一體式側(cè)面柱碰撞減速臺車研究

商恩義，李月明，習(xí)波波，蔣守國

（315336 浙江省 寧波市 浙江省汽車安全技術(shù)研究重點實驗室，吉利汽車研究院（寧波）有限公司）

0 引言

2020 版歐洲新車評價規(guī)程（European New Car Assessment Program,Euro NCAP）[1]和2021版中國新車評價規(guī)程（China New Car Assessment Program,C-NCAP）[2]中，均指定有側(cè)面柱碰撞試驗。與移動壁側(cè)面碰撞試驗相比，側(cè)面柱碰撞試驗車體受力更加集中，車門碰撞位置侵入速度更快、侵入量更大，增加了車身側(cè)面結(jié)構(gòu)和側(cè)面約束系統(tǒng)開發(fā)難度。為提前識別車身側(cè)面設(shè)計中存在的風(fēng)險，及減少優(yōu)化側(cè)面約束系統(tǒng)過程中實車碰撞試驗次數(shù)，一些汽車主機廠和零部件供應(yīng)商試驗室開始開發(fā)側(cè)面柱碰撞臺車試驗?zāi)芰?。當前，伍騰飛[3]等基于加速臺車試驗系統(tǒng)開發(fā)了一種簡易的柱碰撞臺車試驗方法，即將柱壁障固定在臺車上，并將其兩側(cè)與經(jīng)過簡化的車門通過鉸鏈連接。在臺車被加速后，利用柱子前沖撞向座椅及乘員，柱壁障兩側(cè)簡化車門繞著柱子向后轉(zhuǎn)動，來模擬實車側(cè)面柱碰撞過程中車門凹陷變形侵入過程。另外，AUTOLIV 公司開發(fā)了側(cè)面柱碰撞減速臺車試驗系統(tǒng)，其包含兩部分：一部分是試驗中固定在剛性碰撞壁上的側(cè)面柱壁障和復(fù)現(xiàn)實車減速過程的吸能機構(gòu)；另一部分是臺車及安裝在其上的模擬碰撞側(cè)車門和座椅結(jié)構(gòu)。無論加速型還是減速型，當前的側(cè)面柱碰撞臺車試驗系統(tǒng)普遍結(jié)構(gòu)復(fù)雜、操作困難，而且可調(diào)節(jié)點少，不利于精確復(fù)現(xiàn)實車碰撞試驗結(jié)果。

1 側(cè)面柱碰撞試驗結(jié)果分析

建立車身坐標系：x 向為前后方向，向前為正；y 向為左右方向，向右為正；z 向為上下方向，向下為正[4]。C-NCAP 中指定的側(cè)面柱碰撞試驗要求車輛駕駛員側(cè)與剛性柱發(fā)生碰撞。平行于車輛碰撞速度矢量的垂直面與車輛縱向中心線之間應(yīng)形成75°±3°的碰撞角，即車輛x 向與軌道之間成75°角。前排駕駛員位置放置一個WorldSID 50th 假人，剛性柱表面中心線應(yīng)對準假人頭部質(zhì)心，且在通過假人頭部質(zhì)心與車輛運動方向垂直的平面內(nèi)。車輛碰撞速度為 32± 0.5 km/h。試驗中，采集假人頭部線性加速度、上頸部力和力矩、肩部關(guān)節(jié)力和肩部肋骨位移、胸部肋骨位移（上、中、下）、腹部上肋骨和下肋骨位移、腰椎T12 加速度、骨盆加速度和骨盆恥骨力、股骨力，通過上述部位測量結(jié)果，評價人員受傷害情況。

開發(fā)側(cè)面柱碰撞減速臺車（Side Impact Pole Deceleration Sled,SIPS），應(yīng)全面考慮上述試驗條件，并能根據(jù)要求全部或部分地復(fù)現(xiàn)假人傷害，因此SIPS 應(yīng)盡能模擬實車試驗中車體減速過程、車門變形狀態(tài)及侵入速度。

1.1 車體減速過程復(fù)現(xiàn)

統(tǒng)計分析12 款車側(cè)面柱碰撞試驗中假人傷害情況，在碰撞進行至80 ms 時，假人最大傷害均發(fā)生完成。錄像分析相應(yīng)12 款車碰撞前80 ms車體狀態(tài)，如圖1 所示。碰撞80 ms 時刻與0 時刻的車體狀態(tài)基本一致，碰撞角沒有發(fā)生明顯變化?；诖?，SIPS 設(shè)計中可不考慮車體旋轉(zhuǎn)，即臺車按實車試驗要求搭建門結(jié)構(gòu)、座椅結(jié)構(gòu)等工況后，只沿牽引軌道方向進行碰撞。

圖1 側(cè)面柱碰撞過程中車體狀態(tài)Fig.1 Vehicle shape during pole side impacting

實車碰撞中，碰撞前80 ms 柱壁障與車輛x軸之間成75°角，則可以將車體非碰撞側(cè)x 向和y 向合成加速度視為碰撞過程中車體運行方向的加速度，用AR 表示。參考正面臺車碰撞試驗?zāi)M實車減速過程中，臺車復(fù)現(xiàn)B 柱下x 向減速度曲線，當側(cè)面柱碰撞只沿牽引軌道方向進行時，則SIPS 復(fù)現(xiàn)AR 即可。另外，正面臺車試驗中，要求所復(fù)現(xiàn)加速度積分求得速度與實車速度偏差為±1 m/s[5]，結(jié)合臺車模擬實車主要以保證假人各部位傷害滿足對標要求為主，則確定SIPS也參照此規(guī)定執(zhí)行。

2.2 側(cè)面柱碰撞車身變形分析

按照C-NCAP 要求所進行的側(cè)面柱碰撞試驗，車身的變形情況通常如圖2 所示。碰撞點基本處于B 柱前，碰撞過程中，柱壁障帶動兩側(cè)車門及推動門檻變形侵入車體。兩車門在變形過程中，相對前車門，后車門轉(zhuǎn)動角度小。對于車內(nèi)，內(nèi)飾板后端向內(nèi)侵入并將座椅靠背向中央通道側(cè)擠壓。試驗后，座椅固定點變形情況通常如圖3所示，駕駛員座椅左后固定點位置向內(nèi)翻轉(zhuǎn)。

圖2 側(cè)面柱碰撞車體變形Fig.2 Vehicle deformation in side pole impact test

圖3 座椅固定點變形Fig.3 Deformation of seat fixing situation

2 側(cè)面柱碰撞減速臺車設(shè)計

2.1 波形復(fù)現(xiàn)方式制定

馬志雄[6]等研究表明，實車正碰減速度波形很復(fù)雜，但經(jīng)更低頻率等級CFC20 濾波可以生成雙梯形波，等效雙梯形波下，臺車試驗的假人傷害值響應(yīng)以及運動姿態(tài)與實車正碰波形下臺車試驗的假人傷害值響應(yīng)以及運動姿態(tài)的一致性非常好。參照此研究結(jié)果，將某款車用FS 代替，以FS 車為例，分析側(cè)面柱碰撞中實車的AR 曲線特點。FS 車側(cè)面柱碰撞后，CFC60 濾波AR 曲線和CFC20 濾波AR 曲線及處理后速度、速度差值曲線如圖4 所示。

圖4 FS 車側(cè)面柱碰撞減速情況Fig.4 Deceleration circumstance of FS vehicle in side pole impact test

圖4（a）中，不同濾波等級下兩條曲線差異明顯，CFC60 濾波曲線波動幅度較大，CFC20濾波曲線波動較小，近似梯形。圖4（b）中，兩條濾波等級下的速度曲線最大差值不到0.2 m/s。圖4 表明，SIPS 也可采用梯形波理論，直接復(fù)現(xiàn)實車AR 的CFC20 濾波曲線即可。

當前復(fù)現(xiàn)梯形波的減速型臺車試驗用吸能機構(gòu)，所采用變形吸能材料通常是鋼板、鋼棒、鋼管，鑒于實車AR 曲線CFC20 濾波后近似梯形，故SIPS 采用此方式復(fù)現(xiàn)實車減速過程。幾種變形材料中，鋼管吸能特性強，使用輕便，決定將某尺寸不銹鋼管作為SIPS 吸能材料。驗證所選鋼管的特性。搭建驗證試驗如圖5 所示。將3 根鋼管通過夾具固定在剛性壁障上，用重1 500 kg臺車以32 km/h 速度撞擊，試驗結(jié)果如圖6 所示。

圖5 鋼管特性驗證試驗Fig.5 Verification test of characteristics of steel tube

從圖6（a）中可以看出，鋼管潰縮變形，褶皺均勻、穩(wěn)定；從圖6（b）中可以看出，臺車在鋼管潰縮作用下產(chǎn)生的加速度曲線近似梯形，上升斜率均勻且通過鋼管長短差異化布置可調(diào)。3 根鋼管作用下臺車加速度幅值約為130 m/s2，換算成1 000 kg 臺車沖擊下一根該型號不銹鋼鋼管的作用，則該鋼管的阻尼特性為65 m/s2/根。該結(jié)果表明，所選型號不銹鋼管可作為SIPS 吸能材料，通過鋼管潰縮模擬碰撞側(cè)車身的凹陷變形。鋼管阻尼作用可通過臺車實際質(zhì)量進行換算。試驗中，鋼管根數(shù)和長短可依據(jù)所復(fù)現(xiàn)曲線的幅值和上升斜率確定。為減少柱型壁障與車門、假人碰撞過程對波形產(chǎn)生的影響，臺車整體設(shè)計應(yīng)偏重。

圖6 驗證試驗結(jié)果Fig.6 Results of verification test

對于吸能鋼管安裝形式，通過工裝安裝在正面碰撞用剛性壁障，操作復(fù)雜，故決定安裝在臺車前端，試驗中直接撞擊剛性壁障。

2.2 柱壁障方案設(shè)計

當前，行業(yè)內(nèi)所設(shè)計SIPS，其壁障與實車側(cè)面柱碰撞相同，也安裝在正面剛性壁障上，每次試驗需要進行拆裝，操作不便。另外，試驗中臺車一旦出現(xiàn)偏離，碰撞位置則出現(xiàn)偏差，該情況下對臺車上的結(jié)構(gòu)會造成損傷。結(jié)合吸管鋼管安裝在臺車上，確定將柱壁障簡化后也安裝在臺車上，以保證側(cè)面柱碰撞臺車試驗系統(tǒng)一體式結(jié)構(gòu)。具體安裝方式如圖7 所示。柱形頭靠近門板側(cè)，碰撞側(cè)安裝碰撞板，兩者之間通過穿過線性軸承的光軸連接，而且為了碰撞過程穩(wěn)定，將柱壁障結(jié)構(gòu)置于吸能管布局靠近中間位置。

圖7 柱壁障及吸能鋼管布置方案Fig.7 Layout plan of pole-barrier and steel tube

2.3 門結(jié)構(gòu)設(shè)計

實車側(cè)面柱碰撞過程中，兩車門凹陷變形，相對前車門，后車門變形角度小，因此如圖8（a）所示，設(shè)計車門結(jié)構(gòu)為三段式，即由3 塊鋁板構(gòu)成：前門板需要安裝內(nèi)飾板，最寬；中間鋁板模擬凹陷，最窄。如圖8（b）所示，試驗時，讓前門板與中間門板接縫處于頭部質(zhì)心與柱壁障中心所在平面，以確保碰撞過程中后車門變形相對前車門偏小。另外，為了調(diào)節(jié)前后門板侵入角度的差異，分別增加了拉桿和限位環(huán)結(jié)構(gòu)進行約束。

圖8 門結(jié)構(gòu)設(shè)計方案Fig.8 Design scheme of door structure

2.4 座椅結(jié)構(gòu)設(shè)計

實車側(cè)面柱碰撞過程中，碰撞側(cè)座椅整體向中央通道一側(cè)擠壓，且碰撞側(cè)后固定點結(jié)構(gòu)明顯向內(nèi)翻轉(zhuǎn)，因此座椅安裝基座設(shè)計成滑塊導(dǎo)軌結(jié)構(gòu)，通過碰撞中向遠端移動模擬其受擠壓變形。在座椅遠端固定一塊擋板來模擬中央通道。唐爽[7]等的研究表明，蜂窩鋁材料動態(tài)壓縮力學(xué)性能穩(wěn)定，是微調(diào)潰縮過程的很好材料，因此在座椅安裝基座與擋板之間放置蜂窩鋁來調(diào)節(jié)座椅側(cè)向移動速度。另外，將碰撞側(cè)后固定點設(shè)計成可以繞其前固定點轉(zhuǎn)動結(jié)構(gòu)，旋轉(zhuǎn)快慢通過在轉(zhuǎn)動間隙間放置蜂窩鋁進行調(diào)節(jié)，以此方式模擬碰撞中兩后固定點間距縮短情況?？紤]SIPS 將來可能會開展farside 試驗（評價側(cè)面碰撞碰撞側(cè)遠端乘員傷害），設(shè)計中預(yù)留非碰撞側(cè)座椅安裝結(jié)構(gòu)。具體設(shè)計方案如圖9 所示。

圖9 座椅結(jié)構(gòu)Fig.9 Seat structure

2.5 SIPS 總成設(shè)計

設(shè)計臺車平臺，細化各結(jié)構(gòu)設(shè)計，完成SIPS總成設(shè)計如圖10 所示。

圖10 臺車總成Fig.10 Sled assembly

2.6 方案驗證

驗證SIPS 設(shè)計方案可行性。在某車柱碰撞約束系統(tǒng)模型基礎(chǔ)上，搭建了SIPS簡易仿真模型。仿真模型如圖11 所示。臺車模型假人空間尺寸與整車柱碰撞模型一致，模型邊界條件設(shè)定為模型向右施加32 km/h 初速度，撞向剛性墻，臺架向左施加AR 加速度。

圖11 仿真模型Fig.11 CAE model

2.6.1 仿真動畫分析

將側(cè)面柱碰撞臺車仿真結(jié)果與實車側(cè)面柱碰撞仿真結(jié)果進行對比，如圖12 所示。整個碰撞模擬過程，假人運動姿態(tài)一致，座椅變形趨勢相同，只是側(cè)面安全氣囊開始階段飽滿狀態(tài)略有差異。

圖12 實車與臺車仿真動畫對比Fig.12 Vehicle comparison with sled CAE animation

2.6.2 仿真結(jié)果分析

在側(cè)面柱碰撞試驗中，通常比較關(guān)注假人肩部、胸部和腹部的壓縮變形量，而該3 個部位數(shù)據(jù)正好反映了整個假人軀干側(cè)面受撞擊情況，從這些方面比較臺車仿真與實車仿真結(jié)果擬合程度，可評判臺車設(shè)計方案的可行性。實車與臺車仿真中假人肩部、胸部、腹部壓縮變形量對比如圖13 所示。變形產(chǎn)生的起始時刻一致，變形量幅值均接近，只是碰撞前期臺車中各壓縮變形量上升過程偏弱。

圖13 實車試驗結(jié)果（v）與臺車仿真結(jié)果（s）對比Fig.13 Vehicle test result (v) comparison with sled CAE result (s)

2.6.3 仿真結(jié)果綜合分析

仿真數(shù)據(jù)上，碰撞前期臺車中壓縮變形量上升過程偏弱，與動畫中側(cè)氣囊開始階段的飽滿狀態(tài)差異相對應(yīng)，通過局部調(diào)節(jié)臺車結(jié)構(gòu)或參數(shù)設(shè)置或加速度曲線應(yīng)可調(diào)整，但可確認SIPS 主體設(shè)計方案可行，可加工制作。

3 側(cè)面柱碰撞減速臺車應(yīng)用驗證

SIPS 加工完成后，對結(jié)構(gòu)強度等進行了系統(tǒng)調(diào)試，并結(jié)合正在進行約束系統(tǒng)開發(fā)的FS 車，進行了功能驗證。

3.1 SIPS 加速度曲線標定

正式驗證試驗前，根據(jù)實車AR 曲線及吸能鋼管特性、臺車總質(zhì)量，確定了鋼管的數(shù)量、長度，并如圖14（a）所示。在臺車前端環(huán)繞安裝。另外，實車碰撞中外門板變形過程對車體并不產(chǎn)生減速過程，但會對側(cè)氣囊、預(yù)緊式安全帶作用時機產(chǎn)生影響，故在柱形頭與鋁門板之間增加蜂窩鋁塊復(fù)現(xiàn)這一過程。一切準備就緒后進行了標定波形試驗。試驗結(jié)果評估如圖14（b）和圖14（c）所示。圖14（b）中，80 ms 之前，臺車加速度曲線與實車CFC20 濾波加速度曲線接近；圖14(c)中，兩條速度曲線基本吻合，差值在±0.2 m/s 之內(nèi)，完全滿足試驗要求。

圖14 臺車加速度曲線符合性分析Fig.14 Conformity analysis of sled acceleration

3.2 假人損傷曲線符合度驗證

標定試驗通過后，進行了假人傷害驗證試驗。驗證試驗前，先制定了假人傷害評估方案。

3.2.1 評估方案制定

利用CORA 軟件評價假人損傷曲線符合度。CORA（CORelation and Analysis）是一款由PDB（Partnership for Dummy Technology and Biomechanics）開發(fā)用于客觀評價曲線一致性的軟件。在側(cè)面柱碰撞臺車評價中，確定主要針對WorldSID 假人肩部、胸部、腹部及骨盆等重點關(guān)注區(qū)域的10 個關(guān)鍵性指標進行評估，要求CORA 總評分達到0.8 以上為滿足要求。各個信號的評估方法及所占權(quán)重如表1 所示。

表1 假人損傷評價指標Tab.1 Evaluation index of dummy injury

3.2.2 假人損傷曲線符合度評估

將當前FS 側(cè)面柱碰撞試驗結(jié)果作為驗證目標進行驗證試驗，驗證試驗共進行了4 次。初次驗證試驗中，在柱形頭與門板之間、座椅安裝基座與擋板之間、座椅基座轉(zhuǎn)動間隙所放置蜂窩鋁是通過分析實車試驗結(jié)果確定，拉桿的限位環(huán)位置是根據(jù)實車柱壁障后方門板變形角度確定。另外，調(diào)整假人與內(nèi)飾板間相對尺寸與實車中完全一致，吸能鋼管按標定試驗結(jié)果擺放。后續(xù)試驗依據(jù)前次碰撞試驗結(jié)果，對蜂窩鋁尺寸、拉桿限位環(huán)位置進行了適當調(diào)整。每次驗證試驗完成后，均利用CORA 軟件評價了假人損傷曲線符合度，前3 次評價結(jié)果均不理想。第4 次驗證試驗總評分為0.84，滿足評價要求。第4 次驗證試驗中，假人肩部、胸部和腹部的壓縮變形量與實車基礎(chǔ)試驗結(jié)果對比，如圖15 所示。

圖15 中，各對比曲線變化趨勢一致，只在下肋骨和腹部曲線上升前期，臺車試驗中曲線上升偏快。另外，所有對比曲線之間幅值接近，其中圖15（d）中幅值偏差最大，實車中幅值為42 mm，臺車中幅值為39 mm，偏差為3 mm，7.1%，可接受。對于幅值偏差和曲線上升過程中存在的偏差，如需要進一步的優(yōu)化，可通過調(diào)整柱形頭與門板之間、座椅基座與擋板之間蜂窩鋁厚度進行。

圖15 臺車（S）與實車（V）試驗結(jié)果對比Fig.15 Sled test results (S) comparison with vehicle test results (V)

4 結(jié)語

所設(shè)計的一體式SIPS，集吸能機構(gòu)、柱壁障機構(gòu)于臺車一體，使結(jié)構(gòu)簡單、操作方便。另外，通過門板3 段式設(shè)計并輔以拉桿約束、座椅基座滑動加旋轉(zhuǎn)設(shè)計，提升了對門板侵入狀態(tài)及座椅變形狀態(tài)的調(diào)節(jié)空間，多處蜂窩鋁的使用確保了設(shè)備的調(diào)節(jié)精度。上述特點，使該設(shè)備具有了較高的推廣價值。