基于等效二階梯形波特征參數(shù)的假人損傷影響研究

摘 要：基于車輛正面碰撞加速度波形簡(jiǎn)化的等效二階梯形波，本文選取獲得NHTSA五星評(píng)價(jià)的20款SUV車型，通過(guò)等效二階梯形波關(guān)鍵參數(shù)與實(shí)車碰撞加速度波形、車體最大位移及WIC的相關(guān)性分析，探討了等效二階梯形波特征參數(shù)和乘員損傷的關(guān)系，為SUV車型的碰撞動(dòng)態(tài)響應(yīng)開(kāi)發(fā)工作提供工程指導(dǎo)意義。

關(guān)鍵詞：車輛碰撞 等效二階梯形波 假人損傷 SUV車型

車輛碰撞加速度波形是車身結(jié)構(gòu)耐撞性仿真評(píng)價(jià)和乘員約束系統(tǒng)設(shè)計(jì)的重要輸入條件，其和乘員損傷具有密切的聯(lián)系[1]。在工程設(shè)計(jì)應(yīng)用中，也常將復(fù)雜的加速度波形轉(zhuǎn)化為方形波、尖頂形波、雙線形波、梯形波或等效二階梯形波，進(jìn)而分析乘員的動(dòng)態(tài)響應(yīng)[2]。相較而言，等效二階梯形特征參數(shù)更多，能更清楚地表達(dá)碰撞過(guò)程。因此，很多專家在該形波的基礎(chǔ)上開(kāi)展了研究。最早的研究可追溯至1988年，Yamanaka等人發(fā)現(xiàn)雙臺(tái)階波形中前高后低的臺(tái)階峰值有利于減小乘員損傷[3]。2008年，朱航彬通過(guò)改變等效二階波形中的特征參數(shù)，采用仿真方法探討了不同碰撞波形和乘員胸部加速度的關(guān)系[4]。2009年，馬志雄結(jié)合不同配置的正碰臺(tái)車仿真模型，開(kāi)展了波形參數(shù)和乘員傷害指標(biāo)的靈敏度分析[5]。2012年，曹立波和龍騰蛟建立正碰仿真模型分析了特征參數(shù)和乘員綜合傷害指標(biāo)的關(guān)系，推薦了波形特征參數(shù)的取值范圍[6]。2013年，王斌通過(guò)目標(biāo)車型的等效雙階波形，應(yīng)用仿真方法分析了多組車身結(jié)構(gòu)的優(yōu)化方案[7]。2021-2022年，唐洪斌基于真實(shí)碰撞數(shù)據(jù)庫(kù)分析了波形參數(shù)和碰撞星級(jí)、約束系統(tǒng)特性的聯(lián)系，并通過(guò)相關(guān)性分析方法建立了波形評(píng)價(jià)的等級(jí)方法[8-9]。

上述大多數(shù)研究通過(guò)改變某些車型的波形特征參數(shù)，采用仿真方法分析與乘員損傷的關(guān)系，并指導(dǎo)車身正碰結(jié)構(gòu)耐撞性的開(kāi)發(fā)，但研究結(jié)果是否適用于SUV車型并未明確。針對(duì)這個(gè)現(xiàn)狀，本文選取獲得NHTSA五星評(píng)價(jià)的20款SUV車型，開(kāi)展等效二階梯形波特征參數(shù)和乘員損傷的關(guān)系研究，為SUV車型的碰撞動(dòng)態(tài)響應(yīng)開(kāi)發(fā)工作提供工程指導(dǎo)意義。

1 等效二階梯形波

在車輛正面碰撞過(guò)程中，變形的主要區(qū)域?yàn)楸ｋU(xiǎn)杠、吸能盒和大梁等前端結(jié)構(gòu)，B柱之后的車身結(jié)構(gòu)變形較小。因此，通常將在車身B柱下側(cè)采集的加速度信號(hào)作為車輛的碰撞加速度信號(hào)。圖1為經(jīng)SAE CFC60濾波后的典型正面碰撞加速度波形。

將該碰撞加速度波形簡(jiǎn)化為等效二階梯形波時(shí)應(yīng)滿足如下條件：1）碰撞總能量守恒；2）動(dòng)力總成與壁障的接觸時(shí)刻相等；3）車輛碰撞的回彈時(shí)刻相等；4）各碰撞階段內(nèi)速度變化量和位移變化量相等。通過(guò)分析碰撞加速度波形和高速攝像，整車碰撞過(guò)程可劃分為三個(gè)階段：G1（0-t2）、G2（t2-t4）和G3（t4-t5）。其中，G1和G2兩個(gè)階段分別表征車體的碰撞壓潰過(guò)程，G3階段表征車輛的反彈過(guò)程，t2為動(dòng)力總成與壁障接觸時(shí)刻，t4為車輛碰撞回彈時(shí)刻，t5為碰撞結(jié)束時(shí)刻。因此，一般可采用第一、第二階等效加速度G1、G2和三個(gè)階段的轉(zhuǎn)折點(diǎn)時(shí)刻t1、t2、t3、t4、t5等7個(gè)特征參數(shù)描述等效二階梯形波，如圖2（a）所示。通過(guò)計(jì)算可獲得等效二階梯形波的特征參數(shù)，具體計(jì)算過(guò)程如下所示。

G1階段（0-t2）車體速度的變化量△V1，即梯形ABCt2的面積：

（1）

G2階段（t2-t4）車體速度的變化量△V2，即梯形CDt3t2與四邊形DEt4t3的面積之和：

（2）

G3階段（t4-t5）車體速度的變化量△V3，即三角形Et5t4的面積：

（3）

由式（1）、（2）、（3）推導(dǎo)得出：

（4）

（5）

（6）

其中，G為加速度，單位g；V為速度，單位為m/s；t為時(shí)間，單位s；t2為動(dòng)力總成與壁障接觸時(shí)刻，通過(guò)實(shí)車實(shí)際測(cè)量D2，可在位移—時(shí)間歷程曲線中可獲取動(dòng)力總成與壁障接觸時(shí)刻t2，如圖2（b）所示；然后即可在速度—時(shí)間歷程曲線中獲取t2時(shí)刻所對(duì)應(yīng)的速度Vt2；V0為碰撞初始速度，Vt4和Vt5分別為t4和t5時(shí)刻所對(duì)應(yīng)的速度，均可在速度—時(shí)間歷程曲線中獲取，如圖3（b）所示；S1和S2為等效二階梯形中AB和CD段的斜率，由碰撞加速度波形中OP段和MN段通過(guò)一階最小二乘擬合法可得到，將所獲得的參數(shù)分別代入公式（4）、（5）和（6），即可求出等效二階梯形波對(duì)應(yīng)的特征參數(shù)，由此可繪制出等效二階梯形波，如圖2（c）所示。

2 實(shí)車碰撞分析

近年來(lái)，SUV車型在汽車消費(fèi)市場(chǎng)中產(chǎn)銷量不斷增加，是消費(fèi)者重要的車型選擇之一。SUV車的被動(dòng)安全無(wú)疑也是消費(fèi)者關(guān)注的主題，本文抽選20款獲得NHTSA五星評(píng)價(jià)的SUV車型，提取SUV車型正面碰撞等效二階梯波形的特征參數(shù)，探討特征參數(shù)和加權(quán)傷害指數(shù)WIC的關(guān)系。

利用WIC綜合假人損傷，其定義如下。

WIC=0.6（HIC36/1000）+0.35（AC3ms/60+Cdmax/0.0762）/2+0.05（FL+FR）/20 （7）

其中，HIC36是頭部傷害指標(biāo)；AC3ms是胸部3ms合成加速度，單位g；Cd是最大胸位移，單位m，F(xiàn)L和FR分別是左右大腿的壓縮力，單位kN。

各車型的碰撞加速度波形見(jiàn)圖3，將各碰撞加速度波形簡(jiǎn)化成等效二階梯形波，見(jiàn)圖4，其關(guān)鍵特征參數(shù)和WIC值的結(jié)果如表1所示。

為更加清晰表達(dá)雙臺(tái)階波形特征參數(shù)和車體碰撞加速度波形峰值的關(guān)系，對(duì)表1的結(jié)果和碰撞波形峰值做相關(guān)性分析，見(jiàn)圖5。在數(shù)學(xué)統(tǒng)計(jì)中相關(guān)性系數(shù)大于0.3時(shí)認(rèn)為具有一定的相關(guān)性[12]，可見(jiàn)第一階梯值與碰撞波形峰值呈現(xiàn)負(fù)相關(guān)的關(guān)系；第二階梯值和高度比與碰撞波形峰值呈現(xiàn)正相關(guān)的關(guān)系。

為更加清晰表達(dá)雙臺(tái)階波形特征參數(shù)和車體最大位移的關(guān)系，對(duì)表1的結(jié)果和車體最大位移做相關(guān)性分析，見(jiàn)圖6?？梢?jiàn)，第一階梯值G1和車體最大位移呈現(xiàn)負(fù)相關(guān)的關(guān)系，第二階梯值G2和高度比i與最大位移并無(wú)顯性關(guān)系。

為進(jìn)一步表達(dá)假人綜合損傷和雙臺(tái)階特征參數(shù)的關(guān)系，對(duì)表1的結(jié)果和WIC做相關(guān)性分析，見(jiàn)圖7?？梢?jiàn)，假人綜合損傷WIC和第一階梯值G1、第二階梯值G2和高度比i并無(wú)顯性關(guān)系。

3 結(jié)論

本文簡(jiǎn)要分析了等效雙臺(tái)階波形理論，將實(shí)車碰撞加速度波形簡(jiǎn)化為等效二階梯形波，并基于SUV車型在汽車消費(fèi)市場(chǎng)中產(chǎn)銷量不斷增加這一國(guó)情，從NHTSA五星評(píng)價(jià)提取20款SUV車型，將其實(shí)車正面碰撞數(shù)據(jù)等效轉(zhuǎn)化為二階梯波形特征參數(shù)，依次進(jìn)行特征參數(shù)與碰撞波形峰值、車體最大位移的相關(guān)性分析，得出第一階梯值與碰撞波形峰值及車體最大位移呈現(xiàn)負(fù)相關(guān)的關(guān)系；第二階梯值和高度比與碰撞波形峰值呈現(xiàn)正相關(guān)的關(guān)系；第二階梯值和高度比與最大位移無(wú)顯性關(guān)系。進(jìn)一步進(jìn)行特征參數(shù)與假人加權(quán)傷害指數(shù)WIC值的相關(guān)性分析得出無(wú)顯性關(guān)系的結(jié)論。

本文探究了等效二階梯形波特征參數(shù)與乘員損傷之間的關(guān)系，填補(bǔ)了SUV車型相關(guān)研究的空白，為相關(guān)車型的安全設(shè)計(jì)提供了參考。

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