SUV與轎車正面碰撞相容性研究

胡遠(yuǎn)志，黃　杰，劉　西， 儲(chǔ)建宏，譚云飛

(1重慶理工大學(xué) 車輛工程學(xué)院 汽車零部件先進(jìn)制造技術(shù)教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，重慶　400054；

2太航常青汽車安全設(shè)備(蘇州)有限公司，江蘇 蘇州　215131)

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SUV與轎車正面碰撞相容性研究

胡遠(yuǎn)志1，黃杰1，劉西1， 儲(chǔ)建宏2，譚云飛2

(1重慶理工大學(xué) 車輛工程學(xué)院 汽車零部件先進(jìn)制造技術(shù)教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，重慶400054；

2太航常青汽車安全設(shè)備(蘇州)有限公司，江蘇 蘇州215131)

摘要：闡述了車輛質(zhì)量、前部剛度、幾何特性3個(gè)因素對(duì)碰撞相容性的影響，并針對(duì)某城市多用途汽車(SUV)和某轎車正面碰撞的仿真驗(yàn)證了這3個(gè)因素對(duì)100%正面碰撞相容性的影響?；谇安縿偠群蛶缀翁匦?個(gè)方面提出優(yōu)化方案。優(yōu)化后降低了SUV對(duì)轎車的攻擊性，改善了轎車乘員的生存空間，提高了兩車的正面碰撞相容性。同時(shí)，優(yōu)化后的車輛自身與剛性壁障正面碰撞的仿真結(jié)果表明：為了提高相容性而對(duì)兩車的改進(jìn)不會(huì)明顯降低其自身安全性。

關(guān)鍵詞：正面碰撞相容性；車輛質(zhì)量；前部剛度；幾何特性

隨著汽車工業(yè)的發(fā)展，我國(guó)汽車保有量不斷增加，其中經(jīng)濟(jì)型轎車憑借其排放少和油耗低等特點(diǎn)成為主流的家用車型。此外，SUV(城市多用途汽車)以其良好的道路環(huán)境適用性和時(shí)尚的外觀深受消費(fèi)者青睞。然而有研究表明：當(dāng)經(jīng)濟(jì)型轎車與SUV發(fā)生碰撞時(shí)，SUV 對(duì)轎車具有較大攻擊性[1],轎車乘員的損傷風(fēng)險(xiǎn)明顯高于對(duì)方[2]。這主要因?yàn)閮绍嚺鲎泊嬖诓幌嗳菪詥?wèn)題。隨著SUV與轎車保有量的不斷上升，兩車碰撞相容性的研究具有十分重要的現(xiàn)實(shí)意義。

碰撞相容性是指汽車發(fā)生碰撞時(shí)在保護(hù)自身乘員安全的同時(shí)盡可能保護(hù)對(duì)方車輛乘員安全的能力。在碰撞中,只有當(dāng)兩車乘員的傷害降到最低時(shí),才能夠表明兩車具有良好的相容性。近年來(lái)，美國(guó)高速公路安全管理局(NHTSA)、交通研究實(shí)驗(yàn)室(TRL)與國(guó)際各大汽車制造商聯(lián)合，共同進(jìn)行了汽車碰撞相容性研究[3]。我國(guó)從2002年開(kāi)始也陸續(xù)有一些學(xué)者進(jìn)行碰撞相容性研究[4]，但目前還沒(méi)有相關(guān)法規(guī)出臺(tái)。

1碰撞相容性的影響因素

車輛碰撞相容性主要與3個(gè)影響因素相關(guān)，即車輛質(zhì)量、前部剛度和幾何特性[5]。

1.1車輛質(zhì)量

在碰撞相容性影響因素中，車輛質(zhì)量占主導(dǎo)因素。在發(fā)生碰撞時(shí)(如圖1所示)，兩車的質(zhì)量分別為m1和m2(m1

圖1　不同質(zhì)量?jī)绍囌媾鲎彩疽鈭D

根據(jù)動(dòng)量守恒定律：

m1V1-m2V2=(m1+m2)V

(1)

得：

(2)

(3)

從式(2)、(3)可以看出：兩車發(fā)生碰撞前后的速度變化量與質(zhì)量成反比，質(zhì)量小的車承受更大風(fēng)險(xiǎn)。兩車發(fā)生碰撞的乘員傷害程度R可以表示為與速度改變量的函數(shù)關(guān)系，見(jiàn)式(4)[6]。很顯然，乘員傷害程度隨著速度變化量增加而增大。因此，質(zhì)量小的車輛在碰撞后乘員受到傷害程度可能更大。

(4)

式中α和k是通過(guò)曲線擬合得到的參數(shù)。

1.2前部剛度

發(fā)生碰撞時(shí)，車輛前端構(gòu)件通過(guò)塑性變形來(lái)吸收大部分的碰撞能量。碰撞結(jié)束后，車輛通過(guò)塑性變形所吸收的能量可以表示為[7]

(5)

則有

(6)

式中：E為車輛前部變形部分的塑性變形能；K為車輛前部變形部分的剛度；Xm為車輛前部變形當(dāng)量；m為車輛質(zhì)量；ΔV為碰撞中車輛速度的變化當(dāng)量。因此，車輛前端剛度影響前部變形。當(dāng)塑性變形吸收的能量一定時(shí)，剛度越小，車輛前部變形量越大，則所受風(fēng)險(xiǎn)更大。在汽車被動(dòng)安全設(shè)計(jì)時(shí)，通常質(zhì)量小的汽車前端剛度較小,而質(zhì)量大的汽車前端剛度較大[8]。因此，兩車碰撞時(shí)質(zhì)量小的車輛前部變形大，從而減小了乘員艙生存空間。

1.3幾何特性

車輛的幾何特性既可理解為車輛的外形特點(diǎn)，又可以理解為車輛的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)。外形特點(diǎn)主要是不同級(jí)別車輛之間的差別對(duì)比；結(jié)構(gòu)特點(diǎn)主要考慮前端結(jié)構(gòu)形狀、分布位置、安裝特點(diǎn)以及與其他車輛之間的相互作用效果等。

目前普遍采用平均作用力高度(AHOF400，average height of force)來(lái)描述車輛的前部幾何特性。平均作用力高度是車輛變形量在25～400 mm內(nèi)作用力高度(height of force，HOF)的加權(quán)平均值。圖2為安裝在剛性壁障上的測(cè)力墻，用于測(cè)量各個(gè)單元3個(gè)方向的碰撞瞬間作用力，計(jì)算示意圖見(jiàn)圖3，計(jì)算公式如式(7)和(8)所示。

圖2　測(cè)力墻示意圖

圖3　作用力高度計(jì)算示意圖

(7)

(8)

2模型的驗(yàn)證與分析

2.1模型的驗(yàn)證

本文應(yīng)用由美國(guó)碰撞分析中心(NCAC)公布在網(wǎng)上的Explorer和Neon模型進(jìn)行SUV與轎車的100%正面碰撞相容性研究。這兩款車的整車有限元模型的建立及驗(yàn)證由NHTSA和NCAC共同完成[9]，并根據(jù)C-NCAP100%正面碰撞試驗(yàn)選擇參數(shù)和設(shè)置條件，即兩車的初速度都為50 km/h，速度方向相反，如圖4所示。

圖4　Explorer與Neon的正面碰撞模型

在碰撞過(guò)程中，動(dòng)能轉(zhuǎn)化為內(nèi)能，沒(méi)有任何位置發(fā)生過(guò)突變，總能量大小維持平穩(wěn)，沙漏能正常，符合要求，因此可對(duì)該碰撞模型進(jìn)行仿真分析。

2.2仿真分析

在仿真中，整車變形吸能可以反映碰撞車輛的變形情況。乘員艙加速度及前圍板侵入量成為仿真中衡量碰撞性能及對(duì)乘員保護(hù)效果的主要指標(biāo)[10]。構(gòu)造了幾組不同的理想化模型，以這3個(gè)參數(shù)來(lái)分析車輛質(zhì)量、前部剛度和幾何結(jié)構(gòu)對(duì)100%正面碰撞相容性的影響。

1) 車輛質(zhì)量

為驗(yàn)證車輛質(zhì)量對(duì)碰撞相容性的影響，分別將neon車型和explorer車型的整車質(zhì)量增加300 kg，并與原碰撞模型進(jìn)行對(duì)比。模型1中explorer車型質(zhì)量不變，neon車型質(zhì)量增加300 kg；模型2中explorer車型質(zhì)量增加300kg，neon車型質(zhì)量不變。比較結(jié)果見(jiàn)表1。

從表1可以看出:一方面由于質(zhì)量增加，使得初始動(dòng)能增加，則整車變形加劇(如圖5所示)，整車變形能增加，同時(shí)傳遞至乘員艙的載荷增大使前圍板關(guān)注點(diǎn)最大侵入量也增加；另一方面，Neon質(zhì)量增加降低了Explorer與Neon的質(zhì)量比，從而降低了對(duì)Neon乘員的沖擊，同時(shí)增加了對(duì)Explorer 乘員沖擊，使得Neon乘員艙加速度降低，而Explorer乘員艙加速度增加，但不明顯；增加Explorer的質(zhì)量，則增加了與Neon的質(zhì)量比，對(duì)兩車碰撞時(shí)的乘員沖擊剛好相反。因此，增加轎車質(zhì)量可以降低SUV對(duì)其的沖擊性。降低整個(gè)碰撞模型的質(zhì)量可以減輕整車變形，從而降低前圍板關(guān)鍵點(diǎn)最大侵入量，有利于提高碰撞相容性。

圖5　整車碰撞變形

2) 前部剛度

兩組具有不同前部剛度的模型分別為模型3 和模型4，以驗(yàn)證其對(duì)碰撞相容性的影響。通過(guò)調(diào)節(jié)Explorer前縱梁的材料厚度來(lái)實(shí)現(xiàn)變剛度，分別減少0.5 mm 和增加 0.5 mm的厚度。仿真結(jié)果見(jiàn)表2。

不難發(fā)現(xiàn)，調(diào)節(jié)車輛前部剛度能調(diào)節(jié)碰撞過(guò)程中變形吸能的分配。降低Explorer的前部剛度，使其前縱梁變形增大(見(jiàn)圖6)，從而調(diào)節(jié)碰撞能量的分配，降低了Explorer與Neon的變形吸能比值，同時(shí)降低了Neon的最大加速度和前圍板關(guān)鍵點(diǎn)最大侵入量，從而提高了碰撞相容性。增大Explorer的前部剛度則效果相反。因此，降低SUV前部剛度可以提高碰撞相容性。

圖6　Explorer前縱梁變形

3) 幾何特性

改變車輛模型地面高度可以調(diào)整其平均作用力高度(AHOF400)，從而驗(yàn)證幾何特性對(duì)碰撞相容性的影響。提高Explorer地面高度50 mm以增大兩車AHOF400差值，由此建立模型5。降低Explorer地面高度50 mm以減小AHOF400差值，由此建立模型6。仿真結(jié)果見(jiàn)表3。

表2　不同前部剛度仿真結(jié)果對(duì)比

表3　不同AHOF400值的仿真結(jié)果對(duì)比

由表3可以發(fā)現(xiàn)：AHOF400值的調(diào)節(jié)改變了碰撞接觸的位置，但不會(huì)明顯影響整車碰撞能量的分配，從而對(duì)整車變形吸能的影響不大，但是對(duì)轎車的最大加速度和入侵量影響較大。增大兩車AHOF400差值會(huì)導(dǎo)致轎車下鉆，如圖7所示，使得轎車車身結(jié)構(gòu)不能很好地發(fā)揮吸能作用，從而增大了乘員的沖擊加速度和前圍板的侵入量，導(dǎo)致碰撞相容性降低。相反，降低碰撞車輛的AHOF400差值，能使車輛前部結(jié)構(gòu)更好地發(fā)揮吸能作用，從而提高碰撞相容性。所以，改變車輛的幾何特性可以影響碰撞相容性，降低AHOF400差值可以提高碰撞相容性。

圖7　轎車下鉆

3碰撞相容性改進(jìn)

由于質(zhì)量與汽車自身特性相關(guān)，難以有較大改變，所以主要從前部剛度和幾何特性進(jìn)行改進(jìn)。根據(jù)當(dāng)前汽車輕量化、低能、低排放的總體要求，并考慮到車輛自身安全性，提出以下符合實(shí)際的相容性改進(jìn)方案：

1) 為了提高相容性，應(yīng)提高質(zhì)量較小車輛的前部剛度，降低質(zhì)量較大車輛的前部剛度[11]，本文研究結(jié)果也證明了這一觀點(diǎn)。降低SUV前縱梁0.5 mm厚度以降低對(duì)轎車的攻擊性，同時(shí)增加轎車前保險(xiǎn)杠的厚度0.2 mm及材料強(qiáng)度70 MPa以提高轎車變形吸能能力。

2) 為了降低由于結(jié)構(gòu)上的錯(cuò)位導(dǎo)致的轎車前縱梁的不規(guī)則變形，可以增加、改進(jìn)前縱梁加強(qiáng)件。本文根據(jù)Neon前縱梁變形情況改進(jìn)加強(qiáng)板，如圖8所示。

3) 降低SUV前縱梁高度以降低其AHOF400值，從而使得兩車前部結(jié)構(gòu)更好地發(fā)揮吸能作用。以Explorer前縱梁無(wú)安裝部件處為縱向起始拐點(diǎn)，使其產(chǎn)生一定的下傾角度從而降低縱梁前端高度10 mm，見(jiàn)圖9。

圖8　Neon前縱梁加強(qiáng)件

圖9　Explorer縱梁改進(jìn)

4) 為了增加兩車的主要吸能部件接觸面積，可加寬前保險(xiǎn)杠的豎直方向?qū)挾?。根?jù)Explorer的空間結(jié)構(gòu)要求豎直加寬其保險(xiǎn)杠，由86 mm加寬至120 mm，見(jiàn)圖10。

4改進(jìn)前后的對(duì)比分析

對(duì)上述改進(jìn)后的碰撞模型進(jìn)行計(jì)算，將計(jì)算結(jié)果文件圖形化并與改進(jìn)前進(jìn)行對(duì)比。圖11、12分析結(jié)果表明：改進(jìn)后兩車的能量分配明顯改善，使得分配到 Neon 的能量減少，從而減少了整車變形。

圖10　Explorer前保險(xiǎn)杠改進(jìn)

圖11　整車變形吸能曲線

圖12 整車變形

從圖13可以看出：改進(jìn)后Neon的前圍板關(guān)鍵點(diǎn)侵入量明顯降低，從而增大了乘員生存空間；雖然Explorer前圍板關(guān)鍵點(diǎn)侵入量增加，但增加值較小且自身乘員空間較大，所以不會(huì)明顯影響其乘員生存空間。圖14為乘員艙加速度曲線，可以發(fā)現(xiàn)：改進(jìn)后Neon加速度明顯降低，從而減輕了對(duì)乘員的沖擊；而Explorer加速度也有所降低且平緩，有利于對(duì)乘員的保護(hù)。

圖13　前圍板關(guān)鍵點(diǎn)侵入量曲線

圖14　加速度曲線

綜上，改進(jìn)后Explorer對(duì)Neon乘員的沖擊明顯降低，同時(shí)提高了Neon乘員的生存空間，對(duì)Explorer 乘員安全性影響較低，從而提高了碰撞相容性。

5自身安全性比較

改進(jìn)后的車輛對(duì)自身安全性不能有較大的影響[12]。根據(jù)C-NCAP碰撞法規(guī)要求的速度進(jìn)行整車與剛性壁障的正面碰撞仿真，比較改進(jìn)前后前圍板關(guān)鍵點(diǎn)侵入量和加速度值(結(jié)果見(jiàn)表4)，以驗(yàn)證車輛自身安全性。

表4　改進(jìn)前后前圍板侵入量和加速度對(duì)比

從表4可以看出:改進(jìn)后Neon的最大加速度和前圍板關(guān)鍵點(diǎn)侵入量都有所降低，有利于提高乘員的安全性。Explorer的加速度增加了2.3g,可以通過(guò)系統(tǒng)匹配進(jìn)行調(diào)節(jié)；同時(shí)其前圍板關(guān)鍵點(diǎn)侵入量增加10.3 mm，但Explorer的乘員艙空間較大，不會(huì)明顯影響乘員安全?？傊?，改進(jìn)后的Neon和Explorer不會(huì)明顯降低其自身安全性。

6結(jié)束語(yǔ)

SUV與轎車的保有量日益增大，對(duì)其碰撞相容性的研究具有十分重要的意義。本文闡述了影響碰撞相容性的3個(gè)因素：車輛質(zhì)量、前部剛度和幾何特性，結(jié)合某SUV和轎車碰撞的仿真驗(yàn)證了這3個(gè)因素對(duì)100%正面碰撞相容性的影響，并根據(jù)前部剛度和幾何特性提出改進(jìn)方案。改進(jìn)后的方案明顯降低了對(duì)轎車乘員的沖擊并增大了乘員生存空間，同時(shí)不會(huì)明顯降低SUV乘員安全性，從而提高了100%正面碰撞相容性。本文還進(jìn)行了改進(jìn)前后車輛自身安全性比較。結(jié)果表明：改進(jìn)后的車輛不會(huì)明顯降低其自身安全性。

本文主要針對(duì)100%正面碰撞進(jìn)行相容性的研究，然而在實(shí)際交通事故中不同重疊率的碰撞相容性所得到的結(jié)果有所不同，需要做更多的研究來(lái)比較全部的碰撞相容性。另外，實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)是研究相容性的重要依據(jù)，但由于資金等原因在國(guó)內(nèi)很少進(jìn)行相關(guān)實(shí)驗(yàn)，從而使相容性研究進(jìn)展緩慢。

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(責(zé)任編輯劉舸)

Research on Compatibility of Frontal Crash Between SUV to Sedan

HU Yuan-zhi1, HUANG Jie1, LIU Xi1, CHU Jian-hong2, TAN Yun-fei2

(1.Key Laboratory of Advanced Manufacturing Technology for Automobile Parts,Ministry of Education, School of Automotive Engineering, Chongqing University of Technology,Chongqing 400054, China; 2.Taihang Changqing Automotive Safety Equipment(Suzhou)Co., Ltd., Suzhou 215131, China)

Abstract:This paper briefly described the influence of three factors: mass, front stiffness and geometric characteristics of a vehicle on crash compatibility, and a simulation for a certain urban utility vehicles (SUV) and head-on collision of a certain passenger car was used to verify the influence of these three factors for 100% frontal crash compatibility. Then a optimization was performed based on front stiffness and geometric properties, which reduced the aggressivity of SUV to car and improved the car occupant living space, and enhanced the frontal crash compatibility of the two vehicles. At the same time, the results of the simulation of the vehicle itself to the rigid wall collision show that improvement of the two vehicles will not significantly reduce its own security in order to improve the compatibility.

Key words：frontal crash compatibility; vehicle mass; frontal stiffness; geometry characteristic

中圖分類號(hào)：U461.91

文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 1674-8425(2016)03-0001-08

doi:10.3969/j.issn.1674-8425(z).2016.03.001

作者簡(jiǎn)介：胡遠(yuǎn)志(1977—)， 男， 博士， 教授， 主要從事汽車主被動(dòng)安全、CAE技術(shù)和耐久可靠性技術(shù)研究；通訊作者 劉西(1977—)，女，博士，副教授， 主要從事汽車主被動(dòng)安全、人機(jī)工程研究。

基金項(xiàng)目：2013年重慶高校創(chuàng)新團(tuán)隊(duì)建設(shè)計(jì)劃資助項(xiàng)目(KJTD201319)

收稿日期：2015-11-29

引用格式：胡遠(yuǎn)志，黃杰，劉西，等.SUV與轎車正面碰撞相容性研究[J].重慶理工大學(xué)學(xué)報(bào)(自然科學(xué))，2016(3):1-8.

Citation format：HU Yuan-zhi, HUANG Jie, LIU Xi, et al.Research on Compatibility of Frontal Crash Between SUV to Sedan[J].Journal of Chongqing University of Technology(Natural Science)，2016(3):1-8.