基于特征參數(shù)分析的中國(guó)MPDB 工況特征波形獲取與應(yīng)用

摘要：為了表征汽車碰撞工況下具有代表性的特征波形，明確相應(yīng)的乘員損傷響應(yīng)特征，基于正面50%重疊漸近可變形移動(dòng)壁障（Mobile Progressive Deformable Barrier，MPDB）碰撞工況4種車型的波形數(shù)據(jù)，提出一種可行的特征波形處理辦法. 歸納統(tǒng)計(jì)各車型波形的特征參數(shù)分布規(guī)律，針對(duì)樣本進(jìn)行時(shí)間和加速度的歸一化特征平均處理再進(jìn)行時(shí)間縮放，保持波形形狀特征和連續(xù)性，獲得MPDB工況的特征波形. 根據(jù)動(dòng)量守恒定律，將特征波形等效為雙梯形波，以滿足臺(tái)車試驗(yàn)和仿真的應(yīng)用穩(wěn)定性需求. 通過(guò)MPDB特征波形和等效雙梯形波作用下人體模型的仿真應(yīng)用，對(duì)比分析乘員運(yùn)動(dòng)響應(yīng)與損傷，乘員損傷參數(shù)結(jié)果相差最小可至1%. 結(jié)果表明，采用歸一化特征平均方法獲得的波形時(shí)間和強(qiáng)度符合波形樣本的特征參數(shù)規(guī)律，等效雙梯形波能夠很好地捕捉特征波形作用下的乘員運(yùn)動(dòng)損傷響應(yīng).

關(guān)鍵詞：加速度；參數(shù)提??；雙梯形波；乘員損傷

中圖分類號(hào)：U461.91 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A

汽車碰撞時(shí)，車輛被撞產(chǎn)生的運(yùn)動(dòng)加速度信號(hào)經(jīng)傳感器記錄輸出，形成的加速度波形涵蓋了汽車碰撞過(guò)程中的大量信息，其重要性已經(jīng)得到了充分的研究證明［1］. 乘員安全是車輛設(shè)計(jì)時(shí)面臨的最主要挑戰(zhàn)，乘員傷害由車輛前端結(jié)構(gòu)和約束系統(tǒng)的共同作用決定，車輛結(jié)構(gòu)、約束系統(tǒng)的作用、乘員損傷三者具有密切聯(lián)系［2］.

碰撞波形取決于車輛和碰撞物體的質(zhì)量和結(jié)構(gòu)剛度等參數(shù)，以及它們?cè)谂鲎策^(guò)程中的相互作用，是車身碰撞安全性的改進(jìn)基礎(chǔ)［3-4］. 任立海等［5］以最小乘員胸部3 ms累計(jì)合成加速度為目標(biāo)，車體動(dòng)態(tài)變形量為約束，得到初始高、中期降低，后期升高的“三階形”最優(yōu)波形. 波形特性可用于分析給定車輛的耐撞性.Teng等［6］使用不同保險(xiǎn)杠和橫梁設(shè)計(jì)的正碰模擬獲得的加速度波形與采用頭部損傷對(duì)耐撞性設(shè)計(jì)的評(píng)價(jià)一致，揭示了基于波形的汽車耐撞性設(shè)計(jì)的可行性. Urbina等［7］基于頭部損傷，證明了可將波形的三個(gè)恒定水平波作為設(shè)計(jì)變量來(lái)改進(jìn)汽車耐撞性的設(shè)計(jì). 碰撞場(chǎng)景模型中可以使用加速度波形作為車輛結(jié)構(gòu)影響的替代［8］，除研究車身前端結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)方法外，研究波形作用下乘員的損傷風(fēng)險(xiǎn)對(duì)于安全性評(píng)估和改進(jìn)至關(guān)重要［9-11］. 以乘員損傷研究和保護(hù)為出發(fā)點(diǎn)，加速度波形可作為設(shè)計(jì)約束系統(tǒng)的基本數(shù)據(jù)，Wang等［2］從“約束耦合”的角度提出設(shè)計(jì)以實(shí)現(xiàn)最佳的乘員保護(hù)效果. Buzeman等［12］發(fā)現(xiàn)增加死亡風(fēng)險(xiǎn)參數(shù)、降低沖擊速度及減小質(zhì)量范圍可改善正碰的安全性. 韓勇等［13］研究FMVSS213 和ECE R44臺(tái)車波形對(duì)3歲兒童損傷風(fēng)險(xiǎn)的影響，發(fā)現(xiàn)前者造成的損傷更嚴(yán)重，對(duì)兒童約束系統(tǒng)的安全性評(píng)價(jià)要求更高. Iraeus等［3］基于事故加速度波形探索波形形狀與傷害風(fēng)險(xiǎn)的關(guān)系，利用線性回歸分析胸部損傷，表明可以用速度變化量、持續(xù)時(shí)間和兩個(gè)形狀參數(shù)充分對(duì)波形進(jìn)行描述. Stigson等［14］根據(jù)正碰波形分析了沖擊嚴(yán)重程度與傷害的聯(lián)系，發(fā)現(xiàn)加速度可能比速度變化更能描述傷害風(fēng)險(xiǎn). 同樣地，Kull?gren［15］的研究表明，高速度變化量、高平均加速度或峰值加速度會(huì)導(dǎo)致更高的傷害嚴(yán)重性，可以解釋撞擊中造成傷害的風(fēng)險(xiǎn). 一些基于計(jì)算機(jī)的方法也被用于獲取加速度波形參數(shù)的影響規(guī)律，如多任務(wù)學(xué)習(xí)網(wǎng)絡(luò)［16］. 加速度波形可用于未來(lái)自動(dòng)駕駛汽車的安全評(píng)估與研究［17］. Sequeira等［18］利用碰撞波形進(jìn)行預(yù)測(cè)，生成訓(xùn)練和測(cè)試數(shù)據(jù)，H?schele等［19］利用有限元仿真預(yù)測(cè)模型進(jìn)行模擬訓(xùn)練，導(dǎo)出的通用碰撞波形可用于概念研究中的滑車試驗(yàn)與仿真.

乘員在碰撞過(guò)程中，整體行為在很大程度上可能會(huì)根據(jù)碰撞發(fā)生的方式、碰撞的重疊率發(fā)生變化［1，20-21］. 目前，大量涉及汽車碰撞波形的研究都是基于正面全寬碰撞，其他工況的研究較少，本文基于近三年的MPDB 工況中國(guó)實(shí)車碰撞試驗(yàn)的波形數(shù)據(jù)，采用特征參數(shù)對(duì)MPDB工況下的不同車型加速度波形進(jìn)行沖擊嚴(yán)重程度分析，獲得具有代表性的MPDB工況特征波形. 考慮到乘員安全性研究的成本和效率，采用臺(tái)車試驗(yàn)和虛擬仿真已成為研究乘員碰撞響應(yīng)的重要方式［22］. 為滿足臺(tái)車碰撞試驗(yàn)時(shí)加速度波形的可重復(fù)性，避免波形輸入的差異造成人體響應(yīng)和損傷測(cè)量的變化［23］，進(jìn)一步基于最大谷峰差和峰谷差的等效雙梯形波構(gòu)建方法［24］，將MPDB工況的特征波形等效為雙梯形波. 將特征波形和等效雙梯形波作為碰撞輸入進(jìn)行仿真，對(duì)比乘員的運(yùn)動(dòng)響應(yīng)和損傷情況，驗(yàn)證等效雙梯形波的合理性. 本研究將促進(jìn)MPDB工況下約束系統(tǒng)的更高更標(biāo)準(zhǔn)的安全性評(píng)價(jià)要求.