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汽车侧面碰撞过程的仿真

摘要：结合国内首次汽车侧面碰撞试验，建立了包括移动壁障、假人和轿车在内的汽车侧面碰撞模型。通过仿真准确地再现出复杂的实车侧面碰撞过程。

关键词：侧面碰撞 模型 仿真

1 前言

大量的交通事故是汽车发生侧面碰撞。以2000 年我国发生的交通事故为例，正面碰撞事故占20.8%，而侧面碰撞事故占34.4%[1]。从伤亡情况看，正面碰撞造成的伤亡人数占26.9%，而侧面碰撞占32.3%。可见研究汽车侧面碰撞对改善交通安全至关重要。

欧美从20 世纪80 年代初就开始重视对汽车侧面碰撞的研究。美国于1990 年颁布并执行了汽车侧面碰撞保护法规FMVSS214；欧洲在1995 年也制定了相应的法规ECER95，并于1998 年强制执行。我国目前还没有颁布汽车侧面碰撞的强制性法规。2002 年5 月30 日，在国内完成了第一辆轿车的侧面碰撞试验。单靠试验来解决汽车侧面碰撞问题是不现实的，迫切需要将计算机仿真技术与汽车侧面碰撞试验结合起来。这样，可以利用仿真数据全、针对性强的特点对试验结果进相对湿度就越小行剖析，也可利用周期短、成本低的优势对产品改进方案进行评估。

2 试验方案

用移动壁障模拟撞击车，它由台车和吸能块组成，总质量为956 kg，质心距地503 mm。吸能块采用ECER95 规定的标准吸能块，其前端面分成6 个区域，处于下部的1、2、3 区比上部的4、5、6 区向前突出60 mm，旨在模拟保险杠（图1）。被撞车为一辆国产轿车，横置在移动壁障的跑道上。驾驶员为EuroSID-I型标准假人，其H 点处在跑道中心线正上方。牵引绞盘通过钢丝绳带动移动壁障以50±1 km/h 的速度行驶，在距轿车2 m 处钢丝绳和移动壁障突然脱开，让移动壁障和轿车左地秤侧面发生碰撞。用高速摄像、电测量和光测量三种方式同时采集汽车铁尺、假人和移动壁障各部位的加速度和变形量。

图1 吸能块的尺寸 (mm)

3 汽车侧面碰撞模型

3.1 移动壁障

建立的移动壁障模型有6661 个单元，7837 个节点。吸能块主体采用体单元和蜂窝铝材料，内部的衬板采用板单元和分段线形塑性材料，台车部分为刚体。

保证吸能块的变形特性和耗散能量特性是移动壁障建模的技术关键，需要对吸能块的单元特性反复进行调整，通过仿真验证确定最终的模型。验证方法是令移动壁障在光滑路面上以35 km／h 的速度与刚性测力墙碰撞，要求吸能块的最大变形量为（330±20）mm，耗散能—变形曲线、整体和1～6 区的力—变形曲线应在一定的界限范围内[2]。验证结果如图2 所示，各项指标都满足了上述要求。

图2 吸能块的变形特性

3.2 假人

假人模型是在VPG（虚拟试验场）/Safety 模块中提供的EuroSID-I 假人样本模型的基础上建立的。原模型头部、颈部、胸部和左右腿的质量低于标准假人[2] [3]。补足质量后，对头部、肩部、胸部、腹部和骨盆的响应特性进行了仿真标定。

头部：对称面与水平面成35o，下方200 mm 处设一刚性墙。对头实验机测控环节是全部实验机的中心部所有节点施以重力加速度，使之与刚性墙碰撞，要求头部质心的合成加速度的峰值在100～150 g 之间[2]。标定结果为131 g。

肩部：假人坐在刚性平面上，胸部竖直，上臂向前与竖直方向成40°，两腿水平伸直。做一直径为152 mm、质量为23.5 kg 的柱形摆锤模型。摆锤以4.3 m/s 的速度撞击肩轴，要求摆锤的加速度峰值在7.5～10.5 g 之间。标定结果为10.1 g。

胸部：将肋骨组件固定在刚性支架上。做一直径为150 mm，质量为7.8 kg 的柱形落锤模型。落锤以1.0、2.0、3.0、4.0 m/s 的速度撞击肋骨侧面，要求肋骨的位移分别在10～14、23.5～27.5、36～40、46～51 mm 之间。标定结果为：12.0、25.1、39.2、49.5 mm。

腹部：假人坐在刚性平面上，胸部竖直，上臂和两腿向前水平伸直。做一质量为23.5 kg 的冲击锤模型(冲击面为150mm×70 mm 的矩形)。冲击锤以6.3 m/s 的速度撞击腹侧，要求冲击锤受力峰值在9.5～11.1kN 之间，且发生在撞击后9.8～11.4 ms；腹部合力的峰值在5.9～7.9 kN 之间。标定结果：冲击锤受力峰值为10.2 kN，发生在10 ms；腹部合力的峰值为6.1 kN。

骨盆：假人坐姿与腹部标定时相同。用直径为152 mm，质量为23.5 kg 的柱形摆锤以4.3 m/s 的速度撞击H点，要求摆锤受力峰值在4.4～5.4 kN 之间，且发生在撞击后10.3～15.5 ms；耻骨合力峰值在1.04～1.64 kN 之间，且发生在9.9～15.9 ms。标定结果：摆锤受力峰值为4.8 kN，发生在14 ms；耻骨合力峰值为1.48 kN，发生在12 ms。

3.3 汽车

汽车结构复杂，综合考虑计算时间和计算精度，对整车各部位采用了疏密程度不同的单元：位于车身左侧、前围最前点和C 柱下部之间的区域为主变形区，单元边长为10～20 mm，主要部件包括左侧的车门、门柱、门槛、门横梁、地板、座椅、顶盖、顶盖横梁、仪表板、前轮罩等；与主变形区对称的右侧区域为次变形区，单元边长为20～40 mm；对于前后非撞击区，单元边长大多在50 mm 以上。四边形单元的最大边长与最小边长之比不超过4:1，三角形单元不超过2:1；四边形单元各内角在45o～120o范围内，三角形单元的最小内角不小于25o；四边形单元的翘曲度在10°以下。

图3 为整车模型，共有173529 个单元，173651 个节点，5200 个焊点。其中，车身骨架、车门、座椅骨架、副车架、发动机罩、行李仓盖采用可变形的板单元，悬架和轮胎利用VPG 模型库中提供的模型进行参数定义，动力总成简化为刚体，其余对侧面碰撞影响不大的部件由质量点代替。模型总质量为1050 kg, 质心距地581 mm，距前轴1026 mm，与实车情况一致。

图3 整车模型

图4 为左侧前后车门模型。左侧车门是侧面碰撞模型中的关键部件，单元边长大多在15 mm 以下，局部最小单元边长为6 mm。焊点位置参照了实际车门焊接位置布置。左前门有14797 个单元，14957个节点和495 个焊点。左后门有11910 个单元，11213个节点和390 个焊点。顾及到门铰才能保证机器的正常运行合页为锻件，其刚度远高于与之连接的车门和门柱的局部刚度，使用了刚性的板单元来代替实体单元，铰中、高镍产品应当适应不同利用平台和不同电压链销采用柱铰单元；对门锁的锁止作用采用弹簧单元来模拟，为了模拟到门锁可能发生的脱离现象，定义了弹簧单元失效时的各方向变形量。

图4 左侧前后车门模型

4 仿真与试验结果比较

按以下步骤完成仿真：读入模型→选择碰撞法规→定义移动壁障位置和速度→定义假人位置、坐姿和安全带的约束→建立碰撞中的接触→定义控制卡片→定义仿真结果输出→提交分析任务。

车门变形量的仿真结果与试验数据的比较见表1。计算和测量的部位同为图4 标出的车门外板位置。从表1 可以看出仿真结果准确再现飞行服出如下信息：车门最大变形（直接关系到对人体的伤害程度）发生在前门的第3 点，与试验结果一致；计算的最大变形量为342 mm，仅与试验结果相差23 mm（约6%）；车门的变形轮廓为前门第15～17 部位和后门第21～24 部位发生翘曲，其它部位侵入乘员室内，这也与试验情况相符；仿真的平均误差（以32 点总变形量的误差计）为18.8%。误差主要在后门的下部，在所测的32点中以第6 点的偏差为最大，与试验结果差了93 mm（约41%）。

加速度响应的的仿真结果与试验曲线的比较见图5。计算和测量的加速度同为汽车驾驶员座椅支座的侧向加速度、移动壁障质心的纵向加速度和假人头部的合成加速度。从图5 可以看出：座椅支座加速度在21、29、43 ms 处的三个主要峰值均仿真出来，这三个峰值的仿真误差分别为5% 、11%和23%；移动壁障加速度峰值的试验结果是-15.5 g, 发生在碰撞后42 ms，仿真结果也是-15.5 g，发生在44 ms；假人头部加速度峰值的试验结果是80 g，发生在碰撞后60 ms，仿真结果是74 g, 也发生在60 ms。在加速度的仿真结果中，以移动壁障的仿真精度为最高，原因是其结构相对简单，并预先进行了性能验证；假人的仿真精度低于汽车的仿真精度，原因在于假人的响应主要来自更为复杂的车内二次碰撞，其误差是车身响应误差和假人模型自身误差的积累。

图5 加速度响应的比较

5 前门改进意见

该轿车的试验结果中，各项安全指标都达到了ECER95 的要求。但测得的假人耻骨合力的最大值为5.5 kN，已接近ECER95 所允许的上限（6 kN）。究其原因，发现前门最大变形部位正处于假人H 点附近，对人体盆骨构成了较大的伤害威胁。通过仿真，对前门的改进提出了如下见解：防撞杆的板厚由2.5 mm 改为3 mm；窗台加强板的板厚由1.2 mm 改为1.5 mm；门槛加强梁的板厚由0.6 mm 改为1 mm。改进前、后假人耻骨合力的仿真结果及原车试验曲线一同绘入图6。仿真结果表明，改进后假人耻骨合力可降低17%。

图6 假人耻骨合力

6 结论

建立了包括移动壁障、假人和轿车在内的汽车侧面碰撞模型。仿真和试验结果对比表明，该模型能够准确地再现实车侧面碰撞过程，可用于对试验结果进行剖析和对产品改进方案进行评估。

参考文献

1 中华人民共和国道路交通事故统计资料汇编（2000）.公安部交通管理局，2000

2 ECE Regulation No.95. Uniform Provisions the Concerning the Approval of Vehicles with Regard to the Protection of the Occupants in the Event of a Lateral Collision. July 6,1995

3 Engineering Technology Associates, Inc. VPG/safety application manual, October 15，2001(end)

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