（车辆工程专业论文）汽车碰撞过程中加速度特征对乘员损伤的影响分析.pdf

大连理工大学硕士学位论文 摘要 汽车正面碰撞过程中，动能转化为变形能，被车身部件所吸收。由结构变形产生的 车身加速度使车内乘员产生冲击响应会对乘员造成伤害。如何通过控制结构变形，以优 化产生的加速度曲线，使人体损伤尽量减小，成为汽车被动安全研究的焦点。 针对汽车正面碰撞过程中车身压溃失稳产生初始加速度峰值的特点，提取基本特征 一初始压溃产生的加速度峰值，改变峰值大小，构造加速度曲线组，研究峰值变化对乘 员安全性的影响。通过人体综合损伤指标，对不同车身加速度峰下人体损伤值进行较全 面的评估。说明在车身结构设计时，应该根据需要结合实际情况来对车身加速度峰值进 行控制。 将通过几个关键点分段描述的加速度曲线，并作为输入载荷带入用一维二阶弹簧质 量块系统表征碰撞过程中车、人体躯干、头部之间相互关系的模型。通过对该模型求解， 可得到分段化后的加速度曲线与人体响应的解析表达式。较为直观的体现了各点与乘员 躯干及头部等重要部位的响应关系，为今后的车身加速度曲线优化，和约束系统优化提 供了进一步研究的方法。 关键词：汽车碰撞加速度曲线人体损伤指标 汽车碰撞过程中加速度特征对乘员损伤的影响分析 t h e o c c u p a n ti n j u r ya n a l y s i so f t h ec h a r a c t e rf r o ma c c e l e r a t i o nc u r v e so n d u m m yd u r i n gt h ev e h i c l ec r a s hp r o c e s s a b s t r a c t h lo r d e rt og i v eg u i d a n c et ot h es t r u c t u r ed e s i g n e r sa b o u tt h el o a dc o n t r o lf r o mi n i t i a l c o l l a p s e s t h ea r t i c l ea b s t r a c tt h ec h a r a c t e ro ft h ep e a ko fa c c e l e r a t i o nc u r v e ，w h i c hc a u s e db y t h ei n i t i a lc o l l a p s e so ft h em a i nl o n g i t u d i n a lb e a m s a st l l ec h a r a c t e rc h a n g e s ，t h ec o n s t r u c t e d a c c e l e r a t i o nc u r v ew a st a k ei n t ot h es i m u l a t eo c c u p a n ts y s t e ma n ds e et h ei n u r yo ft h e d u m m y , t h e r e s u l ti n d i c a t et h a tt h ei n j u r yc r i t e r i ao fd u m m yw i l ln o tb es e n s i t i v et ot h ep e a k o fa c c e l e r a t i o nc u r v ew h e nt h ei ti su n d e rs o m er a n g e t h o u g hs e v e r a lk e yp o i n t st oe x p r e s st h ea c c e l e r a t i o nc u r v eo fv e h i c l ec o l l i s i o n , a n da3 m a s sm o d e lt om o d e lt h er e l a t i o n s h i po ft h ev e h i c l e ，o c c u p a n tc h e s t a n do c c u p a n th e a d i n t h i sc a s ew ec a l lg e tt h ef o r m u l ae x p r e s s i o no fa c c e l e r a t i o nc u r v e b ys p e c i f i c a l l yp o i n t st ot h e o c c u p a n tb o t hc h e s ta n dh e a d t l i sw i l lg i v ean e wm e t h o dt oa n a l y s i st h ei n f l u e n c eo ft h e a c c e l e r a t i o nc u r v eo fo c c u p a n td u r i n gv e h i c l ec o l l i s i o n k e yw o r d s ：v e h i c l e ，c r a s h , a c c e l e r a t i o nc u r v e , d u m m yi n j u r yc r i t e r i a i i 独创性说明 作者郑重声明：本硕士学位论文是我个人在导师指导下进行的研究工 作及取得研究成果。尽我所知，除了文中特别加以标注和致谢的地方外， 论文中不包含其他人已经发表或撰写的研究成果，也不包含为获得大连理 工大学或者其他单位的学位或证书所使用过的材料。与我一同工作的同志 对本研究所做的贡献均已在论文中做了明确的说明并表示了谢意。 作者签名： 缉吼耻止 大连理工大学硕士研究生学位论文 大连理工大学学位论文版权使用授权书 本学位论文作者及指导教师完全了解“大连理工大学硕士、博士学位论文版权使用 规定 ，同意大连理工大学保留并向国家有关部门或机构送交学位论文的复印件和电子 版，允许论文被查阅和借阅。本人授权大连理工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，也可采用影印、缩印或扫描等复制手段保存和汇编学位论 文。 作者躲丛缝 导师签名： 1 丝 3 哔年卫月年 大连理工大学硕士学位论文 1 绪论 1 1 课题研究的背景和意义 当今社会能源问题，环保问题，人生安全已经成为各行各业普遍关注的焦点。汽车 作为社会主要交通工具，和工业水准的体现，与之相关而来的安全与节能和环保问题已 成为当今汽车工程领域三大具有重要社会、经济意义的研究热点，并且相关发展也得到 了有关政府部门的高度重视。 随着人们生活的不断进步和提高，汽车保有量不断增加，汽车道路交通事故也逐年 上升，已成为全球范围内的一大公害。2 0 0 6 年一份国际权威报告说，根据7 5 个国家向 世界卫生组织提交的死亡统计数据，全球每年大约有1 2 0 万人死于道路交通事故，每天 有3 2 4 2 人死亡，而受到交通事故上海的人数高达5 0 0 0 万，相当于全球5 个最大城市人 口的总和。 面对严重的交通事故问题，许多国家，如美国、日本和欧洲共同体，都制定了严格 的安全法规和标准。与此同时，国外关于汽车安全研究也早在2 0 世纪6 0 年代就系统地 开展起来，并取得了飞速的发展。随着人们对汽车被动安全性重视程度的增加，汽车的 安全问题成为人们在评价车型好坏的重要因素之一。为进一步促进汽车碰撞安全性的提 高，欧美发达国家在汽车碰撞安全法规的基础上，先后实施了新车评估体系( n c a p ：n e w c a ra s s e s s m e n tp r o g r a m m e ) ，在更高的碰撞速度、更多的碰撞形式以及更严酷的平均 标准下考核车辆的碰撞安全性能，这对汽车的碰撞安全性提出了更高的要求。更促进了 汽车安全法规的贯彻和对汽车安全性研究的开展。随着这一系列汽车安全体系的前进， 许多国家的事故死亡率大大降低。 汽车的安全性研究发展到今天已形成两大分支：汽车的主动安全性研究和被动安全 性研究。主动安全性是指汽车避免发生意外事故的能力；被动安全性是指汽车在发生意 外事故时对车内乘员和车外行人进行有效保护的能力。通俗的讲，主动安全性就是要使 汽车在行驶时“有惊无险”；而被动安全性则要做到汽车发生事故时“车毁人不亡。 汽车发生碰撞事故时，其碰撞形式多种多样，归纳起来大致可分为3 种形式：正面 碰撞、侧面碰撞及后面碰撞，另外还有车撞行人与翻车等。根据资料，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 左右乜 。 汽车碰撞过程中加速度特征对乘员损伤的影响分析 1 6o 70 60 5o 70 70 60 图il 包含所有伤害类型的碰撞事故的概率分布( 美国) f i g l 1p r o b a b i l i t y d i s t r i b u t i o nc o n t a i n o f a l l k i n d s & d a m a g e s r u n i t e d s t a t e s ) 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 1 6 “。可见。汽车前方位不仅是碰撞事故的高发区，而且还是乘员生命安全的高危区。 因此，研究汽车正面碰撞安全性，对减轻交通事故中人员的伤害具有非常重要的意义， 汽车正面碰撞也一直是被动安全研究的最重要的内容。 1 4 器i 蚺 眦* l l 一麟口 呲* l 大连理工大学硬士学位论文 一般地，汽车碰撞安全性研究有两个主要手段，即碰撞试验和计算机数值，二者相 辅相成。 实车碰撞试验与事故的情况虽接近，是综合评价车辆安全性能的最基本、观的方法。 但是实车碰撞试验重复性差，每次试验都要投入巨大的人力物力及大量的时间。实际上 不可能完全依靠试验的方法来改进汽车的碰撞安全性，实践证明试验与计算机模拟相结 合是一条高效的途径。 电子计算机的出现使得人们采用数学模拟方法来研究车身结构的抗撞性成为可能。 随着计算机的普及以及性能的提升，基于显式积分的有限元方法在8 0 年代初有了很大 的发展，使人们可以对大型结构进行动态有限元分析，车身结构的抗撞性研究进入了一 个崭新的时期。 通常认为，提高汽车安全性，车身的结构设计主要体现了汽车抗撞性的好坏，应具 各如下功能： ( 1 ) 为了尽量缓解乘员受到的冲击，必须尽可能缓和吸收车辆和乘员的运动能量。 ( 2 ) 在确保乘员的有效生存空日j 的同时，还必须保证碰撞后乘员易于逃脱和容易 进行车外救护 酗l3 车身结构图 f i g l3 t h ec o n s t u c t o f v e h i c l e b o d y 如图通过刚度的合理分配，结构吸能件的应用以使得车身起到保证乘员生存空间， 吸收碰撞能量的作用。 由汽车碰撞事故造成伤亡的人员有两类，即车内乘员和车外行人。对行人而言，汽 车碰撞事故对人体的损伤都是通过对人体的直接碰撞造成的。但对于车内乘员而言，碰 汽市碰撞过程中加速度特征对乘员损伤的影响分析 撞造成的人体损伤机理较为复杂。如没有安全带的有效保护乘员在正撞中很容易向前 翻飞前排乘员常撞碎挡风玻璃，飞出车外。若安全带发生作用，乘员一般不会飞离座 位，但可能与汽车内饰件发生碰撞，导致不同部位的损伤。即使乘员在安全带的有效作 用下不与汽车内饰发生碰撞，乘员头部和颈部等也可能由于承受过大的加速度而损伤， 或者胸部由于承受过大的安全带压力而损伤。当安全气囊发生作用时，乘员可免与内饰 件碰撞但与气囊覆盖件和气囊的接触可能导致外伤或烧伤。 汽车乘员约束系统是汽车被动安全性研究领域的主要内容之一，包括车体结构模 型、假人模型、座椅模型、安全带模型和安全气囊模型等等，一般的研究主要集中在安 全带和安全气囊子系统的机械特性上，以获得最优的约束性能。如图，约束系统使人体 避免与驾驶室及内饰部件发生二次碰撞，或者使碰撞对人体伤害尽可能的小。 圈l4 约柬系统 f * 1 4 w a i n w e m 综上所述，大多数情况下车内司乘人员伤亡都是由于汽车碰撞导致司乘人员与车内 部件的碰撞造成的。为讨论方便，人们常将汽车的碰撞称为“一次碰撞”，而将人体与 车内部件的碰撞称为“二次碰撞”。显然“二次碰撞”是由“一次碰撞”导致人体与汽 车快速相对运动而造成的。 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。机械损伤指人体在直接的碰撞载荷作用下产生的内伤和外伤，如骨折和皮肉 撕裂等，也即外在的强度超过了人体骨胳或肌肉组织的承受极限；生物损伤指在碰撞导 致的加速度作用下人体某些部位如大脑产生的生物功能损伤，如脑组织发生分离而失去 知觉等；心理损伤指碰撞过程对人体的心理造成的惊慌和恐惧感等。 大连理工大学硕士学位论文 司乘人员在碰撞过程中受到损伤的主要原因可归纳为以下四点： 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值超过了人体的耐受 极限，使人体器官受到损伤。 2 碰撞过程中乘坐室外部件刚硬物体( 如发动机) 侵入乘坐室内部，直接将司乘人 员挤压伤亡。 3 司乘人员在车内遭受单次或多次“二次碰撞 而受伤。 4 在碰撞过程中，乘坐室变形太大，以致司乘人员缺乏生存空间而伤亡。 伤害忍受限度定义为人体或人体的某一部位对一个特定的伤害等级所能忍受的力 和加速度级别。由美国汽车医学协会( 从a m ) 提出的简化伤害标准a i s 是目前广泛采用 的伤害级别的衡量指标。1 9 6 0 年，美国韦恩州立大学的l i s s n e r 提出了直线加速度下头 部耐冲击性的韦恩州伤害标准w s t c 曲线，如图： 1 d ，t ( m s ) f i 9 1 5w a y n es t a t es t a n d a r d sw s t c c l l l - v eo f i n j u r y 在此基础上，形成了头部伤害标准h i c 。h i c 采用下式计算： 肌x 卜 去i ：2 渺n ， 嘲 缃 | 蕃 鳓鹚 |_illll 醣 a 汽车碰撞过程中加速度特征对乘员损伤的影响分析 式( 1 1 ) 中：t l 一碰撞过程中的任意时刻；t 2 - 相对于t l ，h i c 达到最大值的时刻； a - 头部质心的加速度。汽车碰撞中，人的头部主要会受到两种伤害，一是头盖骨骨折，二 是脑损伤( 脑震荡) 。由于在事故中，头盖骨骨折的情况有8 0 都伴有脑震荡，所以，在尸体 试验中以头盖骨骨折为准来判定脑损伤。美国韦恩州立大学( w a y n es t a t eu n i v e r s i t y ) 生物力学研究室经过对死尸头部的大量试验研究，于6 0 年代初得出了一条人体头部承受 能力的极限曲线，后来通过数学变换的方法得到了h i c 的计算公式，将h i c = 1 0 0 0 定为头 部伤害指标，对积分的时间间隔没有限制。 根据h i c 计算公式的特点，如果不对积分的时间间隔限制，在人体经历持续时间较 长、加速度峰值不高、波形趋向矩形的冲击过程时，h i c 的计算结果就会很大，这和人体 头部伤害的实际情况是不相符的。为了避免这种计算偏差，现行的欧、美法规都对积分 的时间间隔限制为3 6 m s ( 以下记为h i c 3 6 ) 。在后来的研究中，h o n d g s o n 发现，引起人头 部头盖骨骨折或脑震荡的有效加速度历程不超过1 5 m s 。p r a s h a d 、m e r t z 在大量的尸体 试验中也发现，在发生头盖骨线形骨折或脑部伤害的样本中h i c 的积分时间间隔都不超 过1 5 m s ，大部分为l o m s 左右h 1 。在经过充分论证的基础上，美国a a m ( t h ea 1 l i a n c eo f a u t o m o b i l em a n u f a c t u r e r s ) 推荐新的头部伤害指标计算h i c 时规定( t 2 - t 1 ) 1 5 m s ( 以 下记为h i c l 5 ) ，伤害指标为h i c l 5 7 0 0 ，该伤害指标已经被f m v s s2 0 8 法规( 2 0 0 0 年版) 采用，并对2 0 0 3 年后生产的车辆实施。 实际上对于头部没有和车内尖锐部件发生强烈撞击的情况，没有时间间隔的h r c 计 算方法夸大地描述了人头部的伤害，进行3 6 m s 时间间隔限制后对伤害的评价和尸体试验 的结果的符合性有所改善，进行1 5 m s 的限制后评价将更为客观。 对于胸部在前碰中的伤害忍受限度，k r o e l l 等人在前碰死尸试验的基础上提出了胸 部挤压指标c ，在此基础上，l a u 和v i a n o 通过对野兔和猪的试验提出了粘性指标v c 。v c 值以胸腔壁的变形速率与挤压变形率的乘积来表示，即： v c ：划奉盟 疵 d ( 0 ) ( 1 2 ) 式中( 1 2 ) ：o ( t ) 一胸腔厚度随时间变化关系( m ) 。对胸部在侧碰中的伤害忍受 限度，有c 指标、v c 指标和t t i ( t h o r a c i ct r a u m ai n d e x ) 胸部伤害指标。 除了头部、胸部以及大腿的伤害忍受限度外，人们还开展了对骨盆、胫骨、膝骨、 腹部、肩部、脸部伤害忍受限度的研究。 一6 一 大连理工大学硕士学位论文 表1 1 各国正面碰撞法规中主要成员保护指标 t a b l e1 1s t a t e sl a w sa n dr e g u l a t i o n si nk e ym e m b e r so f t h ef r o n t a lc r a s hp r o t e c t i o ni n d i c a t o r s 随着安全气囊在美国的强制使用，f ) d v s s2 0 8 做了相应的修改。从1 9 9 7 年1 2 月起， 必须使用生物保真度( b i o f i d e l i t y ) 更好的h y b r i d h i 碰撞试验假人。试验车以4 8 3k m h 的速度与固定壁障正面或成3 0 。角发生碰撞，车上安放两个未系安全带的h y b r i d l h 假 人。 e c er 9 4 法规1 9 9 5 年1 0 月实施的是其第一步固定壁障3 0 。斜角碰撞，碰撞车 速为5 0 k m h ，使用h y b r i d l i i 假人，要求h i c 1 0 0 0 ，胸骨相对于脊柱的变形d 7 5 m m ，大 腿骨轴向力f i o k n 。由于固定壁障的刚度过大，这种刚性壁障的碰撞试验没有考虑到事 故中各种车型碰撞的相容性( c o m p a t i b i l i t y ) ，不能更好的模拟现实中正面碰撞交通 事故。在做了大量研究工作后，e c er 9 4 从1 9 9 8 年1 0 月起实施第二步计划，使用变形 壁障，进行于汽车前端有4 0 重叠的偏置碰撞( o f f s e tc r a s h ) 试验，并将试验车速提 高到5 6 k m h ，车上安放两个系安全带的h y b r i d l h 假人。 汽车碰撞过程中加速度特征对乘员损伤的影响分析 表1 2 国内外正面碰撞法规比较 t a b l e1 2c o m p a r i s o no ff r o n t a li m p a c tr e g u l a t i o n sa th o m ea n da b r o a d j j ll li l 吲g b1 1 55 1 ：0 0 3炎l qf m v s s ：0 8 敞龇e c er 9 4 a 定势障顷ft ) 7 0 以l ：4 5 以l ：7 0 以l ： 象t j | j j l l 缝瞍 没暖求05 9 以f没霞求 羹l i 趣 逢瞧0 2 9 9 以r0 2 9 9 以卜0 2 9 9 以卜_ 假入杯定絮温瞧( o c ) ：o5 ：2 2二0 5 2 2 22 05 二二2 车辆杯惫淞瞧( 。c ， 1 9 一，：2 0 5 一、2 2 21 9 ，2 2 2 个h y b r i d d l l l 5 0 “h y b n d d i i l 5 0n 分逝：拿h y b r i d d i i l 5 0f 1 假人 分 奠乃。r l 锻人 粥r ：饭人分化。r e 缎人 文郝h i c ：1 0 0 0 ：胸 火酃m c ：1 0 0 0 ；臃 炙郝h i c ：1 0 0 0 ：澍 伤辫值( 磁久允许戗)部变形：7 5 r a m ：人褪 部娈形：7 6 2 r a m ：胸 邪受形：7 5 r a m ；久罐 酃g ：6 0 9 ：犬越= j = 力：1 0 k n力：10 k n 1 0 k n 磁掩绝缆 0 。( 0 一一3 0 ) 。4 0 翰霞撕搀 磷挖速瞧( k m h ， 4 8 、5 04 8 35 6 罐挎 霞精瘦 士1 5 0士1 5 0士1 5 0 我国于1 9 8 9 年制定了汽车乘员碰撞保护( g b t 1 1 5 5 1 8 9 ) 、防止汽车转向机构驶员 伤害的规定( g b t 1 1 5 5 7 ) 和汽车正面碰撞时对燃油泄露的规定b 1 1 5 5 3 8 9 ) 等国家标准， 这些标准基本上与美国f m v s s 法规相近，所要求准也一样，不过不属于强检项目，并没 有强制要求执行。近年来，在不断开展汽车碰撞试验研究的基础上，我国亦已形成自己 的汽车碰撞安全法规系统。2 0 0 0 年发布了关于正面碰撞乘员保护的设计规则( c m v d r 2 9 4 ) 及防止汽车转向机构对驾驶员伤害的规定( g b l l 5 5 7 1 9 9 8 ) ，便是参照目前欧、 美法规制定的一个比较完全意义上的安全标准，该设计规则的出台，极大地促进了我国 汽车被动安全性研究的进展。表1 2 为国内外正面碰撞法规的基本比较。 1 2 国内外研究现状及研究方法 高速运行的汽车发生碰撞事故时，在碰撞前的动能将在极短的时间内( 约几百毫秒) 以其它形式的能量耗散。使用具有延展性的钢材制成的车体结构，碰撞能量的吸收主要 通过金属结构的塑性大变形来完成。为此，在提高汽车主动安全保护以尽可能避免碰撞 事故发生的同时，要考虑汽车结构的碰撞安全性设计是否合理，汽车结构变形产生的缓 冲力与乘员约束系统能否良好匹配，这最终决定了汽车能否有效保护车内乘员的人身安 全。 大连理工大学硕士学位论文 目前，从车身结构出发对被动安全的研究主要考虑在碰撞过程中结构变形的合理。 但是，由于乘员是在一次碰撞产生的加速度载荷下的产生响应，随之约束系统发生作用， 所以随着乘员保护的发展，逐步开始对汽车车身变形过程产生的加速度波形提出要求以 及评价指标，以使得车身加速度不会给成员带来过多伤害，并能配合约束系统发挥作用。 国内曾有文章指出( 参考文献 5 ) ：人体所能感受到的冲击越平缓则越有利于人体 保护是一个不容置疑的事实。我们可以把研究工作集中在优化传递到人体上的冲击波形 上，通过开展汽车车体结构各部件对这一冲击波形的灵敏度分析，找出汽车碰撞时影 响人体冲击波形的重要因素及调整人体上冲击波形的措施，建立起一套控制人体上冲击 波形的完整的技术体系，这样，就能保证汽车的安全性能始终处于最优状态。 从汽车碰撞安全的设计角度出发，我们一方面需要知道，满足乘员保护所需要的最 优加速度曲线，同时还需要了解，当实际加速度曲线与理想加速度曲线发生偏差时，存 在的偏差所带来的影响大小。 但是理想的加速度曲线由于方法等各种因素的制约，一直很难有研究能够准确给 出。因此，现有很多研究通过建立加速度载荷带入所建立的虚拟数值模型，通过对比损 伤的输出，以对此问题进行讨论。 论文 5 ，将车身加速度曲线归结为等效双梯形曲线( t h ee q u i v a l e n t d u a l t r a p e z o i d sc u r v e ，e d t c ) ，如图。通过虚拟实验方法，改变曲线的各边参数，带 入仿真系统，观测结果，来研究e d t c 曲线的特征参数与假人主要伤害值响应的相关性。 o 7 5 一蛳 1 5 j 璇 熬 塔 2 2 5 3 0 列? i 埘m s 图1 6 车身加速度曲线等效双梯形曲线 f i g1 6t h ee q u i v a l e n td u a l t r a p e z o i d sc u r v e ，e d t c 汽车碰撞过程中加速度特征对乘员损伤的影响分析 这样的方法，可以直接得到某一类特征的加速度曲线的响应结果，但是却不能本质 的反应各个因素之间的联系。 国内的研究中论文 6 、 7 、提出了车身加速度的一些相关特征会对乘员产生影响， 认为汽车在碰撞过程中的峰值和脉宽是车身加速度影响乘员保护的主要因素。论文 8 ， 提出了车身正面碰撞评价指标。认为加速度峰值表征汽车在碰撞时所受的最大载荷是一 个重要参数，峰值越高，汽车所产生的二次碰撞最大载荷越大，碰撞安全性越差。 由于这些研究基本认为，车身加速度峰值，是造成乘员损伤的主要因素，所以很多 研究人员着力考虑如何进行结构优化以降低峰值。然而峰值的降低，受到加工手段，加 工成本等多方面的因素制约，由于目前还没有研究能详细的给出，这些因素的变化，对 二次碰撞及乘员损伤的具体影响大小，使得在做车身结构设计时，无法对其产生特征的 影响进行衡量，所以无法评估对结构进行的改进是否具有相应大小的效果。 随着研究的深入，人们发现在包含安全气袋的约束系统中，由气袋作为安全带的辅 助约束装置，安全带与气袋协同作用，乘员受到的载荷与乘员相对车身位移仍能保持良 好的线性关系( 如图1 7 ) 呤1 。因此，将躯干与车身之间安全带的作用简化为一维一阶的 弹簧质量块系统具有一定的科学性和可行性。 岛 删 捌 口 车之 i * 锭 星 假人胸部相对车身位移( m ) 图1 7 碰撞假人胸部相对车辆位移与胸部加速度关系 f i g1 7t h er e l a t i o n s h i pb e t w e e nc h e s ta c c e l e r a t i o na n dv e h i c l ed i s p l a c e m e n td u r i n gc r u s h m e n t 在国外的研究中，论文 1 0 、1 1 、1 2 、1 3 ，通过建立简化的一维质量块模型，代表 碰撞过程中的人、车关系，对理想的车身加速度曲线形式进行了推导计算。以使人体产 大连理工大学硕士学位论文 生的加速度最大值尽可能低。结果证明，由于约束系统本身的特性，以及乘员在约束系 统下的运动规律，矩形波并不一定是最优的加速度波形。 理想加速度曲线是人们渴望找寻的，然而另一方面在实际碰撞过程中都要通过结构 变形来产生。汽车车身的碰撞主要是通过薄壁梁的变形来完成，由于薄壁梁特定的变形 形式，产生的载荷也有其固有的特征，所以要达到理想的加速度波形是非常困难的。然 而现在计算出的理想加速度波形，仅仅是一根线，其中一般包括了高值段，低值甚至负 值段以及常值直线段，当实际加速度波形与理想加速度波形存在偏差时，并没有办法进 行评价或者分析，扰动程度及影响的大小无法进行度量。 清华大学的研究n4 l ，从各种汽车正面碰撞的加速度波形入手，将加速度波形进行了 分类，根据加速度曲线与坐标围成的面积分布提取了碰撞加速度放大因子、加速度时间 历程等参数，利用基本的集中质量块模型，计算并讨论了这些参数以及约束系统参数对 乘员保护的影响及相互间的关系。其研究是基于碰撞加速度波形整体情况的分析，提出 了车辆碰撞加速度与约束系统的匹配方法，设计了汽车正面碰撞设计、改进的流程。是 目前较为全面系统的研究。 1 3 本文的主要研究内容 本文期望从具体结构变形产生的加速度的基本特征入手，提取其主要特征，利用多 刚体理论在计算机上建立乘员内部约束系统模型，将载荷代入设定好的的三维假人模型 系统中，从人体响应的特性以及假人的损伤情况出发，对比在变换其特征强度的系列输 入下，输出的变化趋势，以得出乘员对此特征的敏感度。总结规律。以此对碰撞产生的 载荷特性进行评估，为结构设计带来参考。 另外，本文希望通过建立一维二阶的质量块弹簧系统，表征碰撞过程中车、人体躯 干和头部的关系，并与加速度曲线的模型表达式，来建立各个特征参数间的相互联系， 以研究车身加速度对于头部的影响，为今后的汽车安全设计带来帮助。 汽车碰撞过程中加速度特征对乘员损伤的影响分析 2 碰撞仿真理论及方法简介 2 1 仿真计算介绍 汽车碰撞模拟理论的发展过程就是不断将最新的力学成果融入其中的过程。随着牛 顿矢量力学、拉格朗日分析力学，到多刚体系统动力学和有限元理论，以及数值方法和 计算机技术水平的不断提高，汽车碰撞计算模拟理论和方法得到了不断发展和完善。 在汽车开发阶段利用计算机仿真方法进行车身结构耐撞性的分析可以有效地提高 新车型碰撞性能的可靠性，在产品定型生产之前就能及时评价和改进车辆的碰撞性能， 从而缩短开发周期，降低开发成本，提高产品的市场竞争能力。在近二十年来，碰撞仿 真技术发展迅速，已成了新车开发中不可或缺的一部分。碰撞建模、碰撞受害者分析软 件和汽车碰撞仿真分析软件是碰撞仿真分析的三个重要组成部分。 碰撞领域的数学模型按照建模方法又可以分为集中参数模型、多刚体系统模型和有 限元模型。集中参数模型多用于新车概念设计及参数辨识、性能优化以及预测交通事故 中汽车的运动，它由质量、弹簧、阻尼器构成。多刚体系统模型适合于人体动力学响应 的仿真，在汽车碰撞中称为碰撞受害者模型( c v s - c r a s hv i c t i ms i m u l a t i o n ) ，分析 多刚体系统模型的响应可以用多刚体系统动力学法。有限元模型适用于建立汽车结构模 型及人体局部结构的生物力学分析模型。它能真实地描述结构变形。 2 2 碰撞仿真软件的介绍 仿真分析离不开计算机软件，汽车碰撞仿真中应用较为广泛的计算机软件主要有两 大类，分别用于有限元模型和多刚体系统模型。用于有限元的软件最常用的是l s d y n a 、 p a m c r a s h 和m s c d y t r a n 。 d y n a 程序系列于1 9 7 6 年由美国劳伦斯利弗莫尔国家研究所的j 0 h a l l q u i s t 博 士主持开发并完成，主要目的是为武器设计提供分析工具。1 9 8 8 年j 0 h a l l q u i s t 创建 l s t c 公司，推出l s d y n a 程序系列，主要包括显式l s - d y n a 2 d 、l s d y n a 3 d ，隐式 l s n i k e 2 d 、l s n i k e 3 d ，热分析l s t o p a z 2 d 、l s - t o p a z 3 d 及前后处理l s - k k z e 、l s o r i o n 、 l s - t a u r u s 等商用程序，进一步完善了d y n a 的研究成果，并陆续推出9 3 0 版、9 3 6 版、 9 4 0 版，增加了汽车安全性分析( 汽车碰撞、气囊、安全带、假人) 、薄板冲压成型过 程模拟、以及流体与固体耦合等新功能，使得l s d y n a 程序系统在国防和民用领域的应 用范围进一步扩大，并建立了完备的质量保证体系。2 0 0 1 年5 月l s t c 公司推出了9 6 0 版l s d y n a 。l s d y n a 程序9 6 0 版是功能齐全的几何非线性( 大位移、大转动和大应变) 、 大连理工大学硕士学位论文 材料非线性( 1 4 0 多种材料动态模型) 和接触非线性( 3 0 多种接触类型) 程序。它以 l a g r a n g e 算法为主，兼有a l e 和e u l e r 算法；以显式求解为主，兼有隐式求解功能；以 结构分析为主，兼有热分析、流体一结构耦合功能；以非线性动力分析为主，兼有静力 分析功能( 如动力分析前的预应力计算和薄板冲压成型后的回弹计算) ；军用和民用相 结合的通用结构分析非线性有限元程序。 p a m - c r a s h 软件的核心部分是以l i v e m o r e 国家试验室于7 0 年代开发出d y n a 公开版 的理论为基础，再加上b e l y k a ft a i 的论文，在分析和研究结构三维动态大变形方面具 有非常强的功能，特别是在被动安全性领域的研究十分成功。 它不仅融入d y n a 的基本特征，而且还有其独到之处。该软件为适应汽车技术的进 步和用户的需要不断地改进和发展，现已趋于成熟，并通过了试验的验证。在9 7 版本 中包括了1 0 0 多种材料的模型，包括汽车经常使用的橡胶、泡沫、玻璃等材料，允许用 户输入自定义的材料特性。该软件具有与m a d y m o 和c a l 3 d 的接口。 2 3 多体系统计算 2 3 1 多体系统概述 工程中的机械系统大多由许多构件组成，研究这些复杂系统是往往可以将系统的各 构件简化为刚体，而刚体之间靠“铰”连接，从而得到“多刚体。研究这种系统时， 采用的是多刚体理论。 一个多刚体系统包括体、运动铰和初始条件，另外在接触计算和后处理图视化显示 中可能需要知道体的形状等。 刚体是通过质量、转动惯性特性和质心位置定义的。当一个体跟其它体或环境没有 发生接触时，他的形状与运动方程没有关系，只有考虑接触的情况才需要定义体的形状。 运动铰可限制所连接的两个体的相对运动，多刚体系统的相互连接关系取决于运动 铰的定义，运动铰的定义包括所连接的两个刚体、铰的位置和方向。以是圆柱铰链( 两 刚体之间有一个相对转动的自由度) 、万向节铰链( 两对自由转动) 、球铰( 三个相对 转动的自由度) ，也可以是其它形式的运约束( 如棱柱形约束允许一个相对滑动的自由 度) ，甚至没有物理意义上动学约束，而只有力的作用，即所谓的“广义铰 ( 如弹簧 连接) 。 多刚体系统从结构上可以分为两类，树状结构和非树状结构( 闭环结构) 。结构的 区分取决于“通路”的概念。在多刚体系统中，从某一刚体b i 出发，一系列刚体( 和 铰) 可以达到另一个刚体b j ，图中所涉及的每个刚体( 和的集合为由b i 到b j 的一个通 路，如图6 - 1 。如果系统中任意两刚体之间都有一个通路存在，则称系统为树状结构， 汽车碰撞过程中加速度特征对乘员损伤的影响分析 如图6 - 1 中的( a ) 和( c ) 。如果系统至少有两个刚体之间存在两个( 或更多的) 通路， 则称系统为非树状结构环结构) ，如图6 1 中的( b ) ，这时，从b i 到b j 的两个通路 构成一个闭合链。 ( a )( b )( c ) 图2 1 树状结构与非树状结构 f i g2 1t r e es t r u c t u r ea n dn o n t r e es t r u c t u r e 2 3 2 多刚体动力学方法 用多刚体技术建立的模型是一组彼此之间用不同类型的铰链连接起来的多个刚体， 一般形成一个开环的树状结构，通过定义铰链的自由度、约束力、约束刚度和刚体的惯 性得到多体系统的刚体动力学模型。模型中的刚体形状可以是平面、柱面、椭球或超椭 球，它们形成了多刚体模型在碰撞环境中的接触表面。根据动量守恒定律，多刚体系统 中的每个刚体在进行直线与旋转运动时的运动控制方程欧拉方法得到，刚体关于它自身 惯性中心的运动方程为： m f f 产f i( 2 1 ) l i i 专咄嘶i = t 2 ( 2 2 ) 现 一质量； 扎一关于惯性中心的惯性矩5 t 角速度向量； f ；一力向量； l - 力矩( 相对于惯性中心) 向量； r j - 位移向量。 大连理工大学硕士学位论文 对于多个刚体中的某一个刚体来说，和还包括通过铰作用的力，一般除非知道了整 个系统的加速度，否则这些铰链的约束力是不知道的。在式( 2 1 ) 中对位移向量取变 分，式( 2 2 ) 中对方位取变分，然后两式相加，则取变分后的i 个刚体有： 面i 崩，一篡) + 艿魄e 唆+ 噬键一乏) 篇0 ( 9 3 ) 若由铰链所产生的约束不被破坏的话，则按照虚功原理，可以得到用铰的自由度对 时间的二阶导数表示的如下方程： 镬= mj y + 0 ， 叩琴翠- ( 2 4 ) 式( 2 4 ) 中是在父刚体i ( 树状结构的上一层刚体) 坐标系中的线性和角加速度分 量组成的列矩阵，m 和取决于刚体的惯性及瞬时的几何位置，还与系统的瞬时速度和作 用的载荷有关。利用式( 2 4 ) 由开环刚体系统的分枝端点始计算，就可以求解整个系 统。可以用不同的积分方法以各种外力和加速度场作为初始条件求解运动方程式( 2 4 ) ， 如改进欧拉法，固定时间步长的四阶龙格一库塔( r u n g e k u t t a ) 法或可变时间步长的 五阶龙格一库塔法等。 多刚体动力学仿真软件在车辆碰撞分析和冲击生物力学研究领域得到了广泛，目前 乘员约束系统仿真中主要是用多刚体技术模拟汽车驾驶员和乘客，安囊和安全带一般用 有限元技术模拟。 2 3 3m a d y m o 简介 在关于汽车碰撞安全性的所有研究中，研究的目的或核心对象都是基于乘员，即所 有的研究都是围绕着对乘员的保护进行的，因此，对人体本身的碰撞损伤研究是一个必 不可少的研究课题。这类研究包括人体承受外部冲击能力的研究、人体的生物力学特性 研究以及碰撞损伤评价指标与方法研究等。对乘员的受撞研究始于2 0 世纪7 0 年代，目 前比较成熟的或广泛使用的研究方法是多刚体动力学法和有限元方法。多刚体动力学法 以荷兰国家科学研究院( 简称t n o ) 研究开发的m a d y m o 软件为代表，它基于乘员特征、 乘坐环境、约束系统和碰撞状态建立由铰连接的多刚体系统模型，用以进行碰撞受害者 的运动和动力响应计算和分析。现在已开发出来的并且应用较为广泛的c v s 类软件有 c a l 3 d 和m a d y m o 。 1 9 7 0 年前后，纽约的c a l s p a n 公司开始对模拟碰撞条件下的乘员三维响应的数学模 型进行开发研究。由b a r t z 将研究结果以c a l 3 d 和c v s 名称公开发表。后来，该软件叫 做c a l 3 d v l 和c a l 3 d v 3 。乘员模型由带有4 0 个自由度的1 5 个刚体组成，为对乘员产生 接触外力专门建立了一个接触模型。后来，c a l s p a n 的f l e c k 对此软件进行进一步的发 汽车碰撞过程中加速度特征对乘员损伤的影响分析 展，以c v s v l l l 名称公开发表。在该版本中，将给定数目的刚体模型推广到任意数目的 多刚体系统，增加了虚节点的概念，用来模拟刚体间的相互作用。在1 9 7 4 年到1 9 8 2 年 间，在n h t s a 和a f a m r l ( 美国空军航空医药研究试验室) 支持下，f l e c k 和b u t l e r 将 软件改进成a t b 。1 9 8 8 年又有新的版本称为c a l 3 d v 3 7 等。 m a d y m o ( m a t h e m a t i c a ld y n a m i cm o d e l ) 软件是由荷兰t n o 道路设计车辆研究院开 发的，它可以进行碰撞仿真并评价乘员的伤害。该软件虽然最初是用来研究汽车碰撞中 乘员的行为，但后来也可以用来分析各种交通碰撞事故，如火车、飞机、摩托车和自行 车事故的情况 4 8 。近年来，其开发人员成功地将有限元与多刚体系统耦合，使之成为 了一个多刚体与有限元结合的数学模拟软件。m a d y m o 乘员模拟软件由m a d y m 0 2 d 和 m a d y m 0 3 d 两种版本构成。最早的版本由荷兰t n o ( 国家技术研究院) 于1 9 7 5 年发表。 从那时起，t n o 不断地对该程序进行优化和完善。到1 9 9 4 年，发表了带有前后处理图形 软件的m a d y m 0 3 d ，也叫e a s i - m a d ，它是由美国底特律的e a s i e n g i n e e r i n g 公司开发出 来的。它可以用鼠标一菜单方式指导用户创建、处理和显示m a d y m o 的输入输出数据。此 外，m a d y m o 程序和有限元程序d y n a 3 d 、p a m c r a s h 、l s d y n a 3 d 和m s c d y t a a n 之间有良 好的界面接口，可以在计算车体碰撞大变形的同时，计算出车内乘员的动态响应。 m a d y m 0 3 d 模块是多体系统和瞬态显式有限元一体化的求解器，如图： 图2 2m a d y m 0 结构示意图 f i g2 2s c h e m a t i cd i a g r a mo fm a d y m o 多体系统主要用于模拟整体响应( 如碰撞假人、汽车悬架、机械系统等) ，有限元 模型用于模拟结构大变形( 如安全气囊、安全带、碰撞假人局部结构、汽车车身结构部 大连理工大学硕士学位论文 件) 。在刚体和有限元单元之间有两种直接的相互作用：支撑是节点与刚体之间的刚性 连接，接触是刚体与节点之间的第二种相互作用。为了最小化c p u 的计算时间，可以使 用不同的显式积分法，并将有限元的计算作为多刚体计算的子程序进行。 刚体模块是基于多刚体系统动力学理论，即系统由多个刚体通过运动铰或动力铰连 接在一起。每个刚体有六个自由度，三个平动，三个转动。基本的运动铰包括旋转铰、 滑移铰、万向铰、1 球铰、平面铰、自由铰、固接铰和用户自定义铰。每一种动力铰都对 应着一个动力学约束模型，它定义了基于铰运动的摩擦、阻尼和弹性特性。专门的几何 表面，如椭球、平面，可以附着在任何刚体上来描述刚体的几何外形。 在m a d y m o 中，每个系统必须是一个树系统。对于闭环系统，可以通过用一个有足 够刚性的弹簧一阻尼单元代替铰的方法将闭环系统转化成树结构系统。除了描述运动和 相互接触外，多刚体系统的运动还受来自弹簧、阻尼、约束系统作用力的影响。m a d y m o 提供了一系列标准作用力模型，如k e l v i n 和m a