（车辆工程专业论文）轿车追尾碰撞结构安全性及乘员损伤防护研究.pdf

轿乍追尾碰掩结构安全性及乘员防护研究 摘要 追尾碰撞作为主要交通事故形态之一，其发生率仅次于正面碰撞和侧面碰撞。 而在全国高速公路事故中，追尾碰撞事故所占比例一直位居首位。由于追尾碰撞 容易导致乘员发生包括颈部损伤在内的各种损伤，且在碰撞过程中和碰撞后极易 发生燃油泄漏从而造成的火灾，造成重大伤亡事故和财产损失。因此，如何降低 追尾碰撞中燃油泄漏风险和乘员损伤成了车辆安全领域一个亟待解决的问题。 针对轿车追尾碰撞中燃油系统的稳定性和车身后部结构耐撞性研究，本文首 先建立并验证了某款轿车的整车有限元模型，按照北美联邦机动车安全法规新 f m v s s3 0 l 要求，建立追尾碰撞仿真模型并对其有效性进行验证。采用正交试验 设计方法和综合平衡法，以油箱的最大有效塑性应变值为主要评价指标，后纵梁 和后保险杠的总吸能量和油箱周围主要结构的变形为辅助评价指标，对后纵梁及 后保险杠的厚度和材料参数进行优化。 针对追尾碰撞中乘员损伤防护的问题，本文重点研究了座椅参数对驾驶员损 伤的影响。应用m a d y m o 软件，建立并验证了一个追尾碰撞多刚体仿真模型， 利用该模型进行仿真试验，研究座椅的参数，如头枕与头部的位置( 包括水平距 离和竖直距离) 、靠背倾角、座垫倾角和靠背刚度等对驾驶员损伤的影响。 本论文仿真分析研究工作可得到如下主要结果和结论： 整车有限元追尾碰撞模型的分析结果表明，通过对后保险杠和后纵梁厚度和 材料的优化，油箱的最大有效塑性应变值降低了5 0 0 7 。有效地降低了燃油泄漏 的风险性，增强了轿车追尾碰撞的耐撞性，为今后开展轿车高速追尾碰撞结构安 全性研究提供了可借鉴的方法。 多刚体动力学座椅一假人模型仿真分析结果显示，在高速追尾碰撞中，头枕与 头部的竖直距离在一定高度范围内，计算得到的驾驶员的损伤参数值没有显著的 变化。当头枕与头部的竖直距离达到一定高度后，会显著增加驾驶员的头部和颈 部损伤几率。过大或过小的座垫倾角会增加颈部损伤的风险。 关键词：追尾碰撞；有限元；仿真；优化；损伤生物力学：座椅设计参数 i i a b s t r a c t p a s s e n g e rc a rr e a r 。e n dc r a s hi so n eo ft h em a j o rc a t e g o r i e so ft h eu r b a nr o a d t r a f j f i ca c c i d e n t s ，t h ei n c i d e n c ei s r a n k i n ga f t e rt h ef r o n ta n ds i d ei m p a c tc a t e g o r i e s t h i st y p eo fa c c i d e n t sr a n k e df i r s to fa l la c c i d e n t so nn a t i o n a lf r e e w a v s t h en e c k i n j u r yi so n eo ft h et y p i c a l i n j u r i e so c c u r r e df r e q u e n t l yi nr e a r e n di m p a c t m o r e o v e r ， t h e 丘r e sr e s u l t i n gf r o mf u e l s p i l l a g ea r el i k e l yt oh a p p e ni nt h i st y p eo fa c c i d e n t s ， w h i c hc a nl e a dt oa d d i t i o n a lp r o p e r t yl o s s e sa n dc a s u a l t i e s s oh o w t op r e v e n tf u e l s p i l l a g er i s ka n di n j u r i e sf r o mr e a ri m p a c t sb e c o m e sa ni n c r e a s i n gp r o b l e mi nt h e f i l e do fv e h i c l es a f e t y i no r d e rt os t u d yo nv e h i c l ec r a s h w o r t h i n e s sa n dt h ei n t e g r i t yo ff u e is y s t e m so f v e h i c l ei nr e a r e n d i m p a c t ， af i n i t ee l e m e i l tm o d e lo fc a rw a s a d a p t e d t h e n ， a c c o r d i n gt ot h en e wf m v s s3 0 1r e q u i r e m e n t ，a nf em o d e lo fp a s s e n g e rc a rw a s b u i l ta n dv a l i d a t e dw i t ha v a i l a b l ee x p e r i m e n td a t at om a k ea na n a l y s i so ft h er e a r i m p a c t f u r t h e r m o r e ，t h er e a rb u m p e ra n dr a 订s t r u c t u r ew e r eo p t i m i z e db yu s i n g 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 dc o m p r e h e n s i v ee q u i l i b r i u mm e t h o d s t h e e i f e c t so f4p a r a m e t e r so ft h i c k n e s sa n dt y p eo fm a t e r i a lo f r e a rr a i la n dr e a rb u m p e r o ni n t e g r i t yo ff u e ls y s t e mo ft h ec a rw e r ec o n s i d e r e da sm a i nd e s i g np a r a m e t e r s t h e m a i no b je c t i v eo fo p t i m i z a t i o nw a st h em a x i m u me f f e c t i v es t r a i no ff u e lt a n k t h e s e c o n d a r yo b j e c t i v e s 、v e r et h ee n e r g y - a b s o r b i n gc a p a b i l i t yo fr e a rr a i la n dr e a r b u m p e ra n dt h ed e f o r m a t i o no ft a n ks t r u c t u r ea r o u n d i no r d e rt o s t u d yo nt h er i s ko fp a s s e n g e ri 1 1 ju r i e si nr e a r e n di m p a c t s ， a m u i t i _ b o d ym o d e lo fr e a 卜e n di n l p a c tw e r ed e v e l o p e da n dv a l i d a t e d t h em o d e lw a s u s e dt oi n v e s t i g a t et h ei n f l u e n c eo fd r i v e rs e a to nd r i v e ri i l j u r i e si nt e r m so fd e s i g n p a r a m e t e r s ，s u c ha sd i s t a n c eb e t w e e nh e a da n dh e a d r e s t r a i n ，o b l i q u i t yo fs e a tb a c k ， s e a tc u s h i o n ，a n ds t i f f n e s so fs e a tb a c k a c c o r d i n gt os i m u l a t i o nr e s u l t s ，t h ef o l l o w i n gc o n c l u s i o n sw e r em a d e t h es i m u l a t i o nr e s u l t so fr e a ri m p a c ta n a l y s i sm o d e ls h o w e dt h a tt h em a x i m u m e f k c t i v es t r a i no ff u e lt a n kw a sr e d u c e db y5 0 7 a f t e r o p t i m i z a t i o no ft h ed e s i g n p a r a m e t e r so fr e a rb u m p e ra n dr e a rr a i l t h ea p p r o a c ho fm a t h e m a t i c a lm o d e l s c o m b i n e dw i t ho p t i m i z a t i o np r o c e d u r e si s v e r yu s e f u li nt h ed e s i g no fc a rb o d v s t r u c t u r e ，c o n s i d e r i n gt h ei m p r o v e m e n to fp a s s e n g e rc a rc r a s h w o r t h i n e s s s i m u l a t i o nr e s u l t so fm u l t i b o d ym o d e ls h o w e dt h a tw h e nt h ev e r t i c a ld i s t a n c e i i i 轿车追尾碰撞结构安全性及乘员防护研究 b e t w e e nh e a da n dh e a d r e s tw i t h i nac e r t a i nr a n g e ，t h e r ew a sn om a r k e dc h a n g eo n d r i v e ri i l ju r yp a r a m e t e r s ，o n c et h ed i s t a n c eb e y o n dt h eb o u n d a r y ，t h er i s ko fh e a da n d n e c ki n j u r i e so fd r i v e ri n c r e a s e dd i s t i n c t l y e i t h e rr a i s i n go rl o w e ro fo b l i q u i t yo f c u s h i o nw i l li n c r e a s et h er i s ko fn e c k 岫u r i e s k e yw o r d s ：r e a r - e n di m p a c t ；f i n i t ee l e m e n t ；s i m u l a t i o n ；0 p t i m u m ；i n j u r y b i o m e c h a n i c s ；d e s i g np a r a m e t e r so fs e a t 硕士学位论文 第1 章绪论 1 1 课题研究的背景和意义 随着我国汽车工业的高速发展，汽车销量和保有量逐年俱增，据中国汽车工 业协会最新发布的数据显示，2 0 0 9 年中国国产汽车产销分别为1 3 7 9 1 0 万辆和 1 3 6 4 4 8 万辆，首次成为世界汽车产销第一大国。在汽车工业发展的同时，道路 交通事故频繁发生，交通事故伤亡已经成为威胁人类自身安全的世界一大公害， 成为人们关注的社会热点问题。作为人口超过1 3 亿的发展中国家，中国的道路交 通事故死亡人数从二十世纪八十年代末首次超过五万人，至2 0 0 8 年，中国的交通 事故死亡人数已经连续十余年居世界第一。表1 1 是我国1 9 9 9 2 0 0 8 年间的交通 事故概况。 表1 1 1 9 9 9 2 0 0 8 年道路交通事故概况 从表1 1 可以看出，19 9 9 2 0 0 8 年间，中国的道路交通事故次数、受伤人数、 直接财产损失均呈先升后降的趋势，这是由于汽车安全性越来越受到人们的重视， 国家加大交通管理力度，相继出台各类汽车安全法规，推动了汽车被动安全设计 的发展。 根据我国道路交通事故统计数据，2 0 0 1 2 0 0 8 年追尾碰撞形态数据统计如表 1 2 所示。追尾碰撞是发生率次于正面碰撞和侧面碰撞的主要交通事故形态，虽 然追尾碰撞不像正面碰撞那样容易对车内人员造成直接的严重伤害，但是由于追 尾碰撞容易导致乘员发生包括颈部损伤在内的各种损伤，且在碰撞过程中及碰撞 后燃油泄漏造成的火灾也会导致车内人员出现重大伤亡的灾难性后果。因此，追 轿车追尾碰撞结构安全性及乘员损伤防护研究 尾碰撞所造成的人员伤亡和直接经济损失不容小觑。2 0 0 8 年追尾碰撞造成的直接 财产损失高达2 5 亿元，直接财产损失比例为2 5 1 2 ，高于正面碰撞的2 1 4 4 和侧面碰撞的2 4 3 9 ，而且在全国高速公路事故中，追尾碰撞事故次数比例位居 首位，高达4 4 8 6 。因此，在我国开展追尾碰撞的研究，提高汽车追尾碰撞安全 性对改善我国道路交通安全具有重大意义。 表1 22 0 0 1 2 0 0 8 年我国追尾碰撞事故统计 1 2 汽车追尾碰撞国内外研究历史和现状 欧美等汽车发达国家对汽车追尾碰撞的研究始于2 0 世纪5 0 年代，研究重点分 为乘员颈部损伤研究和结构安全研究两个方面。 1 9 5 5 年，s e v e r y 等人最早发表了关于颈部损伤实验研究的报告，对追尾碰撞 中驾驶员的颈部损伤进行研究，得到志愿者头部运动的一些数据心1 ，但是这些数 据没有碰撞中将产生什么类型的头部加速度，及颈部如何吸收碰撞中的加速度和 力的信息1 。 1 9 6 4 年，m a c n a b 提出了过伸理论h j l ，即颈部损伤是在追尾碰撞中过度伸展 和弯曲造成的。 从19 6 7 年到1 9 7 1 年，m e r t z 和p a t r i c k 公布了1 6 k m h 和3 7 k m h 撞击速度下的尸体 实验和志愿者实验的数据哺j 1 。其中包括头部的精确加速度，颈部的最大弯矩，轴 向压缩力，剪切力等，这些参数对于制定颈部损伤准则起了较大的作用。 1 9 8 6 年，a l d m a n 等人发现挥鞭伤对神经根造成压力的时候，脊髓槽内的压力 也会增加，从而提出脊髓槽内压力梯度假说膪3 。1 9 9 3 年，s v e n s s o n 发现这种压力 可以影响背部神经根的中心，促使背部神经根的中心发送疼痛的信号给大脑阳】。 1 9 9 6 年，b o s t r o m 等人n 叫根据a l d m a n 的理论提出了颈部损伤准则( n i c ) ，使得人 们对颈部损伤的评价有了科学的依据。n i c ( n e c ki n j u r yc r i t e r i a ) 是目前用来评 价汽车乘员约束系统对乘员保护效率应用最为广泛的一个颈部损伤准则。 2 硕士学位论文 从2 0 世纪9 0 年代以来，高速摄像机、高速x 射线成像术等高科技手段应用到 追尾碰撞的尸体和志愿者的颈部损伤实验中。各种新的颈部损伤机理也相继提出。 1 9 9 2 年，p e n n i n g 等人提出了过度平移损伤机理3 。他发现c o 到c 2 之间椎骨的转 动，简单的平移要比头部弯曲和伸展大。而下端颈椎没有出现这种情况，因此他 认为在挥鞭伤中上端颈椎应该占有更大的比重。 1 9 9 6 年，y a n g 和b e g e m a n 提出了一个剪切力假说n 别。他们认为剪切力是造成 关节面囊疼痛的原因，因为在挥鞭伤过程中，面关节囊被伸长了。1 9 9 7 年o n o 等 人提出面关节侵入损伤机理n3 1 ，即一部分面关节囊被围困在面关节之间，在颈部 运动过程中由于被夹紧而产生疼痛。 1 9 9 8 年，p a n i a b i 等人提出了s 形局部过伸假说1 。他们认为颈部下端的脊椎 是因为局部过度伸展造成的，即在颈部运动过程中呈s 形时造成的，早于颈部完 全伸展之前。2 0 0 2 年h e l l 等人又提出了颈部颈伸肌损伤机理假设n 引。但是到目前 为止，没有一种颈部损伤机理能广泛被认同，所以追尾碰撞中颈部损伤的防护研 究还在继续。 追尾碰撞中结构安全研究开始主要是针对于安全座椅系统的研究，2 0 世纪5 0 年代，s e v e r y 等人开展了座椅结构对颈部损伤的影响研究n 们。在不同速度的后碰 撞试验中，通过调整追尾碰撞中座椅靠背高度和强度来评价不同座椅设计的优缺 点和实用性n 7 1 9 1 。 1 9 6 9 年，根据m a c n a b 提出的过伸理论，r u e d m a n n 发明了汽车头枕，以减少 追尾碰撞中的颈部损伤口叫。1 9 7 2 年，c l e m e n s h s 和b u r o w 进行了速度为2 5 k m h 的追 尾碰撞尸体实验，实验分为有头枕和没有头枕的两组心。对比实验的结果表明， 不使用头枕时，尸体有颈椎椎伺盘受伤、前韧带撕裂和关节囊撕裂等现象。而使 用头枕后，没有这些现象发生。这说明头枕对于颈部损伤起到了较好的防护作用。 h e l l 等人研究发现头枕与头部之间的距离是影响头部作用力的最主要因素。头部 质量对头部的作用力的影响最小。随着头枕与头部距离的增加，头部的作用力和 水平加速度都会随着减小心羽。 1 9 7 2 年，m e l v i n 和m c e l h a n e y 等人建议在座椅设计中增加座椅的刚度，使座椅 即使在剧烈的追尾碰撞事故中不发生变形，由此引发了研究领域中关于座椅系统 刚度和颈部损伤之间的关系的争论。 1 9 8 2 年，w i l l i a m 和j e t t n e r 等人研究发现，由于汽车追尾碰撞引发的火灾导致 的乘员损伤日趋严重，燃油系统完整性的研究在追尾碰撞的结构研究中须占据重 要地位心们。随着研究的深入，各国开始颁布关于追尾碰撞燃油系统完整性的法规。 2 0 世纪8 0 年代末到9 0 年代，p a r k i n 和p r a s a d 等人取得了大量的统计数据，这些 数据使很多研究者认为使用可变形座椅才能带来更好的保护作用心乱2 副。 2 l 世纪初，v o o 等人认为，头枕及其附件的刚度越大，颈部损伤的一些测量 轿车追尾碰撞结构安令性及乘员损伤防护研究 参数，如颈部剪切力、颈部伸展弯矩、头颈部相对伸展角度等就越小，因此他们 认为更硬的座椅靠背在追尾碰撞中具有更大的颈部保护作用乜 。但k l e i n b e r g e r 等 人却发现靠背最大转角、头部转角和胸部转角都随靠背刚度的增加而减小。这说 明较软的座椅靠背对颈部起到较好的保护作用心引。g u n t e r 等人推测说，近年来颈 部损伤增加的原因到目前还不是很清楚，但其中一个原因就是新的座椅更硬了， 导致头颈部的运动更加剧烈心引。 。 在各国加强追尾碰撞中燃油系统稳定性的立法要求的同时，很多文章对座椅 系统的刚度进行了研究，但是到目前为止，对座椅系统的刚度和颈部损伤之间的 关系仍然没有统一的定论。 1 3 汽车追尾碰撞研究方法 最初的汽车追尾碰撞研究几乎是依赖于试验的方法进行的。实车试验时，在 座椅上放置尸体、假人、动物或志愿者来获得试验数据，研究乘员损伤和座椅结 构分析。随后发展了台车碰撞模拟试验方法，这种试验方法是以实车的试验结果 为基础，确定试验条件。这类碰撞试验的成本低，可重复操作，研究周期较短。 之后，随着计算机技术的发展，数学模型和各类计算机仿真软件的开发，计算机 仿真分析方法已越来越成为试验的一个不可缺少的补充手段。 1 3 1 实车碰撞试验法 实车碰撞试验是用真实汽车整体进行碰撞，它与事故情形最为接近，是综合 评价车辆安全性能的最直接、最有效的方法。实车试验可以用来对己开发出的成 品车型进行按法规要求的试验，以鉴定是否达到法规要求。在实车碰撞试验中有 固定壁障碰撞试验、移动壁障碰撞试验、翻车试验和车对车碰撞试验等方法。其 中移动壁障碰撞试验是移动壁障以一定的速度撞击静止的车辆的试验方法，广泛 应用于车辆的追尾碰撞燃油系统稳定性的评价。 同时实车试验也可以用来研究追尾碰撞中乘员损伤机理。通过在实车的座椅 上放置志愿者或假人等，分析车辆碰撞前后乘员的运动状态和损伤状况，来研究 乘员损伤机理。并以此为依据改进车辆结构安全性设计，增设或改进车内外乘员 保护装置。 其试验结果说服力最强，同时还可以为台车模拟碰撞试验和计算机仿真提供 试验条件和参考数据，以及有效性验证，但实车碰撞试验的准备工作复杂、周 期长、费用大、重复性差、对设备的要求很高。 1 3 2 台车碰撞试验法 。 台车碰撞试验是对实车碰撞试验的模拟，用一个比较坚固的台车代替汽车， 4 硕士学位论文 无需破坏真实汽车，从而降低成本。台车前部装有缓冲装置，通过调整缓冲装置 的力学特性使台车获得可重复的、接近于实车碰撞的减速度波形。 台车碰撞模拟试验可以用于乘员保护装置的性能评价和零部件的耐惯性力试 验等，可以比较清晰地反映零部件在碰撞过程中的能量吸收、载荷分布、结构抗 撞抗冲击变形等特性，可以模拟较大范围内的碰撞情形。 1 3 3 计算机仿真分析法 近几十年来，计算机仿真碰撞技术迅速发展，在安全性车身的开发、乘员保 护措施的优化、人体生物力学、碰撞用假人的开发等领域中发挥了重大作用。尽 管计算机模拟试验还不能完全取代昂贵的实车碰撞试验，但是在产品的概念设计 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，因此显示出强大的生命力。 随着牛顿矢量力学、拉格朗日分析力学、多刚( 柔) 体系统动力学、生物力 学、碰撞理论、材料理论、有限元理论、数值方法以及计算机技术水平的不断提 高，汽车碰撞计算机模拟理论和方法得到了不断发展和完善，涌现出各种用于碰 撞仿真分析的商用软件，如c a l 3 d 、m a d y m o 、l s d y n a 、p a m c r a s h 、 m s c d y t r a n 等，其中采用多刚体系统动力学理论建模的软件可以模拟碰撞事故 中乘员与环境的相互作用，能很好地再现事故过程，而采用显式有限元理论建模 的软件可以用来描述车身结构的抗撞性，处理异常复杂的结构大变形问题叫。这 些软件的模拟结果能与实车碰撞结果大致吻合，尤其是对于车身结构的改进，可 以使用这些软件和算法在短时间内对多种方案做出比较，得到满意的改进方案。 其中值得一提的是，随着显式有限元方法的逐渐成熟，标志着汽车碰撞安全 性研究进入了试验和理论研究并重的阶段。本文将综合应用有限元软件以及多刚 体软件进行仿真研究。 1 4 汽车追尾碰撞相关试验法规 汽车追尾碰撞相关试验法规主要针对汽车结构安全。包括汽车头枕法规、汽 车座椅系统法规和高速追尾碰撞燃油系统稳定性相关法规。 1 4 1 头枕相关法规 汽车座椅系统和头枕是汽车被动安全方面的重要组成部分，头枕安全性能的 优劣直接关系到车内乘员在车辆发生追尾事故中的人身安全。在国际上联合国欧 洲经济委员会( e c e ) 、美国、日本、澳大利亚等发达国家针对头枕的安全性能均 5 轿车追尾碰撞结构安全性及乘员损伤防护研究 己制定了一系列的技术法规和标准。我国现已将汽车头枕的安全性能列入整车定 型必检的项目之一，制动了国家强制性标准g b l l 5 5 0 1 9 9 5 汽车座椅头枕性能要 求和试验方法1 、g b t 1 1 5 6 3 1 9 9 5 汽车h 点的确定程序等相关标准法规。 1 9 9 9 年1 0 月国家原机械工业局又颁布c m v d r 2 1 7 关于座椅、座椅固定装置和头 枕的设计规则，以规范汽车座椅产品的设计、生产和质量控制。 ( 1 ) 中国( g b l l5 5 0 1 9 9 5 ) g b l l 5 5 0 1 9 9 5 对头枕的位置及尺寸的要求：沿平行于躯干基准线测量头枕的 顶端到r 点的长度，驾驶员座椅为7 0 0 m m 以上，其他座椅为6 5 0 m m 以上；由头 枕顶端沿平行于躯干基准线方向向下6 5 m m 处或者由r 点沿平行于躯干基准线向 上6 3 5 m m 处，头枕的外形宽度以座椅中心面为对称面，左右各应宽8 5 m m 以上； 位置可以调节的头枕的外形高度沿平行于躯干基准线方向测量为1 0 0 m m 以上。 对头枕的强度和吸能的要求：用假背对座椅加载，使得绕h 点的后翻力矩为 3 7 3 n m ，在此基础上，头枕在承受相对于座椅参考点r 点，大小为3 7 2 n m 的力矩 时，头枕的最大后移量不应超过1 0 2 m m ，将载荷加至8 9 0 n 时头枕及其安装部件在 座椅及靠背等损破前不能破损或脱落；头枕按规定的方法试验时，加给摆锤( 头 型) 的减速度连续超过8 0 9 的时间必须小于3 m s 。头枕加载示意图如图1 1 所示。 单位：m m 移位身区千基准线与加载的头型间的足巨离 图1 1 头枕加载载荷作用点、载荷作用方向及头枕的移动量 ( 2 ) 欧洲( e c er 2 5 ) 2 3 e c er 2 5 规定：可调节头枕最低高度为7 5 0 m m ，前排可调节头枕必须可调节 8 0 0 m m 以上。前排固定头枕最低高度为8 0 0 m m ，后排最低高度为7 5 0 m m 。 e c er 2 5 对头枕后移量的规定：对座椅头枕施加相对于座椅参考点r 点，大小 为3 7 3 n m 的力矩的同时，座椅的靠背也应同时承受相对于座椅参考点r 点，大小 6 硕十学位论文 为3 7 3 n m 的力矩，此时座椅头枕的后移量不应超过1 0 2 m m 。 对头枕静强度的规定：座椅靠背在承受3 7 3 n 佃的力矩的基础上，头枕应能承 受8 9 0 n 的载荷，允许座椅或座椅靠背损坏。 ( 3 ) 美国( f m v s s2 0 2 ) 3 3 1 f m v s s2 0 2 规定：头枕至少高出座椅h 参考点2 7 5 英尺( 约7 3 4 m m ) 。 对头枕后移量的规定：头枕在承受相对于座椅参考点r 点，大小为3 7 2 n m 的 力矩时，头枕的最大后移量不应超过1 0 2 m m 。 对头枕静强度的规定：座椅头枕应能承受8 9 0 n 的载荷，允许座椅或座椅靠背 损坏。 ( 4 ) 澳大利亚( a d r2 2 ) a d r2 2 规定头枕的高度必须高于h 参考点7 0 0 m m 以上。 ( 5 ) 头枕的评价标准 根据头枕相对头部的竖直距离和水平距离，驾驶员的头枕位置被分为四个区 域：良好、中等、合格和不合格，如图1 2 所示。以头的顶端切线和头的后部切线 的交点为原点，优秀、较好、合格和不合格四个区域的分界线竖直距离分别为6 0 、 8 0 和1 0 0 m m ，水平距离分别为7 0 、9 0 和1 1 0 m m 口引。 图1 2 头枕的评价标准 1 4 2 座椅系统相关法规 对于座椅设计，首先必须把安全放在首要的位置，即必须保证乘员的安全性， 这就要求汽车座椅必须首先要拥有足够的强度和刚度。欧洲经济委员会( e c e ) 、 美国、中国、日本、澳大利亚等国家同样颁布了关于座椅系统的一系列的技术法 规和标准。座椅系统相关法规的颁布实施，对提高汽车座椅产品的安全性能和产 品质量都起到了极大的推进作用。我国于2 0 0 6 年9 月1 日发布了g b l 5 0 8 3 2 0 0 6 汽车座椅、座椅固定装置及头枕强度要求和试验方法口别，并规定对于新定性 的产品从2 0 0 7 年2 月1 日起实施，对于已定型的产品，自标准实施之日起1 2 个 月后实施。该标准代替g b l 5 0 8 3 1 9 9 4 汽车座椅系统强度要求及试验方法，与 l9 9 4 版的标准相比，新标准主要增加了座椅靠背吸能的要求；增加了头枕方面的 7 轿车追尾碰撞结构安全性及乘员损伤防护研究 试验要求；增加了防止移动行李对乘员伤害的特殊规定；增加了资料性附录附录 g 3 们。 ( 1 ) 中国( g b l 5 0 8 3 2 0 0 6 ) g b l 5 0 8 3 2 0 0 6 对座椅靠背吸能的要求：按规定的方法进行试验时，头型反弹 加速度超过8 0 9 的持续作用时间必须小于3 m s ，区域1 内的座椅后部在试验过程 中或试验后不允许有危险的边棱出现。 对座椅靠背及其调节装置强度的要求：通过一个模拟假背模型，对座椅靠背 沿纵向向后施加相对于座椅“r ”点5 3 0 n m 力矩的负荷，座椅骨架、座椅固定装置、 调节装置、移位折叠装置在试验过程中或试验后不应失效，允许产生在碰撞过程 中不会增加伤害程度的永久变形( 包括断裂) 且能承受规定载荷。 对座椅总成动态试验的要求：对整个车体向前和向后施加一个不小于2 0 9 的 水平纵向减速度，持续时间为3 0 m s 。座椅总成与车体不得分离，各装置在试验过 程中或试验后不应失效。 对座椅总成静态试验的要求：通过座椅( 和靠背) 质心水平向前后分别施加 重量2 0 倍的负荷，保持至少o 2 s 。座椅总成与车体不得分离，各装置在试验过程 中或试验后不应失效。如图1 3 所示。当汽车安全带固定点装在座椅上时，施加 上述向前负荷必须同时按g b1 4 1 6 7 中的规定对安全带的安装固定点施加相应的 负荷。 图1 3 座椅总成静强度加载示意图 ( 2 ) 欧洲( e c er 17 ) 跚1 e c er 1 7 规定：对座椅靠背施加5 3 0 n m 的载荷，座椅应能承受以上载荷，试 验后及试验中，座椅骨架、座椅固定点及位移系统、调节系统或锁止系统不得失 效。 ( 3 ) 美国( f m v s s2 0 7 ) n 8 1 f m v s s2 0 7 规定：分别在座椅总成质心处水平向前、向后对其施加2 0 倍座椅 总质量的载荷时，座椅应能承受以上载荷。当对座椅靠背施加3 7 2 n m 的载荷，座 椅应能承受以上载荷。 8 1 4 3 高速追尾碰撞燃油系统稳定性法规 汽车高速追尾碰撞燃油系统稳定性法规中的障壁与正面碰撞类似，分为刚性 移动障壁( r m b ：r i g i dm o v i n gb a r r i e r ) 和可变形移动障壁( m d b ：m o v i n g d e f o r m a b l eb a r r i e r ) 两种。 世界各国的高速追尾碰撞法规按照障壁类型的不同主要分成两类：一类是以 美国联邦机动车安全法规新f m v s s3 0 1 阳钉( 2 0 0 8 年9 月1 日l0 0 实施) 为代表 的可变形移动障壁偏置追尾碰撞法规，类似有加拿大的c m v s s3 0 1 法规，另一 类是以欧洲e c er 3 2 3 4 和美国旧f m v s s3 0 l 为代表的刚性移动障壁完全重叠追 尾碰撞法规，类似的有中国的g b2 0 0 7 2 2 0 0 6 h 们，日本的t r i a s3 3 ，海湾地区的 g s3 7 等。表1 3 总结了目前全球主要国家的高速追尾碰撞燃油系统稳定性法规 的试验基本工况和要求。 表1 3 全球主要国家的高速追尾碰撞法规的试验基本工况和要求 障壁类型国家及法规碰撞速度障壁重障壁重试验要求 编号 ( k m h ) 叠 量( k g ) m 蜀目 美国：新 8 0 士1 0 7 0 偏 13 6 8 f m v s s 3 0l 置 可变形移动加拿大：新 从碰撞开始到车辆停止移 偏置障壁c m v s s 3 0 1 动，燃料的泄漏量不应超过 美国：旧4 8l o o 重18 1 4 士2 32 8 9 ，且接下来的5 分钟内 f m v s s 30 1叠 燃料的泄漏总量不超过 加拿大：旧 1 4 2 9 。在其后的2 5 分钟内， 燃料泄漏量每分钟不超过 c m v s s 3 01 2 8 9 。 海湾地区： 4 810 0 重1 8 1 4 土2 3 g s3 7 叠 回) 口 3 5 3 810 0 重1 10 0 士 1 ) 在碰撞过程中，燃油装 叠 2 0 置不应发生液体泄漏； 2 ) 碰撞试验后，燃油装置 刚性移动完 欧洲：e c e3 5 3 810 0 重1 1 0 0 士 若有液体连续泄漏，则在碰 令重叠障壁 r 3 2 3 4 叠 2 0 撞后前5 m i n 平均泄漏速率 不应大于3 0g m i n ：如果从 燃油装置中泄漏的液体与 中国：g b5 0 士2 1 0 0 重 1 1 0 0 士 从其他系统泄漏的液体混 淆且这几种液体不容易分 2 0 0 7 2 2 0 0 6 叠 2 0 开和辨认，则应根据收集到 的所有液体评价连续泄漏 量： 日本：5 0 士2 10 0 重 1 1 0 0 士 3 ) 不应引起燃料的燃烧； t r i a s3 3 叠 2 0 4 ) 在碰撞过程中和碰撞试 验后，蓄电池应由保护装置 保持自己的位置。 1 5 研究课题的内容 追尾碰撞作为仅次于正面碰撞和侧面碰撞的事故多发形态之一，给中国带来 的人员伤亡和财产损失不容小觑，但由于国内追尾碰撞法规实施的时间较正面碰 9 轿车追尾碰撞结构安全性及乘员损伤防护研究 撞及侧面碰撞法规实施时间短，且追尾碰撞不包括在中国新车评价规程之中，所 以国内对追尾碰撞中乘员的损伤防护研究及车辆耐撞性研究的研究n 1 1 较少，远不 如对正面碰撞和侧面碰撞的研究多h 2 例。随着国际上对追尾碰撞中挥鞭伤研究的 愈加重视，对追尾碰撞燃油系统稳定性法规要求越来越严格，如何提高车辆在追 尾碰撞时的安全性能已成为迫在眉睫的事情。 本文是以国家科技部十一五“8 6 3 项目”高科技项目( 2 0 0 6 a a l l 0 1 0 1 ) 以及“1 1 1 计划”( 1 1 1 - 2 - 1 1 ) 为基础开展的。以一款具有代表性的普通三厢轿车有限元模型 为基本模型，研究追尾碰撞时轿车结构的耐撞性优化及安全座椅对乘员损伤的影 响。 本文的研究的主要内容如下： 1 阐述汽车追尾碰撞研究的背景和意义，通过阅读大量的文献，概括性地总 结了国内外汽车追尾碰撞的研究历史和现状，并对研究方法和追尾碰撞相关法规 进行了归类和总结。 2 简略的介绍汽车碰撞安全性仿真中运用到的有限元理论、多刚体理论、碰 撞生物力学的基本理论以及优化设计的方法。 3 以某量产车型的整车有限元模型为原型，按照北美联邦机动车安全法规新 f m v s s 3 0 1 的要求，建立整车追尾碰撞仿真模型并对其有效性进行验证。 4 从碰撞力的传递及力学研究两个方面探讨了追尾碰撞的碰撞特性，并对追 尾碰撞车身结构安全评价方法进行了总结，在此基础上，提出了提高车辆耐撞性 能的两种具体方法：改变板料厚度和采用高强度钢。 5 在建立的整车追尾碰撞仿真模型的基础上，采用正交试验设计方法和综合 平衡法，以油箱的最大有效塑性应变值为主要评价指标，后纵梁和后保险杠的总 吸能量和油箱周围主要结构的变形为辅助评价指标，探讨了后纵梁及后保险杠的 参数在高速追尾碰撞中对汽车燃油系统稳定性和结构耐撞性的影响，并找出了后 保险杠和后纵梁厚度和材料组合的最优试验方案。得出的最优结果为：后纵梁厚 度为1 5 m m ，材料为d p 8 0 0 ，后保险杠厚度为2 o m m ，材料为d p i o o o 时，主要评 价指标油箱最大有效塑性应变值从o 6 4 0 9 减少到0 3 2 0 8 ，降低了5 0 0 7 。 6 应用m a d y m o 软件，建立并验证了一个追尾碰撞多刚体仿真模型，利用 该模型，初步的探讨了座椅参数与驾驶员损伤之间的关系，其中座椅参数包括头 枕与头部的位置( 包括水平距离和竖直距离) 、靠背倾角、座垫倾角和靠背刚度。 l o 硕士学位论文 第2 章汽车碰撞安全性仿真的基本理论 2 1 碰撞仿真的基本理论 汽车碰撞问题是典型的非线性、大变形和大位移问题n 钊，它涉及到众多的学 科和领域。因此，需要采用的理论和方法也是多种多样的，如有限元理论、计算 数学、计算力学、弹塑性力学、计算机图形学等，而这些理论在应用于实践的过 程中其本身也在不断发展和完善。有限元理论和多刚体理论作为汽车c a e 技术常 用理论，在汽车的碰撞安全性研究中发挥着重要的作用，本节将从应用的角度对 其进行简要介绍4 7 5 引。 2 1 1 有限元理论 近几十年来，在各种工程系统的模拟和仿真中，有限元法已经发展成为当前 主要的、不可缺少的一门技术。有限元法作为一种数值解法，寻求对某些很难获 得解析的结果的问题的场变量的分布的近似解。具体做法是将问题的整个区域划 分成许多子区域，并将已知的物理规律应用于各个子区域。未知场变量的连续函 数在每个子域用分段线性函数来近似，这些子域称为单元，它们是由节点形成的。 这样一来，未知量就转变成场变量在节点上的离散值。随后，按照适当的原理建 立单元方程，最后将这些单元方程组装在一起，就可以导出整个系统的联立线性 代数方程组，求解这个方程组就能很容易地得到所要求解的场变量。 2 1 1 1 求解控制方程 汽车碰撞是一个典型的非线性动态问题，其仿真计算实际上是涉及一个含未 知边界条件的偏微分方程的求解，整个运动系统包含了以下各项条件： ( 1 ) 运动方程 如图2 1 所示，取初始时刻的质点坐标为x = 1 ，2 ，3 ) ，在任意时刻f d ，该质 点的坐标变化到薯( 江1 ，2 ，3 ) ，那么这个质点的运动方程是： x f = ( 置，f ) ，= l ，2 ，3 ( 2 1 ) 在t = o 时，初始条件为： x ，( z ，o ) = x ， 圣，( x ，0 ) = ( z ，0 ) 式中，矿为质点的初始速度。 奶 而强) 图2 1 运动构形 ( 2 ) 动量守恒方程 a d 意+ p z 2 p 。茸( 2 2 ) 式中，仃扩为c a u c h y 应力；z 为单位质量体积力；薯为质点加速度。 ( 3 ) 质量守恒方程 p = 咖o( 2 3 ) 式中，p 为当前质量密度，风为初始质量密度，为密度变化系数。 ( 4 ) 边界条件( 参见图2 2 ) ： 口：面力边界条件 仃刀，= z ( f )( 2 4 ) 在s 1 面力边界上，式中_ ( ，= 1 ，2 ，3 ) 为现时构形边界s 的外法线方向余弦， z ( f = 1 ，2 ，3 ) 为面力载荷。 6 ：位移边界条件： 置( 置，f ) = k ( f )( 2 5 ) 在s 2 位移边界上，式中ko ) ，= 1 ，2 ，3 是给定位移函数。 c ： 滑动接触面间断处的跳跃条件： ( 仃；一仃i ) 。0 = o ( 2 6 ) 当x ? = z f ，接触时沿接触边界s o ： 图2 2 边界条件 1 2 丁 s l 硕上学位论文 由上述各万程及边界条件得佃0 支金法弱肜瓦的半衡刀程为： ( p 写一。如一j c i z 芦再d 弭e 蟛一。；) 乃6 薯矗5 + ( 0 携一互芦穰浩o ( 2 7 ) 其中，6 薯在s 2 边界上满足位移边界条件。 应用散度定理：lb j ! ，6 ，) ，d 矿= 仃扩行，艿t 布+ 。b + 一仃口一) 刀j 6 豳 并注意到分部积分：b 融j _ ，= 仃扩，瓯+ 仃 ，阮， 则式( 2 7 ) 可改写成： 新= 工p j f ：f 6 口y + 艿t ，d 矿一l p z 6 t d y j l 。巧6 钌= o ( 2 8 ) 此即虚功原理的变分列式，其物理意义是：作用在物体上的外力和内力的虚 功之和为零。 2 1 1 2 中心差分法 中心差分法是一种常用的显式积分方法，速度与位移计算如下： 矿肘v 2 = y “一l 2 + 口”f ” ( 2 9 ) u 肿v 2 = u ”+ y ”1 2 出枷7 2 ( 2 1 0 ) 出，+ - 彪：丝：笪：1 2 式中：u ，v 分别是节点的速度和位移矢量，时间步长用址表示。 稳定性条件计算如下： 址生 ( 2 1 1 ) r 按c o u r a n t ( 2 1 2 ) 式中：厶为单元e 中两个节点间的最短距离，计算中常取单元的最短边长或最短 对角线长度； e 为波在单元p 中的传播速度，其计算如下： 厂1 ；- 铲1 丽鬲 j 3 式中：成为单元p 的材料密度；e 为材料的杨氏弹性模量；y 为泊松比。 2 1 1 3 时间积分和时间步长控制 在显式有限元算法中，假设当前时步为第n 步有如下运动方程为： a 疗o ) = 尸一f + 日 ( 2 1 4 ) 上式( 2 1 4 ) 中，m 为总体质量矩阵；戈( f ) 为总体节点加速度矢量：尸为总 体载荷矢量，由节点载荷、