（机械制造及其自动化专业论文）应用于汽车正面碰撞的缓冲吸能装置研究.pdf

： i 一： ，i l at h e s i si nm e c h a n i c a lm a n u f a c t u r i n ga n d a u t o m a t i o n t h ee n e r g ya b s o r p t i o ne q u i p m e n t r e s e a r c h t h a ta p p l i e st ot h ef r o n t a lc r a s ho f t h ev e h i c l e b yf e n gy u e w e i s u p e r v i s o r ：a s s o c i a t ep r o f e s s o rl i nw e n q i a n g n o r t h e a s t e r nu n i v e r s i t y j u n e2 0 0 8 9 42i眦4舢8ii_舢y _ 独创性声明 本人声明，所呈交的学位论文是在导师的指导下完成的。论文中取 得的研究成果除加以标注和致谢的地方外，不包含其他人己经发表或撰 t 写过的研究成果，也不包括本人为获得其他学位而使用过的材料。与我 一同工作的同志对本研究所做的任何贡献均己在论文中作了明确的说明 并表示谢意。 学位论文作者签名：倦歇伟 日 期：问只7 垆 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者和指导教师完全了解东北大学有关保留、使用学位 论文的规定：即学校有权保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印 件和磁盘，允许论文被查阅和借阅。本人同意东北大学可以将学位论文 的全部或部分内容编入有关数据库进行检索、交流。 作者和导师同意网上交流的时间为作者获得学位后： 半年口一年口一年半口两年困 学位论文作者签名：依c 及移 签字日期：7 如罗7 吵 导师签名： 签字日期： 稍 东北人学硕十学位论文 摘要 应用于汽车正面碰撞的缓冲吸能装置研究 摘要 本文针对目前主动安全技术仍然难以大幅度地避免交通事故发生的现实情况， 在分析了国内外碰撞缓冲吸能装置研制水平与发展现状，以及碰撞损伤理论和法规 的基础之上，研究了一种较新的机械缓冲吸能装置。 本缓冲吸能装置的目的是针对保护车体和司乘人员，首先根据碰撞现象将碰撞 物体和车辆分为碰撞变形段和碰撞惯性段；再根据碰撞变形过程和碰撞损伤理论研 究了本缓冲吸能装置的总体方案。本装置主要包括两部分：碰撞吸能部分和碰撞传 能部分。装置通过在碰撞时剪切被剪切板吸收碰撞能量，延长碰撞时间，通过缓冲 梁将碰撞力传递到车辆的惯性质量段，减轻碰撞变形段的碰撞变形和冲击。通过理 论计算对该装置进行了可行性分析，再通过计算机模拟仿真验证了本缓冲吸能装置 的效果。本文利用p r o e 软件建模和a n s y s 软件的l s - d y n a 单元对模型进行碰撞仿 真分析，分别对安装缓冲吸能装置前后的正面碰撞做出对比和安装缓冲吸能装置前 后的3 0 度斜碰撞做出对比，结果得出，在安装本缓冲吸能装置后，正面碰撞和斜碰 撞都能起到较好的缓冲吸能效果。 关键词：碰撞；被动安全；缓冲吸能：有限元 n ， i t h ee n e r g y a b s o r p t i o ne q u i p m e n tr e s e a r c ht h a ta p p l i e st ot h e f r o n t a lc r a s ho ft h ev e h i c l e a bs t r a c t t h i st e x ta i m sa tt h er e a l i s t i cc i r c u m s t a n c et h a tt h ea c t i v es a f et e c h n i q u ei ss t i l lh a r d t oa v o i dt h et r a f f i ca c c i d e n to c c u r r e n c es i g n i f i c a n t l y o nt h eb a s eo ff u l l ya n a l y z e dt h e l e v e lo fr e s e a r c ha n dp r e s e n td e v e l o pc o n d i t i o no ft h ee n e r g ya b s o r p t i o ne q u i p m e n ti n d o m e s t i ca n di n t e r n a t i o n a l ，a n dt h ec o l l i d ea n dh a r mt h e r i e sa n dl a w s ，i tp u t sf o r w a r da n e ws t r u c t u r a lp r o j e c tw h o s eb u f f e ra n de n e r g ya b s o r be q u i p m e n ti sm a d eb u ym a c h i n e t h ea i mo ft h ee n e r g y a b s o r p t i o ne q u i p m e n ti st op r o t e c tt h ev e h i c l ea n dt h ep e o p l e i ni t f i r s t l y , a c c o r d i n gt ot h ec r a s hp h e n o m e n o n ，i tp u tf o r w a r dam a t h o r dt h a td e v i d e d t h ev e h i c l ei n t ot r a n s f o r mp a r ta n di n e r t i a lp a r t s e c o n d l y , i td e s i g n e dt h es t r u c t u r a l p r o j e c to ft h ee n e r g y a b s o r p t i o ne q u i p m e n tb a s e d o nt h et r a n s f o r mp r o c e s sa n dt h eh u r t t h e r i e si nt h ec r a s h i tm a i n l yi n c l u d e st o wp a r t s ：e n e r g ya b s o r b i n gp a r ta n de n e r g y d e l i v e r i n gp a r t t h ee q u i p m e n tc a na b s o r bc r a s he n e r g ya n de x t e n d c r a s ht i m eb y s h e a r i n gt h ep l a t e ，a n dc a s et h ec r a s ht r a n s f o r ma n di m p a c to ft h ed i s t o r t i o ns e c t i o nb y d e l i v e r i n gc r a s hp r e s s u r et ot h ei n e r t i a lp a r to ft h ev e h i c l eb yt h eb u f f e rb e a m t h e n ， t h r o wt h e o r e t i c a lc a l c u l a t i o n ，i ta n a l y z e dt h ep o s s i b i l i t yo ft h ee q u i p m e n t ，a n dc o n f i r m s i t se f f e c tb yc o m p u t e rs i m u l a t i o n i nt h i st e x t ，i te s t a b l i s h e dt h em o d e lb yu s i n gt h ep r o e a n da n a l y z e di tb yu s i n gt h el s - d y n ap a r to fa n s y s t h e ni tm a d eac o n t r a s ta b o u t t h ef r o n t a lc r a s ha n dt h eo b l i q u ei m p a c to f3 0d g r e e t h er e s u l ti st h a ta f t e ri n s t a l l e dt h e e n e r g y o b s o r p t i o ne q u i p m e n t ，i th a sg o o de f f e c t i nt h ef r o n t a lc r a s ha n dt h eo b l i q u e ic r a s h k e y w o r d ：c r a s h ；p a s s i v es a f e t y ；e n e r g y a b s o r p t i o n ；f i n i t ee l e m e n t i i i ， 东北人学硕+ 学位论文 目录 目录 独创性声明i 摘要i i a b s t r a c t i i i 第1 章绪论”1 1 1 研究汽车正面碰撞的重要性1 1 2 国内外汽车安全技术研究现状”2 1 2 1 主动安全技术的研究现状一2 1 2 2 被动安全技术的发展现状2 1 2 3 国内外汽车安全性试验内容2 1 3 缓冲吸能装置种类及国内外研制使用情况一3 1 3 1 冲撞型缓冲吸能装置3 1 3 2 发射型缓冲吸能装置7 1 3 3 冲撞反作用式一7 1 4 本文主要研究内容”8 第2 章碰撞过程的理论研究9 2 1 司乘人员在碰撞过程中的受伤原因分析9 2 2 碰撞过程分析9 2 2 1 碰撞基本概念9 2 2 2 碰撞的变形过程分析- 1 1 2 3 碰撞前后的能量分析1 4 2 4 汽车正面碰撞法规分析1 5 2 4 1 人体对碰撞的忍耐度1 5 2 4 2 汽车正面碰撞法规1 6 第3 章缓冲吸能装置的设计1 8 3 1 方案设计1 8 i v 东北大学硕士学位论文目录 3 2 碰撞剪切吸能装置2 0 3 2 1 碰撞剪切吸能装置的原理和结构2 0 3 2 2 剪切破断能量2 3 3 3 受力杆的稳定性2 4 第4 章碰撞仿真的分析工具2 7 4 1a n s y s 的特点2 7 4 1 1 界面2 7 4 1 2 数据接口2 8 4 1 3 数据库”2 8 4 2a n s y s l s d y n a 分析过程2 8 4 3 碰撞仿真的影响因素2 9 4 3 1 沙漏控制2 9 4 3 2 接触和摩擦的处理“3 0 第5 章缓冲吸能装置的仿真研究3 2 5 1 剪切吸能原理的二维模型分析3 2 5 2 缓冲梁分析3 4 5 3 三维模型的正面碰撞模拟仿真3 6 5 3 1 安装缓冲吸能装置前的碰撞变形过程3 7 5 3 2 安装缓冲吸能装置后的碰撞变形过程3 8 5 3 3 正面碰撞模拟仿真数据分析4 0 5 4 三维模型的斜碰撞模拟仿真4 7 5 4 1 斜碰撞仿真模型”4 7 5 4 2 模拟仿真数据分析4 8 5 5 本章小结”5 0 第6 章结论与展望5 2 参考文献 5 3 致谢5 6 v 东北人学硕十学位论文第1 章绪论 第1 章绪论 1 1 研究汽车正面碰撞的重要性 汽车诞生和发展的百余年来，汽车安全一直受到汽车制造企业、汽车消费者以 及各国政府的普遍重视和关注。作为一种便捷的现代化交通工具，汽车在给人们带 来极大便利的同时，也因其造成的交通事故给人类的生命和财产安全带来了严重威 胁，交通事故，也成了世界性的严重社会问题。据2 0 0 2 年国家公安部提供的资料： 全年我国发生道路交通事故7 7 万余起，造成近1 1 万人死亡，5 6 万余人受伤，直接 经济损失超过3 3 亿元n 1 。最为突出的问题是，近年来高速公路事故增长迅速，事故 数及致死率远较发达国家高陋1 。2 0 0 1 年，高速公路事故数和死伤数较2 0 0 0 年分别 增长4 5 2 和4 5 6 ，远远超过全年事故数和死伤数的平均上升幅度，后者分别为 2 2 4 和1 2 9 】。这些数据告诉我们：汽车工业及道路交通不断发展的同时，汽车 交通事故也呈现出逐年上升的趋势。提高行车安全，减少交通事故，一方面要不断 改善道路交通环境，普及交通安全知识，提高公民素质，另一方面就是提高汽车的 安全性能“1 。 道路上的汽车在发生撞车事故时，其碰撞的形式是多种多样的，主要的碰撞形 式包括正面碰撞、侧面碰撞、后面碰撞和翻车等等。根据资料( 见图1 1 哺1 ) 可知， 在所有碰撞事故中，汽车发生正面碰撞( 包括斜碰) 的概率在4 0 左右。在日本， 因正面碰撞( 包括斜碰) 死亡的人数占因各种汽车碰撞事故死亡人总数的7 2 ，如 图1 2 陆1 所示。由此可见，不仅汽车前方位的碰撞几率最高，而且也是碰撞事故中最 危险的区域。因此，研究汽车正面碰撞的安全性，对减轻交通事故中人员的伤害具 有非常重要的意义，一直都是汽车被动安全研究的重要内容。 、 声 1 2 假。 7 厂6 。，氟f x 吼暇lll“1 f 7 假 f 7 r o t g f & 0 鼻 1 2 0 气 6 假 图1 1 包含所有伤害类型的碰撞事故的概率分布( 美国) f i g1 1p r o b a b i l i t yd i s t r i b u t i o ni n c l u d i n ga l lt h ei n j u r y t y p ei nt h ec o l l i s i o na c c i d e n t ( u s ) 1 东北人学硕士学位论文第1 章绪论 8 2 1 4 1 ， 1 0 得 i 。叼崩 1 2 6 图1 2 不同撞击部位的死亡人数( 乘车者死亡总数4 4 0 5 人年，日本) f i g1 2t h ed e a t ht o l lo fd i f f e r e n ti m p a c tp o s i t i o n ( t h et o l a ld e a t ho f t h em o t r o i s t4 4 0 5p e r s o n y e a r ，j a p a n ) 1 2 国内外汽车安全技术研究现状 国内外正在研究和采用的汽车安全技术主要可分为主动安全技术和被动安全 技术两大类乜1 。主动安全性是指通过对汽车内部结构进行更趋合理的有效设计，优 化车辆驾驶操纵系统的人机环境，事先预防事故的发生。被动安全技术主要是在发 生意外事故时，如何对驾乘人员及行人进行保护，尽量减少事故造成的人员伤亡。 1 2 1 主动安全技术的研究现状 主动安全系统是指通过事先防范来避免交通事故发生的安全系统。它有望以最 大限度的方式减少交通事故中的人员伤亡，是下一代汽车安全性的前沿技术之一。 主动安全技术主要包括：制动防抱死装置a b s 研究、驱动防滑装置a s r 研究、动 力转向系统研究、电子巡航控制系统c c s 研究、碰撞报警系统和碰撞避免系统研究、 电子刹车力分布系统e b d 、电子稳定程序e s p 、自动车身水平系统a l s 心1 。 1 2 2 被动安全技术的发展现状 随着科技的发展，汽车主动安全技术将在交通安全中起着越来越大的作用。尽 管如此，仍不可避免发生意外情况，所以现代汽车上还需要安装被动安全系统。所 谓被动安全系统，是指在交通事故发生后，尽量减少乘客和行人伤害的系统。它主 要包括：侧面撞击保护系统s i p s 、主动头部支撑系统a h r s 、全功能座椅系统a s s 、 安全带、安全气囊、智能安全带和安全气囊、吸能式车体结构乜焖口1 1 2 3 国内外汽车安全性试验内容 随着社会的飞速发展，汽车的设计研究方法日新月异，汽车的安全性也越来越 2 东北人学硕十学位论文第1 章绪论 可靠，尤其是计算机模拟仿真使汽车的设计和改进更是迅速。但是，无论是对汽车 安全性的测评，还是测量汽车部件的性能参数，以及计算机模拟中参数的确定，都 离不开汽车安全性实验。汽车安全性试验主要包括实车碰撞试验、台车碰撞试验和 零部件台架试验三个部分3 。 实车碰撞试验最接近于交通事故中的碰撞事故，是进行汽车碰撞安全性综合评 价最直接最客观的方法，是新产品开发中必不可少的一环。按照正面碰撞试验法规， 正面碰撞试验是指被检验汽车以某一速度与一个刚体或者可变形壁障发生碰撞的 试验。其目的是检查保险杠、车厢前部围板区域所能吸收冲击能量的程度，考验车 厢结构强度，借助车内假人的传感器所记录的数据，换算出和法规相对应的伤害指 标判断试验样车的碰撞性能n 刳。由于实车碰撞试验通常是一次性的，基本不能进行 重复试验，所以试验费用很高，通常只用于新产品的试制和认证。试验方法可分为 用固定壁或可动壁进行车辆的单独撞车试验、车对车撞车试验及车辆的单独翻车试 验三种。 台车碰撞试验测试是一种模拟实车碰撞的试验，主要用于车内乘员约束系统进 行性能评价和检测零部件的耐撞性，以及检验缓冲吸能装置的缓冲效果。此方法与 实车碰撞试验相比，具有再现性好、试用费用较低，也比较简便、试验工时数较少 等优点。 台架冲击试验主要是对实车碰撞试验的模拟和检验零部件的性能。一方面用来 模拟人体的不同部位与车辆部件之间的碰撞，以评价车辆部件本身的安全性；另一 方面用于评价零部件对冲击能量的吸收性能和采用静强度法评价对速度不敏感的 零部件的安全性。 1 3 缓冲吸能装置种类及国内外研制使用情况 缓冲吸能装置是台车碰撞试验设备的关键部件，也可作为外置件安装于汽车上 面，吸收碰撞时的动能，减轻汽车在碰撞过程中的损伤和对乘驾人员的伤害。碰撞 缓冲吸能试验装置主要有冲撞型、发射型和冲撞反作用式n 们。 1 3 1 冲撞型缓冲吸能装置 对于冲撞型的缓冲吸能装置，速度一定的台车与刚性墙冲撞后，在缓冲吸能装 置的作用下使台车产生要求的减速度，最终使台车停下。缓冲吸能装置的种类有： 塑料管吸能器、液压缓冲器和机械缓冲吸能装置。 3 东北大学硕士学位论文第1 章绪论 1 3 1 1 塑料管吸能器 塑料管吸能器广泛用于欧洲、日本和我国，例如c a t a r c 、东风汽车工程研究 院、天津益中安全带厂等单位均使用塑料管吸能器。这种吸能塑料管的材料为聚氨 脂，聚氨脂的性能和温度关系十分密切，在使用之前在1 5 5 度范围内。此外，还 应该根据温度的变化相应地改变橄榄头的尺寸，以便调整出符合标准要求的减速度 波形曲线。一支塑料管能重复使用多次，因而它具有使用费用较低的优点。e c e r l 6 推荐塑料管和橄榄头的形状如图1 3 所示。中国汽车技术研究中心( c a t a r c ) 参 考e c e r l 6 推荐塑料管尺寸和u t a c 提供的样品丌发出塑料管吸能器，其生成的曲 线基本符合e c e r l 6 、e c e r l 7 和e c e r 8 0 要求。这种吸能管的材料为聚氨脂，外 形尺寸为d 6 0 m m x 3 7 5 m m ，现有三种规格：一种是邵氏硬度为8 0 2 的c a t a r c i 和c a t a r c i i 型，他们的减速度波形分别符合e c e r 8 0 和e c e r l 7 的要求n 3 1 。 图1 3e c e r l 6 推荐的塑料管与橄榄头形状 f i g1 3t h es h a p eo ft h ep l a s t i cp i p ea n do l i v e h e a dr e c o m m e n d e d b ye c e r l 6 1 3 1 2 液压缓冲器 液压缓冲吸能装置是安装在台车或实车上，在碰撞时达到试验要求或减轻碰撞 损伤的碰撞液压吸能装置，利用在碰撞过程中液压油通过节流孔时具有的阻尼来吸 收车辆的动能，从而实现车辆的制动，并满足预定的碰撞减速度波形要求或减轻实 车碰撞中对车辆和乘员的伤害n 5 1 。 如图1 4 所示是日本萱场工业株式会社制造的液压缓冲器原理图。该装置的基 本结构是一个阻尼油缸，根据需要，在缸壁上开若干个阻尼孔，缸的上边设有油池。 当活塞杆受到冲击后，活塞前部推动油液通过阻尼孔进入油池。在这一过程中，油 液与阻尼孔之间的摩擦，产生热量，从而使台车的碰撞机械能转化为热能。同时， 通过活塞来控制小孔的当量节流面积，根据缓冲器的阻尼力与活塞的位置关系，来 模拟实车的碰撞环境，使台车的减速度具有相应的波形曲线。 4 东北大学硕十学位论文第1 章绪论 缓冲垫 密封装置低压腔 高压腔 r 匹l 1 岛赫 活塞杆、节制杆 、流液口 图1 4 节流孔式液压缓冲吸能装置 f i g1 4t h eh y d r a u l i cc r a s he n e r g ya b s o r p t i o ne q u i p m e n to fo r i f i c et y p e 图1 5 是一种节制杆式的台车碰撞缓冲吸能装置。该装置由外筒、活塞杆和节 制杆三部分组成，当活塞杆在台车的作用下向左运动时，活塞右侧高压腔i 中的液 体由于活塞的挤压而产生高压，液体便从活塞与节制杆之间的漏口处喷出。通过改 变节制杆的截面形状就可以改变液体喷出时的阻力，从而改变台车所受到的阻力大 小以达到预定的碰撞减速度要求。 橡胶 图1 5 节制杆式碰撞缓冲吸能装置 f i g1 5t h ec r a s he n e r g ya b s o r p t i o ne q u i p m e n to ft h r o t t l i n gb a rt y p e 1 3 1 3 机械缓冲吸能装置 机械缓冲吸能装置主要利用吸能条或吸能板产生塑性变形来达到碰撞所要求 的减速度波形。试验时，将吸能板放入两排固定的滚柱之间，用于碰撞的台车前端 固定一个冲击壁，当冲击壁与台车以同一速度高速冲击钢板时，钢板产生阻力并在 冲击力下弯曲变形实现吸能作用，从而达到要求的减速度波形。类似这种吸能装置 被a u t o l i v 等世界著名安全性研究机构所采用n 引。 如图1 6 ，该装置是在碰撞墩表面设置钢板，钢板上开有一些螺纹孔，通过它 们与整个固定支架连接，固定架是钢板焊接的结构，要求具有足够的强度和刚度， 如图1 7 所示。在台车碰撞前端固定一个冲击壁，当冲击壁与台车一起以一定速度 冲撞钢板时，钢板产生弯曲塑性变形，从而吸收碰撞产生的能量，使减速度曲线达 到要求。 5 东北大学硕士学位论文第1 章绪论 图1 6 机械缓冲吸能装置示意图 f i g1 6t h es c h e m a t i cd i a g r a mo ft h ee n e r g ya b s o r p t i o n e q u i p m e n to fm e c h a n i c a lt y p e 图1 7 崮定支架 f i g1 7t h ef i x e ds u p p o r t 图1 8 所示为钢筋阻尼器的结构简图，在试验前，根据所要模拟的车体加速度 波形，计算出钢筋摆放的模式，摆放好钢筋。启动机构尾端的张紧装置，使移动架 ( 上下移动板及其间的销柱) 后移，以给钢筋预变形，钢筋的预变形量可根据需要 进行调节。在碰撞的过程中，台车撞击到钢筋上后，钢筋随台车一起运动，随着钢 筋或脱离或增加的不断变化，以及钢筋的阻尼力随着位移的变化而产生的变化，再 现出台车期望的减速度波形。 前档销 销间连揍栓 上槽盖 上移动板移动板问销柱 8 0 0 柱 图1 8 钢筋阻尼式吸能装置 f i g1 8t h ee n e r g ya b s o r p t i o ne q u i p m e n to fs t e e lb a ra n dd a m p i n gt y p e 6 东北人学硕十学位论文第1 章绪论 1 3 2 发射型缓冲吸能装置 利用预先积蓄好的能量将台车弹射出去，以使其获得要求的速度。采用将试验 品的运动方向与台车发射方向相反的方法，以使台车获得相应的加速度，所以缓冲 吸能装置就是使运动质量( 包括滑车、试件或假人等) 产生与滑车速度方向相反的 惯性力( 相当于阻尼力) ，来实现所要求的减速度波形的一种发射装置，像发射型 驱动装置就是根据此原理来进行试验的，如图1 9 所示n 7 1 。 图1 9 发射型模拟碰撞系统 f i g1 9t h ec r a s hs i m u l a t i o ns y s t e mo ft r a n s m i t t i n gt y p e 如图1 1 0 所示为美国本迪克斯公司( b e n d i x ) 生产的h y g e 试验装置，其动力 部分为高压压缩机、氮气储气筒和气液油缸。这种装置的特点是模拟准确，调整方 便，但价格昂贵。德国申克公司为上海交通装卸机械厂制造的碰撞试验机则采用伺 服液压油缸驱动。该试验机通过使用高斯迭代法可使实验曲线与设计曲线的误差小 于5 ，原则上可以实现任意给定的碰撞曲线的模拟，但缺点也是价格昂贵。 图1 1 0h y g e 式射出机构剖面图 f i g1 1 0t h ep r o f i l eo ft h ee j a c u l a t i o nm e c h a n i s mo fh y g et y p e 1 3 3 冲撞反作用式 用弹性材料和程序控制器实现所要求的减速度波形。如美国m t s 公司研制的 气压程序控制器就属于此类。其优点是模拟冲撞速度是在实际速度的一倍下进行模 7 东北大学硕十学位论文第1 章绪论 拟，因此模拟动能是实际动能的四倍，这样驱动长度就可以相应的缩短。 1 4 本文主要研究内容 本文分析了汽车交通事故的高发性及其社会危害，以及国内外汽车安全技术及 汽车安全防护装置的研究和发展状况，了解到汽车主动安全技术的前沿性和被动安 全技术的必要性。本文为研究减缓碰撞冲击做了以下工作： ( 1 ) 通过对汽车碰撞及其变形过程的研究，从理论上分析了在碰撞中造成损 伤及需要控制的主要因素，以及对国内外汽车碰撞法规进行分析。 ( 2 ) 根据分析得出的主要因素，研究了一种外置的后推剪切式碰撞缓冲吸能 装置。该装置在汽车正面碰撞时具有缓冲吸能保护司乘人员的作用，并且，利用剪 切装置车与架形成一定的角度的安装方法，使该装置在汽车发生斜前方碰撞时亦可 达到一定的缓冲吸能效果。 ( 3 ) 通过理论分析和三维建模设计了装置的三维实体模型，并通过有限元仿 真分析验证了该装置在正面碰撞和斜碰撞时的吸能特性。 8 东北大学硕十学位论文 第2 章碰撞过程的理论研究 第2 章碰撞过程的理论研究 2 1 司乘人员在碰撞过程中的受伤原因分析 由汽车碰撞事故造成的人员伤亡有两类，一类是对行人的伤害，另一类是对于 车内乘员的伤害，本文主要是针对车内司乘人员。大多数情况下，车内司乘人员的 伤亡都是由于汽车碰撞导致司乘人员与车的内部部件的碰撞造成的。一般情况下， 人们将汽车的直接碰撞称为“一次碰撞”，将人体与车内部件的碰撞称为“二次碰 撞，而很明显“二次碰撞 是由于在“一次碰撞 过程中产生了人体与汽车的高 速的相对运动造成的哺1 。 根据人体生物力学的特性，汽车碰撞造成的人体损伤可分为机械损伤、生物损 伤和心理损伤。机械损伤是人体与外界的碰撞时产生的骨折、皮肉撕裂之类的内伤 和外伤；生物损伤是在碰撞过程中产生的减速度超过了人体大脑等部位的生物承受 极限导致的损伤；心理损伤是碰撞时对人的心理造成的恐惧感等。本论文研究的是 缓冲吸能装置，其主要功能是减小汽车碰撞过程中产生的减速度峰值，从而也可以 减轻“二次碰撞”给乘员带来的损伤，因此目的是降低生物损伤危害，也可以降低 “二次碰撞”的强度。 归结起来，在碰撞过程中，司乘人员受伤原因主要有以下四点： ( 1 ) 一次碰撞过程过分剧烈，以致传递到司乘人员身上的加速度超过了人体 的耐受极限而产生了生物损伤。 ( 2 ) 碰撞过程中有刚硬物体侵入乘坐室内，直接导致司乘人员的机械损伤。 ( 3 ) 司乘人员与车的内部件产生单次或多次“二次碰撞一而产生生物损伤和 机械损伤。 ( 4 ) 碰撞导致乘坐室变形过大，以致司乘人员被车体变形挤压伤亡。 2 2 碰撞过程分析 2 2 1 碰撞基本概念 2 2 1 1 恢复系数 汽车碰撞事故是一种碰撞现象。碰撞有3 种形式，即弹性碰撞、非弹性碰撞和 塑性碰撞。碰撞形式可用恢复系数c 口7 1 表示，即 9 东北大学硕士学位论文 第2 章碰撞过程的理论研究 一y 2 一u e l j 。o h o v 2 0 ( 2 1 ) 式中h 。、为碰撞物体a 、b 在碰撞前瞬间的速度( j 下碰撞时为负值) ；h 、v 2 是碰撞物体a 、b 在碰撞后瞬间的速度。 例如两橡皮求分别以3 m s 和3 m s 的速度正面碰撞，当变形到速度为零后，又 分别以3 m s 的速度分开，则碰撞后的相对速度为1 ，故恢复系数为： ，12二垦。6e：一i i 二。l2 = v l o y 6 ( 2 2 ) 如果同样的两黏土球，碰撞的能量全部由永久变形而吸收，则碰撞后的相对速 度为零，即e = o 。 所以，在三种碰撞形式中，弹性碰撞e = 1 ，塑性碰撞e = 0 ，非弹性非塑性碰撞 0 e 1 。 2 2 1 2 碰撞基本规律 虽然汽车是具有一定尺寸的物体，但是，如果在碰撞过程中，两个汽车的总体 形状对质量分布影响不大，就可将它们简化为两个只有质量没有大小的质点，从而 使用质点的动量原理和能量守恒定理求解。 由于恢复系数e 等于两个碰撞物体分离动量与接近动量之比，所以汽车正面碰 撞时，若忽略其外力的影响，根据动量守恒的原理有： 鸭+ 小2 一，l l u + m 2 v 2 ( 2 3 ) 根据式2 3 得到： 鸭h - - m 2 y 2 + 小2 ( 2 4 ) 由式2 1 恢复系数得到： 将式2 5 带入式2 3 ，即得： 则可得到： 同理可得： v 2 一h + e ( h o 一 ，) ( 2 5 ) m 一吼。一m 2 h + ， 2 y - m 2 e 以。一) ( ，l l + ，”2 ) u ( ，n + ，矩2 m o 一，竹2 ( 1 + e x v l o y 加) ( 2 6 ) ( 2 7 ) 1 , 1 - 一j l ( 1 + e ) 1 0 ，l o 一) ( 2 8 ) 巩+ m 1 0 东北人学硕十学位论文 第2 章碰撞过程的理论研究 y 2 v + l ( 1 + e ) ( h o v 2 0 ) y 2 。v + 高【l + e ) 【h o 一 2 2 2 碰撞的变形过程分析 ( 2 9 ) 我们在日常生活中可以看到各种各样的物体碰撞，在我们所看到的物体碰撞过 程中，都能直观的发现一个碰撞现象，那就是：碰撞物体在碰撞接触点或接触表面 产生很大的碰撞变形甚至出现压溃现象，而这种变形量往物体后面部分就逐渐减 小。 本文利用有限元软件做了一个简单的物体平面模型碰撞刚性体的过程，在从模 拟的物体二维碰撞过程中，碰撞物体存在如下面图2 1 到图2 3 形式的变形过程。 图2 1 未碰撞时刻的状态 f i g2 1t h ec o n d i t i o na tt h et i m eo fn o tc r a s h e d 图2 2 碰撞时刻的状态 f i g2 2t h ec o n d i t i o na tt h et i m eo fc r a s h e d 图2 3 碰撞进一步发展 f i g2 3t h ef u r t h e rd e v e l o p m e n to ft h ec r a s h 1 1 东北大学硕士学位论文 第2 章碰撞过程的理论研究 从图2 1 到图2 3 的变形过程我们可以看到：当物体在碰撞接触时，在物体的 接触表面上立刻停止下来而不再继续向前运动，而碰撞过程仍在继续进行，变形波 动仍然在向物体的后面部分发展，而且接触表面的变形量越来越大，甚至出现压扁 压溃。 通过这个简单的模拟我们可以得出：物体在碰撞过程中，接触部分会因为碰撞 接触而很快停止下来，而物体的后面非接触部分，由于惯性力作用会继续向前运动， 并推挤碰撞物体的接触部分，从而导致碰撞物体接触部分的大变形甚至压溃。 通过以上分析，我们可以把碰撞物体在运动方向上离散为若干份，每两份之间 留出一定的距离代表分子距离，并且每份都以相同的速度向前运动，利用有限元软 件模拟，进行进一步分析和观察物体的碰撞过程，碰撞过程如下图2 4 到图2 6 所 示。 v - - 二- - - - - - - - 一 移矽移移移移 图2 4 未碰撞时刻的状态 f i g2 4t h ec o n d i t i o na tt h et i m eo fn o tc r a s h e d v 一 移移移移 图2 5 碰撞时刻的状态 f i g2 5t h ec o n d i t i o na tt h et i m eo fc r a s h e d 东北人学硕十学位论文第2 章碰撞过程的理论研究 移移矽 图2 6 碰撞继续发展 f i g2 6t h ef u r t h e rd e v e l o p m e n to ft h ec r a s h 通过上面离散化的处理，我们可以更直观和夸张的看到一个物体在碰撞过程中 的变形方式，当发生碰撞时，物体前面部分立刻停止，后面部分仍然以原来的速度 向前运动并敲击挤压前面部分，并最终导致物体前面部分的压溃。 物体在碰撞过程中的这种变形形式，我们在生活中是可以经常见到的。并且， 在汽车的正面碰撞过程中，汽车的碰撞变形形式也是近似的，如图2 7 所示为某型 汽车的实车碰撞试验效果图，从图中我们也能看到，汽车在碰撞后，前面部分产生 压溃而发生了严重的变形，但是汽车的后面部分却几乎是完好无损的。在生活中的 汽车碰掩事故中我们也能看到类似的结果。 幽2 7 某型汽车实车碰撞试验结果 f i g2 7t h ec r a s he x p e r i m e n t a lr e s u l to fs o m et y p eo ft h ev e h i c l e 由前面的分析和图例可见，物体和汽车在碰撞时的破坏，主要是由于质量的惯 性力导致碰撞接触部分的变形和压溃。通过查阅有关的汽车正面碰撞试验和观察生 活中的汽车正面碰撞事故，以及前面的物体碰撞变形分析，我们就可以将正面碰撞 1 3 东北大学硕七学位论文第2 章碰撞过程的理论研究 中的汽车分为两段：碰撞变形段和惯性质量段。碰撞变形段是正面碰撞时发生大变 形的一段，主要位于汽车的前端；惯性质量段是在正面碰撞时基本不发生变形的一 段，主要位于汽车的中后部分。由于司乘人员坐在汽车前部，并且是受保护的对象， 因此人归于碰撞变形段。 2 3 碰撞前后的能量分析 把汽车作为一个整体，设其质量为朋，汽车碰撞前的速度为h ，碰撞后的速度为y ：， 根据动量定理，作用于汽车的冲量 i 一川h - m v 2 ( 2 1 0 ) 因为汽车的质量较大，而汽车碰撞前后的速度改变量也很大，因此汽车碰撞前 后的冲量，很大。 而 f t 一肌，l - - l l l 2 ( 2 1 1 ) 因为汽车碰撞的作用时间t 很短，因此碰撞时的平均压力f 很大。 由式2 1 1 和2 1 2 得到： ，一f t( 2 1 2 ) 因为汽车在碰撞时的压力并非均匀压力，而是随时间变化，因此把式2 1 3 变为 积分形式，得到： ，。广( o a t 巾a ( t ) d t ( 2 1 3 ) 因为汽车碰撞的作用时间很短，即t 很小，而，却很大，要得到很大的i ，朋是 一定的，因此只能是口o ) 很大。在此我们可以分析，减速度a 可能是引起人的受伤 的一个重要因素。 从能量的角度看，汽车在碰撞过程中会产生大的塑性变形，而结构在大塑性变 形下，弹性变形能就是次要的。因此在汽车碰撞中我们忽略弹性变形能，汽车碰撞 吸收的总能量e ( 主要转化为塑性功和内能) 约等于撞击前瞬问汽车m 的动能减去 碰撞后汽车r b 剩余的动能。 e ! 册h 2 一三肌b 2 ( 2 1 4 ) 2 2 上式反应了汽车碰撞前后的总能量变化，是从汽车碰撞前后的速度方面来考虑 碰撞前后的能量变化。我们在分析时不仅要考虑速度变化给碰撞前后带来的能量影 响，和前面动量分析一样，我们还要分析碰撞力的影响，根据平均力的做功公式 w 。f 譬 ( 2 1 5 ) 1 4 东北大学硕+ 学位论文第2 章碰撞过程的理论研究 当汽车以某一速度前进时，其质量几乎不变，因此它所具有的动能是一定的。 要使汽车在碰撞过程中停下来，必须有个与速度方向相反的力f ，在汽车上作用一 段距离s 。而在汽车的碰撞过程中，汽车的碰撞力是时刻变化的，因此，变为f o ) ， 从而式2 1 6 可变为积分形式 w 一 f ( t ) c l s 一胁a ( t ) d s ( 2 1 6 ) ， ， 由于汽车质量m 一定，而碰撞能量又相当大，碰撞距离很短，根据式2 1 7 我们 也可以得出结论，那就是口“) 很大。 从前面的司乘人员受伤原因分析我们知道，在汽车碰撞过程中，汽车的减速度 过大是造成司乘人员受伤( 包括机械损伤和生理损伤) 的重要原因。从上面公式中 碰撞前后的动量和能量的分析可以看到，汽车在碰撞时的减速度很大，而减速度是 一个随时间变化的变化量，即a = 口( f ) ，因此我们需要做的就是想办法控制减速度峰 值，使减速度峰值在法规所规定的范围之内，也即是控制在人能够承受的范围之内。 2 4 汽车正面碰撞法规分析 2 4 1 人体对碰撞的忍耐度 头部损伤被认为是交通事故中对人体伤害最为严重的伤害类型。根据生物学研 究，揭示了人类头部系统忍受度可以用一条曲线来估计，这条曲线被称为韦恩州立 大学忍受度曲线( w a y n es t a t et o l e r a n c ec u r v e ，见图2 8 ) 广泛用于汽车安全研究。 它显示引起脑震荡和颅骨破碎的头部加速度或减速度的水平1 2 4 2 s 。 脉冲持续时闻u 图2 8 忍受度曲线 f i g2 8t h ec u r v eo ft h et o l e r a t ed e g r e e 该忍受度曲线是损伤严重性多指数的基础。最通用的指数是由g a d d 提出，人 体不同部位的忍受度用一个数字指标来表示。对于头部，g a d d 严重性指数( g a d d 1 5 东北大学硕士学位论文 第2 章碰撞过程的理论研究 s e v e r i t yi n d e x ，g s i ) 定义为： g s i 誊r 口2 j d t 1 0 0 0 ( 2 1 7 ) 其中a 是加速度( 或减速度) ，以g ( 重力加速度) 为单位，t 是以毫秒为单位 的时间，z 是加速度脉