后防撞梁對于后碰車輛安全性能的影響分析

閆曉曉，于光旭，黃森仁

(中國汽車技術(shù)研究中心，天津 300300)

車輛追尾碰撞事故是常見的道路交通事故類別之一，發(fā)生率僅次于正面碰撞和側(cè)面碰撞。在全國高速公路交通事故中，追尾碰撞事故的比例高達(dá)30%以上，位居所有高速公路交通事故之首［1－3］。目前世界各國都在研究并制定日趨嚴(yán)格的追尾碰撞標(biāo)準(zhǔn)和試驗(yàn)方法［4］。我國于2006年7月1日開始實(shí)施《乘用車后碰撞燃油系統(tǒng)安全要求》(GB20072—2006)，此法規(guī)主要考察在后碰撞中燃油系統(tǒng)的完整性，即在碰撞過程中是否會發(fā)生燃油泄漏現(xiàn)象［5］。在車輛受到追尾發(fā)生碰撞的過程中，車內(nèi)乘員頭頸部會產(chǎn)生突然的過伸及過屈的現(xiàn)象，從而造成的頸部損傷，稱為“揮鞭傷”。C-NCAP在2012年7月實(shí)施的新法規(guī)中加入了鞭打試驗(yàn)的考核要求，以考核在追尾碰撞中的乘員頸部損傷［6］。

在后碰過程中，座椅連接件的強(qiáng)度、靠背強(qiáng)度、頭枕位置和乘員坐姿對乘員頸部損傷都有很大程度的影響。加速度作為假人揮鞭損傷試驗(yàn)的基本輸入條件，其波動直接影響著乘員的頸部傷害值［7－11］。

某些汽車廠不重視車輛后防撞梁的設(shè)置，降低后防撞梁的材料、厚度等級，或者直接將后防撞梁省掉不進(jìn)行安裝，借此來達(dá)到降低成本的目的。為了研究后防撞梁對于后碰車輛安全性能的影響程度，筆者進(jìn)行了以下研究:首先，建立了某款轎車的后部碰撞有限元模型，在分析中對比該車型在無后防撞梁、后防撞梁屈服強(qiáng)度在300～400 MPa以及屈服強(qiáng)度在800～1000 MPa時的車體變形情況以及B柱加速度波形;然后將加速度波形輸入鞭打模型中，對比分析在不同波形下假人的損傷值。

1 某車型后碰仿真分析

1.1 后碰模型搭建

針對GB20072—2006法規(guī)要求，搭建了某款車型的后碰有限元仿真模型，如圖1所示。碰撞速度為50 km/h。該模型節(jié)點(diǎn)數(shù)約為158萬，單元數(shù)約為160萬，其中后防撞梁模型如圖2所示。

圖1 某車型后碰有限元仿真模型

圖2 后防撞梁模型

本研究針對無后防撞梁、后防撞梁材料采用普通高強(qiáng)度板、后防撞梁材料采用超高強(qiáng)度板3種工況進(jìn)行分析，各工況參數(shù)如表1所示。

表1 各工況參數(shù)對比

1.2 后碰結(jié)構(gòu)變形分析

1)油箱周圍變形對比

在GB20072—2006中，要求碰撞中燃油裝置不能發(fā)生泄漏，若試驗(yàn)后燃油裝置有液體連續(xù)泄漏，則在碰后5 min平均泄漏速率不應(yīng)大于30 g/min。

在仿真中主要考察油箱是否受到其他部件擠壓［12－13］。通過對各工況油箱周圍變形情況的仿真分析(如圖3所示)，可以發(fā)現(xiàn)3種工況油箱周圍變形基本相同，油箱均沒有受到嚴(yán)重?cái)D壓，能夠滿足國標(biāo)要求。

圖3 各工況油箱周圍變形情況

2)B柱加速度曲線對比

經(jīng)仿真分析得到車輛B柱加速度波形，如圖4所示。

通過圖4可以發(fā)現(xiàn):后防撞梁強(qiáng)度越高，B柱波形第1個峰值就越早出現(xiàn)，加速度峰值也越低;在沒有防撞梁時，加速度峰值最高，過高的加速度會對車內(nèi)乘員造成更嚴(yán)重的傷害。

圖4 各工況B柱加速度波形對比

3)后縱梁變形對比

通過后縱梁變形對比(圖5)可以發(fā)現(xiàn)，3種工況的變形模式稍有差異，其中工況1效果最差。

圖5 后縱梁變形

4)整車變形壓縮量對比

本研究分析了碰撞過程中的車體變形壓縮量。3種工況的車體變形壓縮量對比如圖6所示?？梢园l(fā)現(xiàn):工況3的車體變形壓縮量最大，為493 mm;工況2的車體變形壓縮量最小，為469 mm;工況1的變形壓縮量為486 mm，位于兩者之間。車體變形壓縮量最大相差24 mm，但是變形最大的工況3的油箱未受到嚴(yán)重?cái)D壓，3種工況均能滿足目標(biāo)要求。

2 后碰假人傷害值分析

2.1 鞭打試驗(yàn)?zāi)Ｐ痛罱?/h3>

為了研究后碰時假人的傷害值，應(yīng)用該車的座椅鞭打試驗(yàn)?zāi)Ｐ?圖7)。將圖4中B柱加速度波形輸入鞭打模型中分析假人傷害值。該鞭打試驗(yàn)?zāi)Ｐ徒?jīng)過試驗(yàn)驗(yàn)證，模型精度滿足分析要求。

圖6 三種工況車體變形壓縮量對比

圖7 某車型鞭打試驗(yàn)?zāi)Ｐ?/p>

2.2 假人傷害值分析

將圖4中加速度波形輸入鞭打試驗(yàn)?zāi)Ｐ椭?，?jì)算得到3種工況頸部傷害指數(shù)(NIC)曲線對比，如圖8所示。3個工況的NIC曲線整體趨勢相同，工況2的NIC峰值略大。

圖8 3種工況NIC曲線對比

將假人各部位傷害值及得分進(jìn)行匯總，結(jié)果如表2所示。為了更加形象地對比3種工況的差異，將3種工況傷害值按照C－NCAP規(guī)則中鞭打試驗(yàn)分?jǐn)?shù)換算進(jìn)行對比。

表2 3種工況假人傷害值及分?jǐn)?shù)

對比3種工況的傷害值可以看出:隨著防撞梁強(qiáng)度的增加，假人傷害值呈逐漸減小的趨勢。通過傷害值計(jì)算假人揮鞭傷的得分情況可以看出，隨著防撞梁強(qiáng)度的增加分?jǐn)?shù)也增加。

3 結(jié)論

1)無后防撞梁、后防撞梁材料采用普通高強(qiáng)度板、后防撞梁材料采用超高強(qiáng)度板3種工況發(fā)生后碰時油箱均未被嚴(yán)重?cái)D壓，能夠通過國標(biāo)檢驗(yàn)。

2)后防撞梁強(qiáng)度對后碰車身B柱加速度峰值存在影響，采用超高強(qiáng)度板時加速度峰值最低，沒有后防撞梁時車身加速度峰值最高。

3)后防撞梁強(qiáng)度對后縱梁的變形及整車變形壓縮量有一定影響，采用普通高強(qiáng)度板時整車變形壓縮量最小。

4)后防撞梁能夠減小后碰時車內(nèi)乘員所受傷害，后防撞梁強(qiáng)度越高，假人傷害值越低。

綜上所述，盡管有無后防撞梁都能夠通過國標(biāo)檢驗(yàn)，但是合理選擇后防撞梁強(qiáng)度能夠降低整車變形壓縮量，降低車內(nèi)乘員所受傷害值，有效保護(hù)乘員。

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［6］中國汽車技術(shù)研究中心，C－NCAP管理規(guī)則［S］.

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