（车辆工程专业论文）汽车侧面碰撞中次要防撞结构和乘员损伤保护的研究.pdf

a s t u d yo nv e h i c l es e c o n d a r yc r a s h w o r t h ys t r u c t u r ea n do c c u p a n t i n ju r yp r o t e c t i o ni ns i d ei m p a c t b y x i o n gm i n g b e ( h u n a na g r i c u l t u r eu n i v e r s i t y ) 2 0 0 8 at h e s i ss u b m i t t e di np a r t i a ls a t i s f a c t i o no ft h e r e q u i r e m e n t sf o rt h ed e g r e eo f m a s t e ro fe n g i n e e r i n g l n v e h i c l ee n g i n e e r i n g i nt h e g r a d u a t es c h o o l o f h u n a nu n i v e r s i t y s u p e r v i s o r p r o f e s s o ry a n g j i k u a n g m a r c h ，2 0 1 1 湖南大学 学位论文原创性声明 本人郑重声明：所呈交的论文是本人在导师的指导下独立进行研究所 取得的研究成果。除了文中特别加以标注引用的内容外，本论文不包含任 何其他个人或集体已经发表或撰写的成果作品。对本文的研究做出重要贡 献的个人和集体，均已在文中以明确方式标明。本人完全意识到本声明的 法律后果由本人承担。 作者签名： 能暇 l 日期：沙【1 年4 月刀e t 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解学校有关保留、使用学位论文的规定，同意 学校保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和电子版，允许论文 被查阅和借阅。本人授权湖南大学可以将本学位论文的全部或部分内容编 入有关数据库进行检索，可以采用影印、缩印或扫描等复制手段保存和汇 编本学位论文。 本学位论文属于 1 、保密口，在年解密后适用本授权书。 2 、不保密囹。 ( 请在以上相应方框内打“”) 二 作者签名： 导师签名： 日期：加i ( 年叩月多口e t 日期：沙i i - 年 月旷日趸 a勿1 移 尸 他糨 汽车侧面碰撞中次要防撞结构和乘员损伤保护的研究 摘要 侧面碰撞是汽车碰撞事故中比较常见的形式之一，侧面碰撞发生的次数和受 伤人数是比较多的。车身侧面结构变形吸能的部件较少，缓冲空间较小，一旦发 生侧面碰撞，乘员受伤的机率较大。因此，提高车辆侧面碰撞的安全性，最大程 度地降低乘员的损伤，成为车辆安全研究的重要内容。2 0 0 6 年7 月我国颁布了 汽 车侧面碰撞的乘员保护标准，同时借鉴国外的新车评价标准，推出了适合我国 国情的新车评价规程( c n c a p ) ，为汽车生产企业提供了统一的评价指标。 本文目的是通过对汽车侧面结构进行改进，并对相应结构的设计参数进行优 化，探讨提高侧面碰撞安全性、降低乘员损伤的有效措施并对其有效性进行了分 析与讨论。 文章首先建立并验证了可变形移动壁障的有限元模型，借助国内某款车型， 采用有限元建模的方法，建立了整车侧面碰撞的有限元模型，通过与实验数据 对比，验证了整车有限元模型的有效性。再根据g b2 0 0 7 1 2 0 0 6 标准要求进行了 侧面碰撞仿真，针对仿真中的座椅变形较大，提出了在座椅靠背上加装加强杆、 增加座椅各部件的厚度、所有座椅部件材料采用高强度钢、刚化座椅安装横梁等 改进措施，分析了改进措施在降低靠近座椅处的b 柱侵入速度、车门侵入速度的 有效性。 再结合多刚体动力学软件m a d y m o ，建立了用于侧面碰撞乘员损伤分析的 p s m 子结构模型，从降低乘员损伤值方面验证了座椅改进措施的有效性。 最后，综合正交试验设计和响应表面法，以建立的p s m 子结构模型为基础， 对b 柱内板和车门内板的设计参数进行优化设计研究，建立了基于响应表面的代 理模型，利用i s i g h t 优化软件对代理模型进行优化计算，得出了满足假人骨盆 力值( p s p f ) 最小时的设计参数值。 研究结果表明：靠近座椅处的b 柱侵入速度减小了4 2 ，车门处的侵入速度减 小了3 6 。相应的乘员胸部、腹部和骨盆的损伤值也都减小了，其中骨盆力减小了2 5 ， 改进后的骨盆力值满足了标准允许的最大值。代理模型计算得到的骨盆力p s p f 最优值 为4 10 2 k n ，相对于初始的p s p f 值5 7 7 8 k n ，代理模型的p s p f 值减少了2 9 。 本文研究结果可为结构改进设计、提高侧面碰撞安全性提供借鉴。 关键词：侧面碰撞：有限元仿真；结构改进；乘员损伤；结构优化 i l 一 硕i ：学位论文 a b s t r a c t s i d ei m p a c ti so n eo ft h em o r ec o m m o nf o r m si nv e h i c l et r a f f i ca c c i d e n t s ，t h e f r e q u e n c yo fs i d ei m p a c ta n dn u m b e r so fi n j u r i e si ns i d ei m p a c ti st h eg r e a t e s tt h a no t h e r t y p e so fa c c i d e n t s i ts e e m st h a tt h es i d es t r u c t u r eo fv e h i c l eb o d yi sr e l a t i v e l yw e a ki n s t i f f n e s sa n ds t r e n g t hc o m p a r e dt oo t h e rs t r u c t u r e s t h e r ea r ef e w e rc o m p o n e n t su s e dt o a b s o r be n e r g ya n dt h es p a c ei sn o te n o u g h ，a n dt h ep r o b a b i l i t yo fo c c u p a n ti n j u r yi sl a r g e r t h a no t h e rt y p e so fc r a s h e s t h e r e f o r e ，i m p r o v i n gt h ev e h i c l es a f e t yi ns i d ei m p a c ta n d 加i n i m i z i n gt h eo c c u p a n ti n j u r i e sm a x i m a l l yb e c o m ei m p o r t a n tr e s e a r c hi nv e h i c l es a f e t y t h er e g u l a t i o n o c c u p a n tp r o t e c t i o ni ns i d ei m p a c t w a sd e v e l o p e db yc h i n a a u t o m o t i v et e c h n o l o g y & r e s e a r c hc e n t e r , w h i c hh a sb e e nb r o u g h ti n t oe f f e c t i n j u l y1s t2 0 0 6 ，a n dc h i n e s en e wc a ra s s e s s m e n tp r o g r a m ( c - n c a p ) w a s a l s oi s s u e d a c c o r d i n gt of o r e i g ne x p e r i e n c ea tt h es a m et i m e t h ea i mo ft h ep r e s e n tt h e s i si st oi m p r o v et h es i d es t r u c t u r eo ft h ev e h i c l ea n d o p t i m i z ed e s i g np a r a m e t e r so f t h ec o r r e s p o n d i n gs t r u c t u r eb a s i n go nt h ew h o l ec a rm o d e l v e r i f i e da l r e a d y , a n dt h ep a p e rp r o v i d e ss o m ec o u n t e r m e a s u r e st oi m p r o v et h ev e h i c l es a f e t y i ns i d ei m p a c ta n dp r o t e c tt h eo c c u p a n t sa n dv a l i d a t et h e i re f f e c t i v e n e s st h e o r e t i c a l l y f i r s t l y , t h ep a p e ro u t l i n e st w ob a s i ct h e o r i e si nv e h i c l ei m p a c ts i m u l a t i o n , a n dt h e n m d bf i n i t em o d e lw a sd e v e l o p e da n dv a l i d a t e d b yu s i n gc o m p u t a t i o n a ls i m u l a t i o nm e t h o d ， t h ew h o l ec a rm o d e lw a sd e v e l o p e db a s i n go nac e r t a i nd o m e s t i cv e h i c l em o d e l ，w h i c hw a s v a l i d a t e db yc o m p a r i n gi tw i t ht h er e q u i r e m e n t so fr u l e sa n dt e s td a t a a c c o r d i n gt og b 2 0 0 71 2 0 0 6r u l e s ，s i d ei m p a c ts i m u l a t i o nw a sd o n e f o rt h el a r g ed e f o r m a t i o no ft h es e a ti n s i m u l a t i o n ，t h es t i f f n e s so ft h es e a tw a sa d j u s t e db ya d d i n gr e i n f o r c e m e n ti nt h es e a tb a c k , i n c r e a s i n gt h et h i c k n e s s e so fs e a tp a n s ，c h a n g i n gt h em a t e r i a l sp r o p e r t i e s ，a n dt h e na n a l y s i s t h ev a l i d i t yo ft h ei m p r o v e m e n to ft h es e a tt ol o wt h ev e l o c i t yo ft h ebp i l l a ra n dt h ef r o n t d o o r a g a i n , p r e s c r i b e ds t r u c t u r em o t i o n ( p s m ) m o d e lw a sd e v e l o p e du s i n gm a d y m o s o f t w a r et oa n a l y s i st h eo c c u p a n ti n j u r i e s ，a l s ov a l i d a t e dt h ee f f e c t i v e n e s s o ft h e i m p r o v e m e n to ft h es e a tf r o mo c c u p a n ti n j u r i e sa r e a a tl a s t , b yo p t i m i z i n gt h ed e s i g n p a r a m e t e r so fi n n e rp a n e lo ft h ebp i l l a ra n di n n e rp a n e lo f t h ef r o n td o o rb yu s i n gt h e o r t h o g o n a le x p e r i m e n t a ld e s i g n ( o e d ) a n dt h er e s p o n s es u r f a c em e t h o d ( r s m ) m e t h o d s ， a n dt h es u b s t i t u t em o d e lb a s e do nr e s p o n s es u r f a c ew a sd e v e l o p e d ，a n dt h em i n i m u mv a l u e o fa b d o m i n a lp e a kf o r c e ( a p f ) w a sf i g u r e do u tf r o mt h es u b s i t u t em o d e lb yu s i n gt h e o p t i m i z es o f t w a r ei s i g h t ! i i 汽车侧面碰撞中次要防撞结构和乘员损伤保护的研究 t h er e s u l t so ft h i ss t u d yi n d i c a t et h a tt h ev e l o c i t yc a l c u l a t e da tp o i n to nb p i l l a r i sl o w e db y4 2 ，a n dt h e t h ev e l o c i t yc a l c u l a t e da tp o i n to nt h ef r o n td o o ri sa l s o r e d u c e db y36 t h ei n ju r yv a l u e so ft h er i bd e f l e c t i o nc r i t e r i o n ( r d c ) ，a b d o m i n a l p e a kf o r c e ( a p f ) a n dp u b i cs y m p h y s i sp e a kf o r c e ( p s p f ) a r ea l s or u d u c e d c o r r e s p o n d i n g l y , a n dt h ev a l u eo ft h ep s p fi sl o w e db y2 5 w h i c hm e e t st h ea l l o w e d m a x i m u mi ns t a n d a r d a tl a s t ，t h ev a l u eo ft h ep s p fi s4 10 2 k nc a l c u l a t e df r o mt h e s u b s t i t u t em o d e lw h i c hi ss m a l l e rb y2 9 t h a nt h ep r i m a lv a l u e t h es i m u l a t i o nr e s u l t s s h o w e dt h e i rp o s i t i v ee f f e c t st h e o r e t i c a l l ya n dt h a tt h e ya r es t r i c t l yh e l p f u lo n i m p r o v i n gt h ev e h i c l es i d ei m p a c tp e r f o r m a n c e k e yw o r d s ：s i d ei m p a c t ；f i n i t ee l e m e n ts i m u l a t i o n ；s t r u c t u r ei m p r o v e m e n t ；o c c u p a n t i n j u r i e s ；s t r u c t u r eo p t i m i z a t i o n i v 硕上学位论文 目录 学位论文原创性声明i 学位论文版权使用授权书i 摘要i i a b s t r a c t i i i 第l 章绪论1 1 1 课题研究的背景和意义l 1 2 侧面碰撞国内外研究历史及现状2 1 3 汽车侧面碰撞研究的内容4 1 3 1 车身结构抗撞性研究一4 1 3 2 侧面碰撞乘员安全性研究5 1 4 汽车侧面碰撞研究的方法6 1 4 1 实车碰撞试验6 1 4 2 台车碰撞试验6 1 4 3 计算机仿真分析6 1 5 本文课题背景和研究内容7 第2 章国内外侧面碰撞法规及新车评价规程简介9 2 1 引言9 2 2 欧洲侧面碰撞法规( e c er 9 5 ) 9 2 2 1 试验布置9 2 2 2 可变形移动壁障m d b 1 0 2 2 3 假人e u r o s i d 损伤评价指标1 1 2 3 美国侧面碰撞法规( f m v s s 2 1 4 ) l l 2 3 1 试验布置1 l 2 3 2 可变形移动壁障m d b 1 2 2 3 3 假人s i d 损伤评价指标1 3 2 4 中国侧面碰撞法规一：1 4 2 5 新车评价规程n c a p 1 4 2 6 本章小结15 第3 章侧面碰撞有限元模型的建立和有效性验证1 6 3 1 引言一l6 3 2 移动变形壁障有限元模型的建立与验证1 6 v 汽车侧面碰撞中次要防撞结构和乘员损伤保护的研究 3 2 1 移动变形壁障有限元模型的建立1 6 3 2 2 移动变形壁障有限元模型的验证l8 3 3 整车有限元模型的建立和验证2 0 3 3 1 整车有限元模型的建立2 0 3 3 2 整车有限元模型的验证2 5 3 4 本章小结。2 9 第4 章汽车侧面碰撞次要防撞结构安全性分析3 0 4 1 引言。3 0 4 2 侧面碰撞防撞结构设计基本思路3 0 4 2 1 侧面碰撞力的传递分析。3 0 4 2 2 侧面中的主要和次要防撞结构3 1 4 2 3 侧面防撞结构设计基本思路3 2 4 3 座椅结构刚度对侧面碰撞安全性的影响3 2 4 3 1 座椅在侧面碰撞中的响应及分析3 2 4 3 2 座椅刚度改进及分析3 3 4 4 本章小结3 7 第5 章汽车侧面碰撞乘员损伤研究及防护措施3 8 5 1 引言3 8 5 2 侧面碰撞乘员损伤评价标准3 8 5 2 1 头部损伤标准3 8 5 2 2 胸部损伤标准3 9 5 2 3 腹部损伤标准3 9 5 2 4 骨盆损伤标准3 9 5 3 侧面碰撞子结构模型的建立3 9 5 3 1 子结构模型的建立4 0 5 3 2 载荷条件定义4 0 5 3 3 接触定义4l 5 3 4 结果输出4 l 5 4 乘员损伤分析4l 5 4 1 乘员损伤分析背景。4 l 5 4 2 乘员损伤参数分析4 2 5 5 防护措施4 3 5 5 1 侧面安全气囊4 3 5 5 2 防护衬垫4 4 5 6 本章小结4 5 v i 1 硕l ：学位论文 第6 章基于响应表面法的b 柱内板和车门内板优化设计4 6 6 1 弓i 言4 6 6 2 响应表面法4 6 6 2 1 正交试验设计4 6 6 2 2 响应表面法4 6 6 3b 柱内板和车门内板参数优化分析4 7 6 3 1 优化分析的模型基础4 7 6 3 2 优化问题的阐述。4 8 6 3 3 优化参数对假人腹部和骨盆伤害的影响分析4 9 6 3 4 优化结果分析5 1 6 4 本章小结5 2 总结与展望5 3 参考文献5 5 驾【谢5 9 附录a 攻读学位期间所发表的学术论文目录6 0 v l l 硕士学位论文 1 1 课题研究的背景和意义 第1 章绪论 随着汽车产业的日趋发展以及全球汽车保有量的迅速增加，汽车交通事故的 发生也呈上升趋势，交通事故造成的人员伤亡已经成为威胁人类自身安全的世界 第一大公害。在我国，由于人口数量巨大、居民汽车保有量大幅度增加、道路设 施不完备、交通法规不完善、路面情况相对复杂、汽车技术水平相对低下等因素， 导致了我国事故发生率较高。相比之下，发达国家事故致死率远低于我国。据统 计，2 0 0 3 年发达国家交通事故致死率保持在l 4 ，而我国达到1 7 4 。我国 1 9 9 9 - 2 0 0 9 年间的交通事故统计如表1 1 所示。 表1 11 9 9 9 2 0 0 9 年中国道路交通事故统计 侧面碰撞是汽车碰撞事故的常见形式之一。表1 2 醯1 为2 0 0 1 - 2 0 0 8 年我国发 生的交通事故中最常见的两大事故形态数据统计。从表中可知，近8 年来，侧 面碰撞引起的交通事故数是比较多的。因此，如何减少汽车侧面碰撞事故中乘 员伤亡是一个急需解决的问题。 汽车侧面是车体中强度较薄弱的部位，侧面变形吸能部件少，碰撞缓冲的区 间较小，一旦发生侧碰时，不可能像前碰和后碰一样，有足够空间发生变形来吸 收碰撞能量。车内乘员与内饰之间的距离只有2 0 3 0 厘米的距离，乘员与车内饰 直接接触，会导致严重的乘员伤害口1 。在斜坡上或在转弯时发生的侧面碰撞，有 汽车侧面碰撞中次要防撞结构和乘员损伤保护的研究 可能会引起被撞车辆的翻滚，导致车顶横梁受力后下乘员舱内压溃，从而给乘员 造成伤害。因而侧面碰撞对乘员的伤害比其它类型碰撞造成的乘员伤害更为严重。 汽车侧面碰撞安全性的研究也成为汽车被动安全性研究的一项重要内容，并为世 界各国汽车厂商和汽车研究机构所关注。 表1 22 0 0 1 2 0 0 8 年事故形态统计表 年份事故形态事故数比例死亡人数比例受伤人数比例 2 0 0 1 正面碰撞 2 0 8 3 2 9 9 5 2 6 3 2 侧面碰撞 3 4 4 1 2 5 2 4 3 3 9 1 2 0 0 2 正面碰撞 2 0 8 0 2 9 4 0 2 6 4 0 侧面碰撞 3 3 9 0 2 6 8 0 3 5 7 7 2 0 0 3 正面碰撞 2 0 0 3 2 8 9 2 2 5 9 7 侧面碰撞 3 4 2 5 2 7 8 8 3 7 8 6 2 0 0 4正面碰撞 2 3 8 6 2 9 6 2 2 6 7 1 侧面碰撞 3 8 0 0 2 7 9 2 3 8 8 2 2 0 0 5 正面碰撞 2 6 4 3 3 0 2 6 2 7 2 0 侧面碰撞 3 9 5 0 2 7 5 3 3 9 4 2 2 0 0 6 正面碰撞 2 7 0 6 2 8 4 3 2 8 0 1 侧面碰撞 3 6 9 8 2 5 4 2 3 6 4 6 2 0 0 7正面碰撞 2 8 2 1 2 9 0 1 2 9 2 2 侧面碰撞3 6 8 4 2 5 6 8 3 6 6 9 2 0 0 8 正面碰撞 2 7 3 1 2 8 1 4 2 8 2 3 侧面碰撞 3 6 8 6 2 5 6 1 3 7 0 2 因此，提高汽车侧面碰撞安全性，对提高乘员的安全和降低乘员交通事故的 伤害有着非常重要的意义。 1 2 侧面碰撞国内外研究历史及现状 从上世纪8 0 年代开始，欧美汽车工业发达国家开始汽车侧面碰撞的研究。最 初的汽车碰撞研究是以实车碰撞试验为基础的，根据碰撞实验的结果来指导车辆 的改进。随后发展了台车试验和试验台冲击试验等碰撞技术，这两类试验是以整 车试验的结果为依据，在台车或试验台上对侧面碰撞中的关键部件的变形过程以 及侵入速度进行模拟，从而来分析和研究内饰材料或内饰布置。然而进行整车试 验，开发周期长，成本高，而台车试验精度不够高。随着计算机技术的日益飞速 发展，出现了计算机仿真技术。它是利用计算机仿真模型代替实际整车模型来进 行分析和改进工作。计算机仿真技术逐渐成为侧面碰撞研究的主要手段。 2 硕士学位论文 对于侧面碰撞的研究，主要从车身侧面防撞结构和侧面碰撞约束系统这个方 面来进行研究，如： k w a t a n a b e 等人n 1 介绍了超高强度钢( u h s s ) 在侧面结构上的应用，运用钣 金属冷弯成型技术( r o l l f o r m i n gt e c h n o l o g y ) 对比采用不同强度钢对侧面碰撞的 影响。 y o u n g h oh a 等人哺1 阐述了一种新的侧碰测试技术，该技术能高效的产生门与车 辆间的碰撞力，并且利用水压力来调整力的大小，从而可以分析各种碰撞力下的情况。 d z e n g 等人拍1 分析了材料属性和应变率对正碰和侧碰的影响，指出在正碰 中，综合考虑材料属性和应变率能提高仿真分析的精度；而在侧面碰撞中，应变 率的影响很小。 m o r i m i t s uk o b a y a s h i 等人口3 进行了假人侧面滑移试验，并建立了滑移试验有 限元模型，对比了不同碰撞情况下，仿真结果和实验结果，证明了实验和仿真有 很好的一致性。 g e r h a r ds l i k 等人哺1 提出了高效吸能泡沫材料在汽车侧碰填充物中的应用。 k a l uu d u m a 等人口1 对车门内饰件就行了优化设计，提出了具体的改进措施， 并分析了改进方案对假人损伤值的影响。 k e n n e d yh d i g g e s n 们等人分析了侧面碰撞中非碰撞侧乘员损伤情况。指出对 于非碰撞侧乘员的防护措施同样能适用于非碰撞侧翻滚的情况，并分析了乘员受 伤害程度。 h i r o y u k im u r a y a m a 等人n ”提出了一种改进后的e s 2 侧碰假人，这种假人增 加了1 1 个力传感器和4 2 个加速度计，使得能测出传递到假人的外力和内力。 相对于国外，我国汽车被动安全的研究工作起步比较晚，直到上世纪8 0 年代 末才开始这方面的研究工作。目前国内的一些高校和汽车企业具有进行汽车碰撞 试验能力的有：中国汽车技术研究中心、清华大学汽车碰撞试验室、奇瑞汽车股 份有限公司、上海机动车检测中心，湖南大学汽车碰撞实验室等。其中，奇瑞汽 车公司建成了目前亚洲最大的汽车碰撞实验室，有能力完成各种类型的碰撞试验。 随着我国汽车侧面碰撞的乘员保护g b2 0 0 7 1 2 0 0 6 n 列于2 0 0 6 年7 月1 日开始 颁布实施，汽车侧面碰撞检验已经成为新车上市之前的强检项目。因此，国内研 究汽车被动安全的机构和企业也开始进行侧面碰撞实验平台的开发和运行。目前 中国汽车技术研究中心成为侧面碰撞检测的指定单位，在标准实施后已经成功为 国内众多汽车企业的相关车型进行了侧面碰撞试验评价n 引。同时，通过参考和借 鉴国外的新车评价体系，我国制定了符合本国国情的中国新车评价规程( c n c a p ) ，这一规程的颁布，成为我国汽车评价的新标志。 汽车侧面碰撞中次要防撞结构和乘员损伤保护的研究 1 3 汽车侧面碰撞研究的内容 根据侧面碰撞形式和乘员损伤的特点，侧面碰撞的研究内容主要分为两大类： 一类是车身结构安全性研究；另一类是乘员安全性研究。 1 3 1 车身结构抗撞性研究 车身结构抗撞性研究主要是提高汽车车身结构的抗撞性，通过提高车身结构 的强度，使其在碰撞过程中能有一定的变形，从而吸收碰撞能量，保证乘员的安 全性，对于车身结构的研究主要有三个方面： ( 1 ) 侧面碰撞试验法规的研究 制定侧面碰撞安全法规是车辆被动安全性研究的重要工作之一。在世界范围 内，美国、欧洲、日本等各国都根据各个国家的国情制定了相应的碰撞法规。由 于各个国家的基本国情不太一样，所以各个国家的侧面碰撞法规也有很大的差异， 在世界范围内比较完善的侧面碰撞法规主要有美国的联邦机动车安全标准 ( f m v s s n 铂) 和欧洲经济委员会安全法规( e c e n 5 1 ) ，两大法规体系在侧面碰撞 的建立有很多不同的地方n 引，由于各个国家的侧碰法规各异，为了使得各个法规 能够进行比较和相互借鉴，国际协调研究活动( i h r a n ) 侧面碰撞工作小组 ( s i w g ) 与制定法规的一些国家相关研究机构进行了深入的研究合作，希望能 得出更加合理的方案。 ( 2 ) 侧面碰撞可变形移动壁障的研究 可变形移动壁障是侧面碰撞试验中重要的试验工具。它可以代替实车进行碰 撞试验，能够较准确的反映碰撞过程，而且能够大量节省成本。 不同的移动变形壁障在侧面碰撞中会产生不同的试验结果，移动壁障布置位 置也会对碰撞结果产生很大的影响n 钆1 9 1 。欧洲相关侧面法规中对侧面碰撞吸能块 的性能进行了评价，严格规定了碰撞吸能块的性能要求，这些评价方法能够为我 国建立侧面碰撞移动变形壁障提供借鉴和宝贵的经验血们。 ( 3 ) 侧面碰撞实验用假人的研究 汽车侧面碰撞假人是用来评断侧面碰撞安全与否的人体仿真模型。假人的各 个结构参数如大小、外形轮廓、体重以及吸收能力大小都与真实的人体相似，当 把侧面碰撞假人置于仿真的碰撞环境下时，假人的动力学响应和真实的人体响应 非常接近。通过假人上安装的传感器可以测得假人各个部位的运动参数。通过对 这些重要参数的分析可以对汽车安全作出正确的评价。 目前使用最为广泛的侧面碰撞假人有e u r o s i d 1 、e s 2 、b i o s i d 、s i d 、 s i d i i s 2 i 】。 4 硕上学位论文 1 3 2 侧面碰撞乘员安全性研究 ( 1 ) 损伤生物力学的研究 损伤生物力学从人的角度出发，研究人体的各部位在不同形式碰撞中的伤害 机理、人体各部位的伤害忍受极限、人体各部位对碰撞载荷的机械响应特性以及 碰撞实验用人体替代物，这项研究是汽车被动安全性研究的理论基础之一心厶2 引。 ( 2 ) 侧面碰撞中乘员响应及损伤指标的研究 发生侧面碰撞时，乘员容易受到伤害的部位主要是头部、胸部、腹部以及骨 盆等部位。提高侧面碰撞安全性的根本是最大可能的减小乘员在碰撞中受到的伤 害。通过研究乘员在碰撞中的响应，可以分析出不同部位在碰撞发生时的反映， 进而能有效指导设计。损伤指标是衡量乘员受伤程度的一个尺度，损伤指标的制 定，更能完善乘员伤害评价体系。 ( 3 ) 侧面碰撞滑车试验的研究 侧面碰撞滑车试验主要有两大类型：一大类是只有一个滑车的试验台， h e i d e l b e r g 型。钔就是其中一种，如图1 1 所示。 蜂窝状纸扳 图1 1 侧面碰撞试验台原理图 其原理是假人布置在座椅上，座椅固定在能水平移动的滑车上，初始时， 假人与滑车通过牵引装置加速到一定速度，然后撤掉牵引装置，假人在惯性力 作用下沿座椅水平侧向移动，与固定在座椅上的侧壁发生接触，从而可以测得假 人各部位的碰撞响应。然而在该装置中，侧壁是固定在座椅上的，其与假人接触 之前并没有发生变形，所以只能通过假人的相对响应来反映碰撞情况，所以该装 置并不能很好的反映真实碰撞过程中b 柱内板、车门等侧围结构与乘员的相互作 用，所以该装置更适合模拟碰撞发生后的“二次碰撞”，也可以研究车门内饰和 缓冲材料在侧面碰撞过程中的吸能作用心5 1 。第二类试验台，即两个滑车的试验台， 这类试验台相比于一个滑车的试验台更能较真实的反映出碰撞情况，在己设计的 实验台中l m m o r r i e s h a w 的试验台能较好的模拟侧面碰撞情形，d o u g l a s j s t e i n 的试验台能够较真实的模拟出碰撞过程中重要部件间之间的位置关系心6 2 7 1 。 5 汽车侧面碰撞中次要防撞结构和乘员损伤保护的研究 1 4 汽车侧面碰撞研究的方法 1 4 1 实车碰撞试验 汽车实车碰撞试验就是在试验室里通过牵引，使汽车以一定的速度撞向事先 设置的障碍物，测量并记录相关数据，然后根据各种测试数据来判断试验车的安 全性。其意义在于汽车的设计制造阶段就将汽车的安全性作为及其重要的指标， 并通过一些列的试验获得各种关键数据以提高汽车的被动安全性，最大限度的保 障人员安全。 实车碰撞试验是以相关的碰撞法规为基础，对成品车进行碰撞试验，以鉴定 是否能够达到法规要求。实车碰撞试验能够反映真实的事故情况，特别是对新车 进行安全评价时，是最基本的评价方法。但实车碰撞试验也有自身的欠缺：试验 前的准备工作复杂、进行试验所需的费用巨大、试验设备要求较高等。常见的实 车碰撞试验有固定壁障撞车试验、移动壁障撞车试验、翻车试验和车对车撞车试 验等方法。其中，移动壁障撞车试验广泛应用于对侧面碰撞车辆进行安全性评价 时。 1 4 2 台车碰撞试验 台车碰撞试验中，被测车辆用具有一定力学性能的台车来替代，这样在进行 碰撞试验时不需要使用真实的车辆进行试验，能够大量节约试验成本。台车的力 学特性可以通过台车上安装的缓冲装置来调整，当台车与刚性墙发生碰撞时，就 可以通过调整缓冲装置使台车获得与实车碰撞相近的减速度曲线波形。 台车碰撞试验主要用来评价乘员保护装置的性能，如安全气囊的防护性能等。 还可以用来评价零部件的力学性能。台车碰撞试验过程中，零部件的力学响应能 比较详细地反映出来。台车碰撞试验广泛地应用于企业开发新车型的初期，为产 品开发设计提供指导性的实验数据。但台车碰撞试验也有着自身的不足，如试验 中很难考虑被测车辆侧围防撞结构间在碰撞过程中的相互作用关系。 1 4 3 计算机仿真分析 2 0 世纪8 0 年代中期国外建立了第一个整车碰撞模型并进行了计算；由于超 级计算机的发展，使碰撞仿真在工业方面的应用成为可能。如今，碰撞仿真作为 一个必不可少的工具整合在汽车产品设计开发当中，如果没有强大的c a e 技术支 持，汽车产品可能毫无竞争优势可言。 汽车行业c a e 仿真分析快速增长的需求和机遇主要是受法规的驱动，其次是 软件和计算机硬件的迅速发展和汽车厂商对计算机资源的广泛应用，还有就是汽 车厂商由于市场竞争优势的需要，要求设计周期短，而物理样机昂贵，试验能力 有限及c p u 时间价格的降低，也使得汽车行业c a e 仿真分析快速增长。尽管计 6 硕士学位论文 算机仿真技术还不能完全取代费用颇高的实车碰撞试验，但其在产品的概念设计 阶段、样车的试制、试验次数的减少、开发费用及周期的降低等方面有明显的优 势。而且可重复性强、结果信息全面，同时计算机模拟研究的适用面广、精度高， 可以处理很多异常复杂的结构变形等问题，还可以设定模型的边界条件和其它特 定条件等。计算机仿真技术的功能强大，能够进行正面碰撞、侧面碰撞、翻滚以 及追尾等不同类型的碰撞形式的研究分析工作。在市场需求的激励下，有很多碰 撞仿真商业化软件包，著名的有美国l s t c 公司的l s d y n a 、法国e s i 公司的 p a m c r a s h 及p a m s a f e 、荷兰t n o 开发的m a d y m o 等。利用这些仿真 软件，模拟真实的碰撞过程，通过调整和验证实验和仿真中的关键部位的运动参 数，从而根据仿真模型来指导实车的设计和改进。 1 5 本文课题背景和研究内容 侧面碰撞中，乘员距离车辆侧面较近，车辆受到侧面碰撞后的允许变形空间 较小，侧面变形吸能部件比较少，乘员在侧面碰撞时受伤的危险性比其他类型的 碰撞要高。在这种背景下，提高侧面碰撞的安全性是极其具有挑战的工作。在车 身侧围结构中，能够抵抗碰撞力，变形吸能的部件没有正碰和后碰中的那样多， 车身侧围抗撞结构主要有柱( 包括a 柱、b 柱、c 柱) 、前后车门结构、门槛梁、 车顶横梁、防撞杆等。这些车身侧围主要抗撞结构成为直接面对碰撞载荷的第一 道屏障，负责吸收能量并依靠足够的刚度保持乘员生存空间的重任。对于这些重 要防撞部件的研究有很多。但除了这些重要防撞结构外，在车身侧围结构中，也 有很多次要防撞结构，如座椅及座椅横梁、车地板、车门内饰板和b 柱内板等结 构。研究表明，这些次要防撞结构对侧面碰撞安全性也有很大的影响。 本文以国内某款车型为研究对象，主要研究讨论侧面碰撞中的次要防撞结构 对于侧面碰撞安全性的影响，重点研究座椅在侧面碰撞中的影响，通过改进座椅 结构和提高座椅刚度来提高侧面碰撞的安全性，从结构运动参数和乘员损伤两方 面来研究分析这些次要防撞结构对侧面碰撞的影响；同时，利用基于表面响应法 的优化方法对次要防撞结构中的b 柱内板和车门内板进行优化设计，得到最佳的 b 柱内板和车门内饰板的优化设计方案。 本文的研究课题来自国家科技部“十一五 “8 6 3 高新技术研发项目( 编号 2 0 0 6 a a l l 0 1 0 1 ) 一一“轿车集成开发先进技术和教育部与国家外专局“1 1 1 计 划一项目( 编号1 l1 2 11 ) 。 本文研究的主要内容如下： ( 1 )