基于關(guān)聯(lián)性量化的碰撞安全性能正向設(shè)計(jì)

盧靜 鄭顥 歐陽俊 王玉超 鄧淯方

（廣州汽車集團(tuán)股份有限公司汽車工程研究院，廣州 511434）

主題詞：正面碰撞 結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)指標(biāo) 乘員損傷指標(biāo) 關(guān)聯(lián)性量化 正向設(shè)計(jì)

1 前言

轎車正面碰撞中的乘員保護(hù)設(shè)計(jì)包括車體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)和乘員約束系統(tǒng)設(shè)計(jì)兩部分。目前國內(nèi)在乘員保護(hù)性能設(shè)計(jì)中先進(jìn)行車體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，再基于車體結(jié)構(gòu)進(jìn)行乘員約束系統(tǒng)設(shè)計(jì)，這種設(shè)計(jì)方法需要事先確定車體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)目標(biāo)，而該目標(biāo)的確定一般基于以往車型的開發(fā)經(jīng)驗(yàn)。當(dāng)面向美國市場(chǎng)進(jìn)行全新工況開發(fā)時(shí)，受開發(fā)經(jīng)驗(yàn)限制，沒有明確的車體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)目標(biāo)，導(dǎo)致結(jié)構(gòu)開發(fā)工作困難，存在反復(fù)修改車身結(jié)構(gòu)并進(jìn)行試驗(yàn)驗(yàn)證的問題。因此，如何建立美國標(biāo)準(zhǔn)開發(fā)工況下乘員損傷與車體結(jié)構(gòu)之間可信的量化關(guān)聯(lián)性，根據(jù)乘員損傷開發(fā)目標(biāo)制定車體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)目標(biāo)，是美標(biāo)項(xiàng)目碰撞安全性能開發(fā)的重點(diǎn)工作。

國外已有較多文獻(xiàn)基于正面碰撞工況研究了加速度波形與乘員損傷的關(guān)聯(lián)性，得到了較小的減速度峰值和較長的減速度持續(xù)時(shí)間有利于乘員保護(hù)[1-2]、增大動(dòng)態(tài)壓潰和殘余變形可減輕乘員損傷[3]、理想的減速度波形是前端峰值較高、中間較低[4-5]等結(jié)論。國內(nèi)研究也指出，提高第1階加速度峰值和降低第2階加速度峰值有利于降低乘員損傷指標(biāo)[6-9]。上述研究從趨勢(shì)上分析了加速度波形與乘員損傷的關(guān)聯(lián)性，但沒有量化碰撞減速度波形與乘員損傷之間的關(guān)系，不能具體指導(dǎo)項(xiàng)目開發(fā)工作。

本文基于美國新車評(píng)價(jià)規(guī)程（US New Car Assessment Program，US-NCAP）全正面碰撞工況研究碰撞減速度波形與乘員損傷的量化關(guān)系，首先建立標(biāo)準(zhǔn)約束系統(tǒng)仿真模型，然后確定合理的車體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)指標(biāo)和乘員損傷評(píng)價(jià)指標(biāo)，最后基于標(biāo)準(zhǔn)模型分析不同車體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)指標(biāo)下的乘員損傷指標(biāo)變化規(guī)律，得到二者之間的量化關(guān)系，并基于得到的量化關(guān)系確定某車型USNCAP全正面碰撞工況下的車體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)目標(biāo)。

2 車體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)指標(biāo)與乘員損傷設(shè)計(jì)指標(biāo)

2.1 車體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)指標(biāo)

從波形變化趨勢(shì)來看，碰撞波形常見的簡化形式有等效方形波（Equivalent Square Wave，ESW）、尖頂?shù)刃Х叫尾ǎ═ipped Equivalent Square Wave，TESW）、等效雙梯形波（Equivalent Double-Trapezoid Wave，EDTW），如圖1 所示[10]。文獻(xiàn)[10]～文獻(xiàn)[13]研究表明，基于EDTW的胸部加速度與實(shí)際波形得到的胸部加速度十分接近。

圖1 車體加速度擬合形式

對(duì)于正面100%剛性壁障碰撞，整車變形吸能區(qū)可以分為3個(gè)部分，即發(fā)動(dòng)機(jī)前端與剛性壁障之間的結(jié)構(gòu)變形D1、發(fā)動(dòng)機(jī)后端與防火墻之間的結(jié)構(gòu)變形D2a和防火墻的侵入變形D2b，如圖2所示。正面碰撞加速度-時(shí)間歷程可以分為3個(gè)主要階段：一階加速度G1（0～t2）、二階加速度G2（t2～t4）、G3（t4～t6），其中t2為發(fā)動(dòng)機(jī)與壁障接觸時(shí)刻，t4為車輛開始反彈時(shí)刻。本文中，發(fā)動(dòng)機(jī)懸置斷裂技術(shù)的應(yīng)用使得發(fā)動(dòng)機(jī)與壁障接觸后不會(huì)造成過大的加速度增加，二階加速度的增加主要由發(fā)動(dòng)機(jī)與前圍接觸造成，故本文中t2設(shè)定為發(fā)動(dòng)機(jī)與前圍接觸時(shí)刻。根據(jù)變形區(qū)域能量守恒原理，可以將實(shí)車碰撞波形簡化成物理特征明顯的兩階等效波形，包括發(fā)動(dòng)機(jī)與前圍接觸前和接觸后2 個(gè)階段，如圖3 所示，其中G1為吸能空間變形波段（D1和D2a）的第1 階等效加速度，G2為D2b變形波段的第2階等效加速度。

圖2 正面碰撞變形區(qū)

US-NCAP不考察胸部加速度，本文基于仿真分析模型采用頭部加速度、髖部加速度、左上肋骨壓縮量、右上肋骨壓縮量4個(gè)乘員損傷指標(biāo)驗(yàn)證了等效二階波形與實(shí)際波形的預(yù)測(cè)精度，結(jié)果如圖4～圖7所示?？梢园l(fā)現(xiàn)，4個(gè)乘員損傷指標(biāo)一致性較高，簡化得到的等效二階波形可以較好地代表原波形。故選擇一階加速度G1、二階加速度G2、動(dòng)態(tài)位移D作為結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的關(guān)鍵指標(biāo)進(jìn)行研究。

圖3 等效2階波形

圖4 頭部加速度

圖5 髖部加速度

圖6 左上肋骨壓縮量

圖7 右上肋骨壓縮量

2.2 乘員損傷設(shè)計(jì)指標(biāo)

US-NCAP計(jì)劃在未來的評(píng)價(jià)體系中采用一種新的考察假人——THOR假人，為應(yīng)對(duì)未來版本的US-NCAP，本文選擇THOR-M假人進(jìn)行研究，其考核指標(biāo)如表1所示，其中車型1～車型7 為美國市場(chǎng)常見車型，包括雪佛蘭、日產(chǎn)、本田、豐田、福特等品牌。由表1可知，胸部壓縮量是該工況下失分最多的指標(biāo)。同時(shí)，根據(jù)實(shí)際項(xiàng)目開發(fā)經(jīng)驗(yàn)，乘員左上肋骨和右上肋骨更容易受到安全氣囊的擠壓，故本文選擇THOR-M 假人左上肋骨和右上肋骨胸部壓縮量作為乘員損傷研究關(guān)鍵指標(biāo)進(jìn)行研究。

表1 US-NCAP未來版征求意見稿THOR-M假人評(píng)價(jià)規(guī)則

3 基于標(biāo)準(zhǔn)約束系統(tǒng)的乘員損傷優(yōu)化流程

為了更直接地研究車體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)指標(biāo)與乘員損傷之間的量化關(guān)系，提出了標(biāo)準(zhǔn)約束系統(tǒng)的概念，即固化較優(yōu)約束系統(tǒng)配置。基于固化的約束系統(tǒng)配置對(duì)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)指標(biāo)進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)，然后基于較優(yōu)的結(jié)構(gòu)波形開展約束系統(tǒng)參數(shù)的詳細(xì)優(yōu)化，新型優(yōu)化流程如圖8所示。

圖8 基于標(biāo)準(zhǔn)約束系統(tǒng)的乘員損傷優(yōu)化流程

基于新型優(yōu)化流程，首先對(duì)原型車約束系統(tǒng)配置進(jìn)行固化，如表2 所示，然后開展基于約束系統(tǒng)固化配置的原型車56FRB工況碰撞試驗(yàn)，并獲得加速度波形，如圖9 所示。然后基于原型車加速度波形建立有限元約束系統(tǒng)模型，如圖10所示，有限元約束系統(tǒng)模型對(duì)比結(jié)果如圖11所示，其精度達(dá)到85%以上，表明有限元模型可較好地反映原型車的損傷情況，建立的模型可用于后續(xù)分析。

表2 較優(yōu)的標(biāo)準(zhǔn)約束系統(tǒng)配置

圖9 原型車碰撞波形

圖10 原型車仿真模型

4 結(jié)構(gòu)指標(biāo)對(duì)損傷指標(biāo)的影響規(guī)律

將實(shí)車碰撞波形簡化成2階等效波形后，可以方便地研究波形典型特征對(duì)乘員損傷的影響，從而制定合理的結(jié)構(gòu)指標(biāo)。根據(jù)2.1節(jié)所述，將車體結(jié)構(gòu)指標(biāo)分為車體加速度（包括一階加速度G1、二階加速度G2）和動(dòng)態(tài)位移（表征整車變形量，包括吸能空間和侵入量）。根據(jù)能量守恒原則：在動(dòng)態(tài)位移D不變的情況下，改變G1時(shí)，G2會(huì)相應(yīng)變化；G1不變的情況下，改變侵入量D2，G2會(huì)相應(yīng)變化。故本文結(jié)構(gòu)研究指標(biāo)簡化為2種情況：侵入量D2不變，改變G1；G1不變，改變侵入量D2。

圖11 有限元約束系統(tǒng)模型仿真結(jié)果與試驗(yàn)結(jié)果

4.1 一階加速度G1與乘員損傷的量化關(guān)系

根據(jù)2.1 中等效二階波形的轉(zhuǎn)換方法，在侵入量不變的情況下，通過改變G1得到10 組加速度波形，即波形1～波形10，如圖12 和表3 所示。等效波形轉(zhuǎn)換后，最大動(dòng)態(tài)位移沒有發(fā)生改變，隨著G1的增加，G2不同幅度降低。

圖12 不同G1下等效波形

表3 不同G1下等效波形參數(shù)

基于前文的標(biāo)準(zhǔn)有限元約束系統(tǒng)模型，對(duì)10 組等效波形進(jìn)行仿真計(jì)算，得到不同等效波形與損傷指標(biāo)的關(guān)系如圖13、圖14 所示，可以發(fā)現(xiàn)：第38 ms 前，僅在安全帶作用下，胸部壓縮量隨著G1的提高而增加；第38 ms 起，氣囊與胸部接觸，胸部壓縮量開始降低，隨后，在安全帶和安全氣囊的綜合作用下，胸部壓縮量隨G1的提高呈現(xiàn)降低的趨勢(shì)；在第63～70 ms，轉(zhuǎn)向管柱完成潰縮，胸部壓縮量呈現(xiàn)降低趨勢(shì)。對(duì)胸部壓縮量變化的原因進(jìn)行分析可知，其變化主要可以分為3 個(gè)階段：初始時(shí)刻到氣囊與胸部接觸時(shí)（階段1）；氣囊與胸部接觸時(shí)到轉(zhuǎn)向管柱開始潰縮（階段2）；轉(zhuǎn)向管柱潰縮時(shí)到碰撞結(jié)束（階段3）。階段1 直接受G1影響，約束系統(tǒng)影響因素單一；階段2 直接受G2影響，約束系統(tǒng)影響因素單一；階段3 車體開始反彈，轉(zhuǎn)向管柱開始潰縮，約束系統(tǒng)影響因素復(fù)雜。故階段2 胸部壓縮量變化情況是車體加速度的最直接反映。從圖13 可以發(fā)現(xiàn)，第63 ms 時(shí)刻，左上肋骨胸部壓縮量變化規(guī)律明顯，當(dāng)G1≤22g時(shí)，其對(duì)胸部壓縮量影響顯著，G1每增加1g，左上肋骨胸部壓縮量降低約2 mm，當(dāng)G1＞22g時(shí)，其對(duì)胸部壓縮量影響較小。

圖13 左上胸部壓縮量

圖14 右上胸部壓縮量

按照上述方法對(duì)第64 ms 時(shí)刻右上肋骨胸部壓縮量進(jìn)行分析，結(jié)果與G1對(duì)左上肋骨胸部壓縮量的影響相同。故G1較優(yōu)值設(shè)定為22g。

4.2 侵入量D2與乘員損傷的量化關(guān)系

根據(jù)2.1 節(jié)中等效2 階波形的轉(zhuǎn)換方法，在G1不變的情況下，通過改變D2，得到5 組加速度波形，即波形11～波形15，如圖15 和表4 所示。等效波形轉(zhuǎn)換后，G1沒有發(fā)生改變，隨著D2的增加，G2不同幅度降低。

圖15 不同侵入量D2下的等效波形

表4 不同侵入量D2等效波形參數(shù)

基于前文的標(biāo)準(zhǔn)有限元約束系統(tǒng)模型，對(duì)5組等效波形進(jìn)行仿真計(jì)算，得到不同等效波形與損傷指標(biāo)的關(guān)系如圖16、圖17所示。按照4.1節(jié)中所述方法分析左上胸部和右上胸部壓縮量，可以發(fā)現(xiàn)同樣規(guī)律：第64 ms時(shí)刻（轉(zhuǎn)向管柱潰縮時(shí)刻），侵入量D每增加10 mm，胸部壓縮量降低約1 mm。

圖16 左上胸部壓縮量

圖17 右上胸部壓縮量

5 基于量化關(guān)系的乘員損傷優(yōu)化

5.1 基于量化關(guān)系的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)優(yōu)化

為了驗(yàn)證所得量化關(guān)聯(lián)關(guān)系的準(zhǔn)確性，在某車型的開發(fā)過程中進(jìn)行了驗(yàn)證工作。某車型基于標(biāo)準(zhǔn)配置約束系統(tǒng)仿真模型預(yù)測(cè)胸部壓縮量最大值為53.4 mm，出現(xiàn)在右上肋骨位置，不滿足胸部壓縮量49 mm的開發(fā)目標(biāo)。根據(jù)車體結(jié)構(gòu)實(shí)際情況提出了G1提高2g和D增加10 mm的優(yōu)化方案，優(yōu)化前、后波形對(duì)比結(jié)果如圖18所示。分別將G1和D優(yōu)化后的結(jié)構(gòu)波形輸入標(biāo)準(zhǔn)約束系統(tǒng)有限元模型進(jìn)行計(jì)算，胸部壓縮量對(duì)比如圖19所示，量化關(guān)系預(yù)測(cè)精度如表5所示。

圖18 結(jié)構(gòu)指標(biāo)對(duì)比

5.2 基于較優(yōu)車體結(jié)構(gòu)的約束系統(tǒng)優(yōu)化

5.1 節(jié)中通過量化關(guān)系對(duì)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)指標(biāo)直接進(jìn)行了優(yōu)化，胸部壓縮量降低了5.1 mm，從圖19 可以看出，在第70 ms 后，胸部壓縮量再次上升并形成峰值，該處加速度主要受約束系統(tǒng)影響，故按照前文優(yōu)化流程，基于較優(yōu)車體結(jié)構(gòu)進(jìn)行約束系統(tǒng)參數(shù)優(yōu)化。根據(jù)優(yōu)化經(jīng)驗(yàn)，提出采用雙級(jí)限力安全帶優(yōu)化第70 ms 后的胸部壓縮量，優(yōu)化結(jié)果如圖20、圖21所示，在第70 ms時(shí)刻降低安全帶限力等級(jí)，胸部壓縮量出現(xiàn)明顯降低。

圖19 乘員損傷對(duì)比

表5 量化關(guān)系預(yù)測(cè)精度

圖20 雙級(jí)限力安全帶作用下乘員損傷變化

圖21 雙級(jí)限力安全帶限力特性對(duì)比

6 結(jié)束語

本文建立了標(biāo)準(zhǔn)約束系統(tǒng)仿真模型，以一階加速度G1、二階加速度G2、動(dòng)態(tài)位移D為車體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)指標(biāo)，胸部壓縮量為乘員損傷指標(biāo)，分析獲得了不同結(jié)構(gòu)下乘員損傷指標(biāo)變化規(guī)律：D不變的情況下，當(dāng)G1≤22g時(shí)，G1每增加1g，胸部壓縮量約降低2 mm，當(dāng)G1＞22g時(shí)，其對(duì)胸部壓縮量影響較??；G1不變時(shí)，D每增加10 mm，胸部壓縮量約降低1 mm。以上述量化關(guān)系預(yù)測(cè)為基準(zhǔn)，在某車型胸部壓縮量優(yōu)化過程中對(duì)量化關(guān)系進(jìn)行了驗(yàn)證，結(jié)果表明，該量化關(guān)系預(yù)測(cè)精度為98%。

基于標(biāo)準(zhǔn)約束系統(tǒng)模型的車體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)指標(biāo)和乘員損傷指標(biāo)之間量化關(guān)系明確后，可快速根據(jù)乘員保護(hù)目標(biāo)設(shè)定及優(yōu)化結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)目標(biāo)，且有較高精度。

本文局限于定前懸下的車體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)關(guān)鍵指標(biāo)研究，改變前懸長度的車體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)指標(biāo)研究是下一步的重點(diǎn)工作。