側(cè)面碰撞B柱變形模式對乘員損傷的分析

周 洋，顏伏伍，胡遠(yuǎn)志

(1.重慶理工大學(xué) 汽車零部件先進(jìn)制造技術(shù)教育部重點實驗室， 重慶 400054；2.東風(fēng)小康汽車有限公司, 重慶 400033)

由于車輛側(cè)圍變形空間小，幾乎沒有緩沖空間來保證車內(nèi)乘員的生存空間，因此側(cè)面碰撞經(jīng)常導(dǎo)致車中乘員受到相比正面碰撞更為嚴(yán)重的傷害[1]。而側(cè)面碰撞中影響乘員安全的主要因素有車輛側(cè)面結(jié)構(gòu)的侵入速度、侵入量、侵入形態(tài)、車門內(nèi)飾系統(tǒng)的剛度、側(cè)面約束系統(tǒng)(氣囊和氣簾)以及乘員座椅等[2]。國內(nèi)外眾多學(xué)者[3-6]針對側(cè)面碰撞從側(cè)圍結(jié)構(gòu)、材料剛度等方面結(jié)合輕量化設(shè)計做了深入的研究。

而B柱作為重要的側(cè)面結(jié)構(gòu)，其變形模式與乘員的損傷有著直接的關(guān)系[7]。B柱內(nèi)部的加強(qiáng)部分剛度過高，會導(dǎo)致較差的能量吸收效率；但若其剛度過低，則會導(dǎo)致B柱變形過大，對車內(nèi)乘員傷害更大[8]。因此，在車身設(shè)計時兼顧側(cè)面碰撞乘員損傷、控制合理的B柱的變形模式已成為了當(dāng)今的研究熱點，但目前國內(nèi)的研究中還較缺乏從更一般意義上分析B柱變形模式與乘員損傷的關(guān)系。

本文基于C-NCAP側(cè)面碰撞實驗中已完成對標(biāo)的無氣囊有限元仿真實驗結(jié)果，建立多組多剛體與有限元混合模型，并對計算結(jié)果進(jìn)行總結(jié)分析。結(jié)合多剛體(MB) 動力學(xué)理論和顯式動態(tài)有限元(FE)理論知識以及動力學(xué)響應(yīng)分析方法，在多組仿真結(jié)果的基礎(chǔ)上，提出側(cè)碰中B柱變形模式與乘員損傷的一般規(guī)律性關(guān)系。

1 側(cè)碰模型建立及參數(shù)水平選取

汽車整車側(cè)面碰撞安全性取決于車身中一些關(guān)鍵部件的結(jié)構(gòu)、強(qiáng)度，其中B柱的抗彎曲沖擊能力對整車側(cè)面碰撞安全性有決定性的影響[9]，因此，本文設(shè)置了B柱不同抗彎曲沖擊能力下的不同變形模式，通過仿真分析對其展開規(guī)律性研究。

本文運用概念設(shè)計方法[10]，將簡化的B柱和車門以及假人作為最基本的計算模型，在B柱及車門內(nèi)飾與乘員接觸的主要位置建立多剛體，以旋轉(zhuǎn)平移鉸實現(xiàn)多剛體的連接和運動。然后在此簡化模型的基礎(chǔ)上，將提取的典型的B柱侵入位移曲線加載到B柱5個關(guān)鍵部位上(如圖1)，最后在MADYMO軟件中計算獲得結(jié)果，通過對結(jié)果中假人損傷的相對比較，得出B柱變形模式和假人損傷之間的一般關(guān)系的結(jié)論。圖1中各點的坐標(biāo)見表1。

圖1 B柱5個關(guān)鍵部位距假人H點的Z向距離

位置Z軸坐標(biāo)/mm距H點Z向距離/mmA點858498B點710350C點563203D點3688E點190-170H點360—

由于側(cè)面碰撞時Y方向是主要方向，能直接反映出車體結(jié)構(gòu)的變形和乘員的受傷情況，因此本文只考慮了Y方向的侵入量。在實際情況時，由于不同車型側(cè)圍布置、結(jié)構(gòu)強(qiáng)度、車身造型等因素的不同，B柱存在著多種變形模式，但其中3種模式是最典型的，即變形量最大的點分別出現(xiàn)在B柱上、中、下部分[3]。

如圖2所示，B柱變形時最大侵入量分別在A、C、E三個點的位置，因而可以認(rèn)為有A、B、C三種變形模式，每種變形模式最大位移點分別對應(yīng)假人的不同位置(表2)。同時，為了使計算結(jié)果更合理，根據(jù)資料設(shè)置不同的B柱侵入速度(6～10 m/s)和侵入量(230～350 mm)[11-14]，用MADYMO軟件計算，輸出肋骨壓縮量、腹部壓縮量和恥骨力3個性能指標(biāo)，對各性能指標(biāo)的均值進(jìn)行分析。

圖2 3種變形模式及其與假人部位的對應(yīng)

變形模式對應(yīng)假人部位A型上肩部B型腹部C型座椅下端

本文中使用單因素變量法，把多因素的問題變成多個單因素的問題，只改變其中的某一個因素，從而研究這個因素對事物的影響。以變形模式作單一變量，保持剩下2個因素不變，分別可得3組數(shù)據(jù)，每組25個水平，用MADYMO進(jìn)行3×25=75次仿真計算，再結(jié)合C-NCAP側(cè)面碰撞評價指標(biāo)對數(shù)據(jù)進(jìn)行分析。由于本次實驗中仿真計算后B柱均未與假人頭部接觸，故略去對假人頭部損傷指標(biāo)的分析。

表3 各主要參數(shù)因素水平

將B柱的變化參數(shù)化，并且在表4～6中列出了不同變形模式下對于不同的最大侵入量的各點的侵入貢獻(xiàn)量。

表4 A型變形模式下各點的參數(shù)化及對應(yīng)不同最大侵入量(mm)的貢獻(xiàn)量(mm)

B柱點ABCDE參數(shù)值10.920.850.760.68190190174.8161.5144.4129.2230230211.6195.5174.8156.4270270248.4229.5205.2183.6310310285.2263.5235.6210.8350350322.0297.5266.0238.0

表5 B型變形模式下各點的參數(shù)化及對應(yīng)不同最大侵入量(mm)的貢獻(xiàn)量(mm)

B柱點ABCDE參數(shù)值0.920.9610.960.92190174.8168.2190168.2174.8230211.6220.8230220.8211.6270248.4259.2270259.2248.4310285.2297.6310297.6285.2350322.0336.0350.0336.0322.0

表6 C型變形模式下各點的參數(shù)化及對應(yīng)不同最大侵入量(mm)的貢獻(xiàn)量(mm)

B柱點ABCDE參數(shù)值0.620.690.780.91190117.8131.1148.2171190230142.6158.7179.4207230270167.4186.3210.6243270310192.2213.9241.8279310350217.0241.5273.0315.0350.0

由于試驗的需要，建立了對應(yīng)不同最大侵入速度、最大侵入量的B柱簡化位移曲線，共計 5×5=25組，見圖3。

2 側(cè)碰B柱變形模式對胸部損傷分析

在C-NCAP中，假人胸部得分由胸部壓縮量進(jìn)行評價，即為胸部肋骨側(cè)向壓縮量，在側(cè)碰中對應(yīng)28 mm的高性能限值和50 mm的低性能限值，分別對應(yīng)4分和0分，處于兩者之間的測量值分別采用線性插值的方法得出相應(yīng)分?jǐn)?shù)[15]。一般要求車門及B柱在假人肋骨區(qū)域?qū)?yīng)的位置的內(nèi)飾能吸收較多能量，且盡量避免使用剛性較大的結(jié)構(gòu)[16]。

2.1 胸部壓縮量試驗結(jié)果

把各因素各水平的胸部壓縮量實驗結(jié)果數(shù)據(jù)輸入EXCEL表后得到不同變形模式下的壓縮量柱狀圖，見圖4。

由于本文主要出于研究性質(zhì)，加載條件與實際實驗相比波動范圍略大，以便能得出更一般性的規(guī)律，因此一些較小侵入速度與侵入量的組合會導(dǎo)致實驗結(jié)果中最大胸部壓縮量較小，但由不同B柱變形模式引起的變化關(guān)系及趨勢不變，故仍可用以做為研究參考。從圖4可以看出：在B型變形模式(即最大侵入的點位于B柱C點)時胸部壓縮量的峰值最大。

圖4 最大胸部壓縮量隨不同變形模式的變化

2.2 胸部壓縮量試驗結(jié)果分析

根據(jù)假人胸部損傷隨B柱變形模式的變化趨勢，選取不同水平值，進(jìn)行運動響應(yīng)分析。

經(jīng)過計算，得到相應(yīng)試驗組的假人部位的加速度-時間曲線和位移-時間曲線，整合成加速度-位移曲線，再將加速度-時間曲線積分，得到速度-時間曲線用于分析。

圖5是選取3組同樣最大侵入速度為8 m/s、最大侵入量為270 mm的實驗數(shù)據(jù)得到的位移-加速度曲線。從圖5可以看出：當(dāng)變型模式從A到B再到C轉(zhuǎn)變時，胸部加速度的峰值先增大再減小，B柱變形模式為B型時胸部加速度峰值最大；A、C型的峰值較為接近。

圖5 不同變形模式下對應(yīng)假人胸部位移的胸部加速度曲線

以A型變形模式為例分析其運動響應(yīng)。由圖6可得：在6 ms時，假人胸部與B柱內(nèi)飾發(fā)生接觸碰撞，而初始時B柱與假人(靜止?fàn)顟B(tài))存在較大的速度差，導(dǎo)致假人胸部速度迅速上升；假人胸部速度快速上升后受到來自腹部的拉力和座椅的摩擦力，加速度開始減小直至反向，速度開始下降；33.75 ms時，B柱達(dá)到最大位移，速度降為零，但胸部受到?jīng)_擊產(chǎn)生的能量還沒有消耗完，所以胸部位移量繼續(xù)上升。

分析可得： A型變形模式時最大侵入量的點對應(yīng)假人的上肩部，B柱碰撞變形后并沒有與假人發(fā)生接觸，導(dǎo)致計算結(jié)果中損傷值較??；同時，B型變形模式(即最大侵入量的點對應(yīng)假人的腹部)時，會導(dǎo)致胸部損傷值過大。因此，要減小假人的胸部損傷，應(yīng)盡量使變形最大的點出現(xiàn)在B柱下端。

圖6 A型變形模式下假人胸部和B柱相關(guān)曲線

3 側(cè)碰B柱變形模式對腹部損傷的分析

在C-NCAP中，假人腹部得分由腹部壓縮量進(jìn)行評價，即為腹部肋骨側(cè)向壓縮量，在側(cè)碰中對應(yīng)47 mm的高性能限值和65 mm的低性能限值，分別對應(yīng)4分和0分，處于兩者之間的測量值分別采用線性插值的方法得出相應(yīng)分?jǐn)?shù)[15]。一般假人腹部對應(yīng)的側(cè)圍區(qū)域設(shè)計有突出于門內(nèi)飾的扶手，易導(dǎo)致假人腹部受到嚴(yán)重撞擊[16]。

3.1 腹部壓縮量試驗結(jié)果

把各因素各水平的腹部壓縮量實驗結(jié)果數(shù)據(jù)輸入EXCEL表求均值后，得到不同變形模式下的最大腹部壓縮量柱狀圖，見圖7。可以看出：在B型變形模式(即最大侵入的點位于B柱C點)時腹部壓縮量的峰值最大。

圖7 最大腹部壓縮量隨不同變形模式的變化

3.2 腹部壓縮量試驗結(jié)果分析

選取適當(dāng)?shù)淖兞恳蛩亟M成實驗組，通過計算，得到相應(yīng)實驗組的假人腹部的加速度-時間曲線和位移-時間曲線，整合成加速度-位移曲線，再將加速度-時間曲線積分，得到速度-時間曲線，用于以下不同變形模式對假人腹部損傷的結(jié)果分析。

圖8是選取3組同樣最大侵入速度為8 m/s、最大侵入量為270 mm的實驗數(shù)據(jù)得到的位移-加速度曲線。從圖8可以看出：在B型變形模式時，腹部加速度的峰值最大，A型略小于C型時的加速度值；在B型變形模式下的腹部運動位移也要大于其他兩種變形模式。

圖8 不同變形模式下對應(yīng)假人腹部位移的腹部加速度曲線

以A型變形模式為例，分析其運動響應(yīng)。結(jié)合圖9可以看出：5 ms時假人腹部受到B柱的沖擊開始運動，由于B柱較高的速度水平而在極短的時間內(nèi)腹部速度迅速上升；之后假人腹部由于座椅摩擦力加速度值開始下降直至反向，而運動速度增速減慢直至開始降低；33.75 ms時，B柱運動達(dá)到最大位移值，速度突變?yōu)?，腹部仍有一定的能量，所以位移量持續(xù)增加，直到腹部速度降為0。

圖9 A型變形模式下假人腹部和B柱相關(guān)曲線

由上述分析可得，導(dǎo)致在B型變形模式下腹部損傷過大的原因是:假人腹部受到相比其他兩種變形模式值更大、變化幅度更大的加速度作用。

4 側(cè)碰B柱變形模式對骨盆損傷的分析

在C-NCAP中，假人骨盆得分由恥骨力進(jìn)行評價，在側(cè)碰中對應(yīng)1.7 kN的高性能限值和2.8 kN的低性能限值，分別對應(yīng)4分和0分，處于兩者之間的測量值分別采用線性插值的方法得出相應(yīng)分?jǐn)?shù)[15]。在假人骨盆與側(cè)圍對應(yīng)區(qū)域一般可增加一些泡沫或推桿來改善側(cè)面碰撞性能，該措施會增加恥骨力值，但能較大地降低胸部和腹部損傷[16]。

4.1 恥骨力試驗結(jié)果

把各因素各水平的恥骨力值實驗結(jié)果數(shù)據(jù)輸入EXCEL表求均值后，得到不同變形模式下的最大恥骨力值柱狀圖，見圖10。由圖10可以看出：在B型變形模式(即最大侵入的點位于B柱C點)時恥骨力的峰值最大。

圖10 最大恥骨力隨不同變形模式的變化

4.2 恥骨力試驗結(jié)果分析

選取適當(dāng)?shù)淖兞恳蛩亟M成實驗組，通過計算，得到相應(yīng)實驗組的假人腹部的加速度-時間曲線和位移-時間曲線，整合成加速度-位移曲線，再將加速度-時間曲線積分，得到位移-時間曲線，用于不同B柱變形模式對假人骨盆損傷的結(jié)果分析。

圖11是選取3組同樣最大侵入速度為 8 m/s、最大侵入量為270 mm的實驗數(shù)據(jù)得到的位移-加速度曲線。從圖11可以看出：在B型變形模式時，骨盆加速度的峰值最大，C型略大于A型時的加速度值；在B型變形模式下的骨盆運動位移也要大于其他兩種變形模式。

以A型變形模式為例分析其運動響應(yīng)。由圖12可得：1 ms時骨盆開始具有一個水平較低的側(cè)向運動速度，而B柱具有較高的侵入速度；3 ms時兩者發(fā)生碰撞，骨盆側(cè)向速度迅速上升，在11 ms時達(dá)到峰值；之后骨盆由于座椅的摩擦力而加速度反向，速度開始減小，骨盆位移量的增加也減緩；33.75 ms時，B柱達(dá)到最大位移值，速度突變?yōu)榱悖藭r腹部速度仍較大，骨盆受到腹部傳來的力產(chǎn)生一個速度波形，骨盆位移持續(xù)增大。

圖11 不同變形模式下對應(yīng)假人骨盆位移的骨盆加速度曲線

圖12 A型變形模式下假人骨盆和B柱相關(guān)曲線

由上分析可得：在C型變形模式下，侵入量最大的點對應(yīng)座椅下端，B柱的撞擊作用于座椅泡沫，導(dǎo)致計算結(jié)果中損傷值較小。還可以看出：在B型變形模式下，即最大侵入點對應(yīng)假人腹部時，會導(dǎo)致假人所有損傷值較大，所以要盡量避免B型變形模式。

5 結(jié)論

由仿真結(jié)果可知：當(dāng)B柱產(chǎn)生最大侵入量的點位于B柱中部位置(正對人體腹部)時，對人體胸部、腹部、骨盆均會造成較大的損傷，應(yīng)盡量避免。最大侵入量的點位于B柱下端，B柱根部向內(nèi)彎曲產(chǎn)生“鐘擺式”變形時，假人胸部、腹部、骨盆的損傷相比其他變形模式整體較小。

本文通過在簡化的約束系統(tǒng)模型加載25組極限工況下的位移曲線，得到不同B柱變形模式對假人在C-NCAP評價指標(biāo)下的損傷情況，分析總結(jié)出規(guī)律性結(jié)論，為B柱結(jié)構(gòu)剛度設(shè)計提供一定的指導(dǎo)。