)到與MDB相同的速度；最后車門與假人接觸，在這個(gè)過程中快速變形的車門側(cè)面撞擊假人，使假人產(chǎn)生側(cè)向的加速運(yùn)動(dòng).

2.2 車門內(nèi)飾板侵入速度分析

大量實(shí)車側(cè)碰撞試驗(yàn)數(shù)據(jù)的分析表明，在轎車側(cè)面碰撞試驗(yàn)中，車門板不同位置處的速度波形基本具有類似的波形特征.以假人胸部對(duì)應(yīng)車門板位置處侵入速度波形為例，對(duì)側(cè)面碰撞過程中車門侵入速度進(jìn)行分解，如圖2所示.由于同一位置的加速度時(shí)間歷程變化很劇烈，在模擬時(shí)需要對(duì)其進(jìn)行較低頻率等級(jí)的濾波處理.文中采用CFC 20（channel frequency class，濾波通道頻率等級(jí)）的濾波.以側(cè)面碰撞開始時(shí)間為起始點(diǎn)，可將整個(gè)側(cè)面碰撞過程（即車門侵入速度波形）分為OA，AB，BC3個(gè)階段：

（1）OA段——車門與 MDB在O點(diǎn)接觸，在MDB的沖擊下車門做加速運(yùn)動(dòng)，同時(shí)車門外板受MDB的擠壓而出現(xiàn)變形，直至車門內(nèi)板達(dá)到最大速度點(diǎn)（A點(diǎn)）.在這一點(diǎn)附近，車門內(nèi)飾板與座椅和／或假人開始接觸.可以看到車門在OA段一直處于加速過程，車門速度在時(shí)間為30ms處達(dá)到最大.

（2）AB段——車門內(nèi)飾板速度開始下降.在這一過程中，在車身側(cè)圍結(jié)構(gòu)的抵抗作用下，車門速度開始下降，直到到達(dá)B點(diǎn).車門在AB段一直處于減速過程，到達(dá)B點(diǎn)時(shí)，減速階段結(jié)束.因此假設(shè)md是車門質(zhì)量，vd是車門速度，利用牛頓第二定律對(duì)車門進(jìn)行受力分析可以得到以下公式：

（3）BC段——過B點(diǎn)后，車門外板不再被擠壓，因此在MDB的沖擊作用下，車門內(nèi)飾板速度基本保持水平.最后在地面的阻尼作用下，整個(gè)試驗(yàn)系統(tǒng)（被撞車輛、假人、MDB等）的速度減為0.

圖2 車門內(nèi)飾板侵入速度曲線Fig.2 Intrusion velocity of door trim

通過對(duì)車門內(nèi)板速度、假人傷害曲線和高速攝像的分析，可以看出在汽車側(cè)面碰撞過程中，車門內(nèi)飾板與假人的接觸，基本都發(fā)生在車門侵入速度的最大值（A點(diǎn)）附近，而假人的傷害曲線主要集中在車門侵入波形的下降（AB）段.雖然裝配有側(cè)氣囊時(shí)，假人胸部傷害曲線的起始時(shí)刻會(huì)提前至車門加速度（OA）段，但是假人不同部位的傷害峰值均發(fā)生在車門與假人相對(duì)應(yīng)區(qū)域開始分離的時(shí)刻附近（AB段）.

2.3 側(cè)面碰撞臺(tái)車試驗(yàn)方法描述

由于在側(cè)面碰撞時(shí)假人傷害值響應(yīng)對(duì)車門加速度波形的細(xì)節(jié)并不敏感，因此可將車門侵入速度從OA段的變加速運(yùn)動(dòng)簡化為勻加速運(yùn)動(dòng)，AB段作為勻減速過程，以及將BC段作為勻速運(yùn)動(dòng)來處理.經(jīng)過處理后的車門板的運(yùn)動(dòng)可以通過如圖3所示的質(zhì)量彈簧模型來實(shí)現(xiàn).圖中：m1為發(fā)射臺(tái)車，提供整個(gè)側(cè)面臺(tái)車模型的初始輸入條件，其初始運(yùn)動(dòng)速度為v0；m2為目標(biāo)臺(tái)車，其運(yùn)動(dòng)通過調(diào)整目標(biāo)車和發(fā)射車之間的彈簧剛度km和初始間隙δm來控制；質(zhì)量塊mi（i分別代表車門內(nèi)飾板對(duì)應(yīng)假人胸部c、腹部a、骨盆p位置）分別與車門內(nèi)飾板對(duì)應(yīng)位置處剛性連接，提供車門內(nèi)飾板不同位置處的運(yùn)動(dòng)情況，通過調(diào)整安裝在發(fā)射車-車門和車門-目標(biāo)車之間的彈簧剛度ki和初始間距δi來控制車門內(nèi)飾板的加速和減速運(yùn)動(dòng).整個(gè)臺(tái)車模型的運(yùn)動(dòng)過程為：通過調(diào)整m1和mi之間的剛度ki1和空間δi1，控制質(zhì)量塊mi加速段（OA段）的運(yùn)動(dòng)，當(dāng)m1和mi速度達(dá)到一致時(shí)，彈簧停止塑性變形，m1不再對(duì)車門內(nèi)飾板加載，但是由于彈簧的回彈作用，繼續(xù)對(duì)mi加速，直到彈簧彈性卸載完畢，同時(shí)車門內(nèi)飾板達(dá)到最大速度.

圖3 側(cè)面臺(tái)車質(zhì)量彈簧模型Fig.3 Mass-spring model of side impact sled test

圖4 側(cè)面碰撞臺(tái)車試驗(yàn)裝置工程圖Fig.4 Side impact sled device

當(dāng)車門內(nèi)飾板速度達(dá)到最大時(shí)，質(zhì)量mi開始與彈簧ki2接觸，mi在ki2作用下開始減速（AB段），當(dāng)mi和m2速度相同時(shí)，彈簧ki2停止變形，m2停止對(duì)車門內(nèi)飾板加載，由于彈簧的回彈作用繼續(xù)對(duì)mi加載，直到彈簧彈性卸載完畢，同時(shí)車門內(nèi)飾板達(dá)到恒定速度（BC段）.

2.4 側(cè)面碰撞臺(tái)車試驗(yàn)裝置工程圖

圖4為側(cè)面碰撞臺(tái)車試驗(yàn)裝置工程圖.其中車門座椅系統(tǒng)自上而下分別對(duì)應(yīng)車門上、中、下3個(gè)位置和座椅.發(fā)射臺(tái)車和目標(biāo)臺(tái)車可以各自沿著地面上的軌道自由運(yùn)動(dòng)，而座椅和車門系統(tǒng)，通過安裝在目標(biāo)臺(tái)車上的軌道可以在軌道上沿碰撞軸向自由滑動(dòng).發(fā)射臺(tái)車提供整個(gè)側(cè)面碰撞臺(tái)車系統(tǒng)的初始能量，通過蜂窩鋁的壓縮控制加載到車門、座椅以及目標(biāo)臺(tái)車上.可以通過調(diào)整蜂窩鋁（車門加速裝置）的厚度和寬度來控制車門不同位置和座椅處的加速段的加速度以及接觸時(shí)間，蜂窩鋁（車門減速裝置）來控制減速段的開始時(shí)間和減速度.同時(shí)在目標(biāo)臺(tái)車的兩側(cè)也裝有蜂窩鋁來控制目標(biāo)臺(tái)車的加速過程.通過對(duì)蜂窩鋁樣品的剛度試驗(yàn)，可以看出多次試驗(yàn)過程中相同大小的蜂窩鋁剛度可以保持很好的一致性，而且不同試驗(yàn)速度下，蜂窩鋁剛度基本保持一致，只是蜂窩鋁的壓縮距離隨著沖擊速度的增加而有所增多，因此可以很好地保證試驗(yàn)的一致性和穩(wěn)定性.

2.5 多點(diǎn)沖擊側(cè)面碰撞臺(tái)車設(shè)計(jì)參數(shù)計(jì)算

以車門內(nèi)板（胸部）處為例，車門板的運(yùn)動(dòng)分析如下（對(duì)于質(zhì)量塊mi）：

2.5.1 臺(tái)車質(zhì)量

整個(gè)系統(tǒng)遵循動(dòng)量守恒定律，由此可以得到

當(dāng)發(fā)射車和目標(biāo)車達(dá)到相同速度時(shí)，此時(shí)發(fā)射臺(tái)車、目標(biāo)臺(tái)車和車門座椅系統(tǒng)之間不再加載，目標(biāo)車和車門座椅系統(tǒng)開始以相同的速度運(yùn)動(dòng).假定此時(shí)整個(gè)側(cè)面臺(tái)車系統(tǒng)的共同速度為v，則

因此可以通過側(cè)面碰撞臺(tái)車的初始速度和碰撞結(jié)束后的共同速度，來確定發(fā)射車和目標(biāo)車的質(zhì)量.需要說明的是質(zhì)量塊mi的選取與彈簧需要承受的力正相關(guān)，如果mi質(zhì)量增加，就意味著彈簧需要承受的力需要增加，因此質(zhì)量mi的大小只要匹配相應(yīng)的彈簧力，都可以滿足車門侵入速度的需要.但是質(zhì)量mi在滿足要求的前提下，盡可能取較大的質(zhì)量，以減少在車門與假人碰撞過程中假人的慣性作用對(duì)車門的反作用力.

2.5.2 彈簧剛度及壓縮距離

本文采用的彈簧（吸能裝置）是蜂窩鋁，蜂窩鋁的剛度特性是可以保持其在變形范圍內(nèi)承受的力基本保持不變，其剛度如圖5所示.

根據(jù)沖量定律可以得到

式中：Fi為彈簧加載力；Δvi，Δti分別為AB和BC段的車門速度變化和時(shí)間段.

在碰撞初始，車門靜止，發(fā)射車以一定的速度沖擊彈簧1（蜂窩鋁或者其他吸能裝置），壓縮蜂窩鋁變形推動(dòng)車門開始運(yùn)動(dòng)，直到二者達(dá)到相同的速度時(shí)，蜂窩鋁停止壓縮，同時(shí)車門侵入速度達(dá)到最大值；然后開始?jí)嚎s車門與目標(biāo)車之間的彈簧2，彈簧2開始變形，同時(shí)給車門提供一個(gè)抵抗力，促使車門開始減速，直到車門速度達(dá)到車門平穩(wěn)段速度.因此，彈簧的實(shí)際壓縮距離Δxi1，Δxi2就是發(fā)射車與車門、車門與目標(biāo)車之間的相對(duì)位移.

圖5 彈簧加載剛度曲線Fig.5 Stiffness of spring

經(jīng)過調(diào)試修正后，基于多點(diǎn)沖擊的側(cè)面碰撞臺(tái)車的主要設(shè)計(jì)參數(shù)如表1所示.

表1 側(cè)面碰撞臺(tái)車初始設(shè)計(jì)參數(shù)Tab.1 Parameters of side impact sled test

3 臺(tái)車試驗(yàn)方法的計(jì)算機(jī)仿真驗(yàn)證

圖6 側(cè)面碰撞臺(tái)車試驗(yàn)?zāi)Ｐ虵ig.6 Model of side impact sled test

為了驗(yàn)證該臺(tái)車模型在側(cè)面碰撞過程中車門、座椅與乘員之間的相互作用以及能量轉(zhuǎn)移的準(zhǔn)確性，采用MADYMO軟件建立了側(cè)面碰撞臺(tái)車-假人有限元模型，如圖7所示.該模型中假人采用的側(cè)面碰撞50th ES-2假人（EuroSID 2，歐洲中等身材第2代假人），根據(jù)實(shí)車試驗(yàn)調(diào)整座椅、假人、車門的相對(duì)位置.該簡化模型中m1為發(fā)射臺(tái)車，m2為目標(biāo)臺(tái)車，mi為車門及座椅加速和減速裝置.為節(jié)省計(jì)算速度，本模型中沒有加入蜂窩鋁模型，而是直接采用彈簧模型并賦予一定的剛度曲線.

圖7～9為側(cè)面碰撞臺(tái)車-假人模型仿真計(jì)算得到的車門內(nèi)飾板對(duì)應(yīng)假人胸部、腹部和骨盆位置處的侵入速度.從中可以看出，車門內(nèi)飾板侵入速度在加速段和減速段與整車試驗(yàn)結(jié)果基本一致，只是在勻速段時(shí)，臺(tái)車-假人模型中車門內(nèi)飾板侵入速度略有降低或者增加.這是由于臺(tái)車碰撞過程中目標(biāo)車、發(fā)射車和車門系統(tǒng)之間在碰撞后期會(huì)達(dá)到共同的速度導(dǎo)致的，但是由于這一階段車門與假人不再發(fā)生接觸，因此在車門侵入速度平穩(wěn)階段（BC）臺(tái)車仿真結(jié)果雖然略有差異，但是對(duì)假人傷害沒有影響.

圖7 車門內(nèi)飾板速度曲線（胸部）Fig.7 Velocity of door trim （chest）

圖8 車門內(nèi)飾板速度曲線（腹部）Fig.8 Velocity of door trim （abdomen）

圖9 車門內(nèi)飾板速度曲線（骨盆）Fig.9 Velocity of door trim （pelvis）

圖10 假人傷害曲線（上肋骨壓縮量）Fig.10 Curve of dummy injury（upper rib distance）

圖11 假人傷害曲線（中肋骨壓縮量）Fig.11 Curve of dummy injury（middle rib distance）

圖12 假人傷害曲線（下肋骨壓縮量）Fig.12 Curve of dummy injury（lower rib distance）

圖13 假人傷害曲線（T12受力）Fig.13 Curve of dummy injury（T12force）

圖10～17為在實(shí)車碰撞過程中和側(cè)面臺(tái)車模型中假人傷害響應(yīng)情況.從中可以看出，該側(cè)面碰撞臺(tái)車試驗(yàn)仿真計(jì)算得到的假人接觸時(shí)序與整車試驗(yàn)結(jié)果基本一致，各種傷害值響應(yīng)指標(biāo)也基本一致，尤其是T12的受力及彎矩和背板力可以得到很好的復(fù)現(xiàn).因此該試驗(yàn)臺(tái)能很好地復(fù)現(xiàn)側(cè)面碰撞過程中假人的運(yùn)動(dòng)和傷害情況，為后續(xù)研究側(cè)面碰撞乘員約束系統(tǒng)的匹配和改進(jìn)提供了良好的基礎(chǔ).

圖14 假人傷害曲線（T12彎矩）Fig.14 Curve of dummy injury（T12moment）

圖15 假人傷害曲線（背板力）Fig.15 Curve of dummy injury（backplate force）

圖16 假人傷害曲線（腹部合力）Fig.16 Curve of dummy injury（abdomen resultant force）

圖17 假人傷害曲線（骨盆受力）Fig.17 Curve of dummy injury（pelvis force）

4 結(jié)論

本文基于對(duì)側(cè)面碰撞試驗(yàn)過程中車門內(nèi)飾板運(yùn)動(dòng)過程的分析，對(duì)車門內(nèi)飾板侵入速度進(jìn)行簡化（簡化為加速段、減速段和恒定速度段）.在此基礎(chǔ)上，提出了基于質(zhì)量彈簧模型的側(cè)面碰撞臺(tái)車試驗(yàn)方法，并對(duì)相關(guān)參數(shù)設(shè)置進(jìn)行了說明.該臺(tái)車試驗(yàn)方法可以同時(shí)復(fù)現(xiàn)車門內(nèi)飾板上多個(gè)位置的運(yùn)動(dòng)以及座椅的運(yùn)動(dòng).然后基于MADYMO建立了側(cè)面碰撞臺(tái)車-假人有限元仿真模型.計(jì)算結(jié)果表明，利用多點(diǎn)沖擊側(cè)碰撞臺(tái)車試驗(yàn)方法得到的假人各個(gè)位置的傷害值響應(yīng)與用實(shí)車整車側(cè)面碰撞得到的假人各個(gè)位置的傷害值一致性非常好.這說明，該臺(tái)車試驗(yàn)方法可以很好地復(fù)現(xiàn)車門內(nèi)飾板、座椅與假人之間的相互作用關(guān)系，而且該方法非常易于在工程上實(shí)現(xiàn)，可以滿足工程應(yīng)用的需要.

［1］ Miller P M.Evaluation methodologies for automobile side impact development［C］∥ SAE Technical Paper Series.Detroit：SAE Publication Group，1993：930483.

［2］ Chung J，Cavanaugh J M，Mason M，etal.Development of a sled-to-sled subsystem side impact test methodology ［C］∥ SAE Technical Paper Series.Detroit：SAE Publication Group，1997：970569.

［3］ Aekbote K，Sobick J，Zhao L，etal.A dynamic sled-to-sled test methodology for simulating dummy responses in side impact［C］∥SAE Technical Paper Series.Detroit：SAE Publication Group，2007：010710.

［4］ Sarri B，Ellis R，Burguillo S.New method of side impact simulation for better waveform reproduction and door interaction［C］∥ SAE Technical Paper Series.Detroit：SAE Publication Group，2004：010474.

［5］ Sundararajan S，Chou C C，Lim G G，etal.Dynamic door component test methodology［C］∥ SAE Technical Paper Series.Detroit：SAE Publication Group，1995：950877.

［6］ 張孟周，樊平，張桂明.一種新型的側(cè)面碰撞臺(tái)車系統(tǒng)及其試驗(yàn)方法［J］.上海汽車，2013（5）：47.ZHANG Mengzhou，F(xiàn)AN Ping，ZHANG Guiming.A new side impact sled system and test method［J］.Shanghai Automobile，2013 （5）：47.

［7］ du Bois P，Chou C C，F(xiàn)ileta B B，etal.Vehicle crashworthiness and occupant protection ［M］.Southfield：American Iron and Steel Institute，2004.