汽車車身耐撞性和碰撞相容性研究

冉滔 宋剛 謝文舉 楊冰

摘 要：車身耐撞性和碰撞相容性體現(xiàn)的是汽車的基本安全因素指標(biāo)，通過對現(xiàn)有汽車碰撞實(shí)驗(yàn)所體現(xiàn)出的耐撞性、相容性和吸能性優(yōu)化建模仿真，提高車內(nèi)自身安全裝置和提升小質(zhì)量汽車剛度、降低大質(zhì)量汽車剛度，以達(dá)到提高汽車整體安全系數(shù)的效果。

關(guān)鍵字：耐撞性;碰撞相容性;吸能性

中圖分類號：U461.9? 文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A? 文章編號：1671-7988（2019）12-34-03

Abstract： Research on crashworthiness and collision compatibility of automobile body Abstract： The crashworthiness and collision compatibility of the car body reflect the basic safety factor of the car. Through the optimization of the crashwor -thiness， compatibility and energy absorption performance of the existing car crash test， the car is improved. Internal self- safety device and improve the rigidity of small-quality car and reduce the rigidity of large-quality car to achieve the effect of improving the overall safety factor of the car.

Keywords： crashworthiness; collision compatibility; energy absorption

前言

汽車的安全指標(biāo)一般以汽車的耐碰撞性和碰撞相容性以及事故對乘客傷害程度來評判，以上指標(biāo)主要衡量的是汽車的安全性。當(dāng)車與車發(fā)生碰撞時和發(fā)生碰撞后，通過汽車車身吸能性能和汽車的自身防碰撞能力對車內(nèi)成員及對方車內(nèi)乘員的保護(hù)作用。

1 汽車碰撞類型及發(fā)生率

對于不同類型的碰撞事故對于乘客的傷害程度也有所差別，本文主要研究兩車相撞時可能存在的情況以及產(chǎn)生的危害。兩車相撞一般又可分為三種情況，正面相撞、側(cè)面相撞以及追尾事故，每種事故的發(fā)生概率和致命率如表1所示。

由表可以看出正面碰撞的事故發(fā)生率相對較低，但致命率卻比較高。雖然各類事故的發(fā)生概率隨著地域不同，時間不同，都存在一定的差異，但事故類型與致命率有著一定的對應(yīng)關(guān)系，這對于車身結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)有一定的借鑒意義。

2 汽車碰撞安全性指標(biāo)

2.1 耐撞性

汽車車身耐撞性是指汽車本身在遭受碰撞時保護(hù)自身車體和車內(nèi)人員安全的能力。汽車碰撞過程是一個動態(tài)大變形和大位移的能量損失過程，在此過程中，瞬時沖擊荷載和接觸方式影響著整車的變形和位移程度，并且整個碰撞系統(tǒng)在碰撞過程中所產(chǎn)生的幾何變形和車身材料變形都是非線性的。本文主要通過建立汽車變形過程中的LMS模型對汽車的正面碰撞過程做簡單分析。如圖1是汽車正面相碰撞的LMS模型。

由圖可以看出當(dāng)兩車相撞時，不僅僅是外部結(jié)構(gòu)的變形，對于車體內(nèi)部結(jié)構(gòu)也有很大影響，所以在進(jìn)行汽車設(shè)計(jì)時要著重考慮汽車內(nèi)部構(gòu)架的耐撞性?，F(xiàn)代的很多汽車已經(jīng)考慮到這個問題，對于汽車底盤等構(gòu)件進(jìn)行了加固保護(hù)，從汽車的材料、結(jié)構(gòu)都有了進(jìn)一步的措施。LMS模型有較好的理論基礎(chǔ)，運(yùn)行速度快，所以在運(yùn)用得當(dāng)?shù)那疤嵯?，這種模型對于汽車?yán)砟钤O(shè)計(jì)有很大的啟發(fā)作用，對于汽車整體參數(shù)的設(shè)計(jì)研究也可以作為參考。

2.2 相容性

碰撞相容性是指在兩車碰撞事故中，兩車能夠達(dá)到質(zhì)量、剛度、幾何結(jié)構(gòu)上的相容，既可以保護(hù)自身車內(nèi)乘客安全，同時也能保護(hù)對方車輛上的乘客安全。

2.2.1 影響碰撞相容性因素分析

（1）在相同的構(gòu)造和相同的剛性結(jié)構(gòu)的前提下，質(zhì)量不同的兩個車發(fā)生碰撞，質(zhì)量重的汽車會處于優(yōu)勢，相對于質(zhì)量輕的車來說，質(zhì)量重的汽車發(fā)生變形小，駕駛室遭受破壞小，因此車內(nèi)乘客所遭受的傷害較小。質(zhì)量輕的汽車受到來至質(zhì)量重的汽車的破壞大多會造成汽車嚴(yán)重變形，車內(nèi)乘員也比較危險。

（2）在已有的研究報告中可見，當(dāng)碰撞的輛汽車擁有相同的質(zhì)量和相同的速度時，汽車碰撞部位的最大變形量與車自身剛度成反比。假設(shè)大車前部剛度較大，在與小車碰撞時，即使兩車發(fā)生的碰撞剛度不大，大車對于小車的破壞也很大，小車在接觸出也會出現(xiàn)較大的變形量。

（3）對于汽車的幾何外形的設(shè)計(jì)最終最重要是汽車所能行駛的最大高度。當(dāng)行車高度不同的兩車相撞時，兩輛車的前部碰撞部位的受力結(jié)構(gòu)會產(chǎn)生縱向錯離，這對于行車高度低的車輛來說是由幾何外形原因所造成的最嚴(yán)重的碰撞情況，會使其出現(xiàn)鉆底現(xiàn)象。

2.2.2 相容性理論分析

（1）作用力平均高度影響評估

如圖2所示為作用力高度示意圖，利用作用力在車身的作用點(diǎn)所產(chǎn)生的效果用平均高度的力值來代替：

計(jì)算公式為：

在該式中F（t）表示某時間點(diǎn)時某單位作用力的合力;HOF（t）——某時間點(diǎn)的等效力F（t）作用高度，其中：

Fi表示不同時間點(diǎn)各測力單元單獨(dú)作用的碰撞力;Hi表示Fi距地面高度。

（2）作用力均衡性評估

汽車碰撞產(chǎn)生的作用力均衡評估是為了評判汽車在碰撞時局部接觸點(diǎn)所產(chǎn)生的作用力分布格局是否均衡。通過對汽車受載荷部件進(jìn)行分析，得到載荷元件載荷峰值fij和目標(biāo)載荷元件所受峰值L之間的相對變化參數(shù)來表示均衡度，關(guān)系式為：