（车辆工程专业论文）汽车侧面碰撞结构改进和侧面头胸部安全气囊的优化研究.pdf

硕一卜学位论文 摘要 随着汽车保有量的增长，交通事故频繁发生，车辆安全性备受关注。据统计， 2 0 0 7 年我国发生的交通事故中，侧面碰撞事故约占事故总数的3 6 8 4 。由于我 国城市道路交通路口以平面交叉形式为主，侧面碰撞事故发生概率最高，致伤率 居第一位，而致死率仅次于正面碰撞。因此，车辆侧面碰撞安全性的研究成为车 辆被动安全性研究的一项重要内容，如何提高车辆侧面碰撞事故发生时对乘员的 保护性能成为当今又一热点课题。2 0 0 6 年7 月1 日我国开始发布并执行汽车侧 面碰撞的乘员保护标准，同时推出中国的新车评价规程( c n c a p ) ，为汽车生 产厂家提出了安全要求以及评价指标。 本文旨在通过汽车侧面结构改进和侧面安全气囊的优化研究，针对文中所采 用的整车模型，提出有效的驾驶员损伤防护措施并从理论上验证其有效性。 文章讲述了我国汽车侧面碰撞法规及碰撞安全性仿真的基本理论和优化设计 理论，建立可变形移动壁障的有限元模型，借助国内某整车模型建立了整车侧面 碰撞有限元模型，采用计算机仿真方法，通过与标准要求及实验数据对比，验证 了可移动变形壁障和轿车侧面碰撞有限元模型。按照g b2 0 0 7 1 2 0 0 6 标准要求进 行了侧面碰撞仿真，结合多刚体动力学分析软件m a d y m o ，应用m a d y m op s m 子结构方法，得到其假人损伤指标值并按照法规要求进行了分析和评价。针对模 型在侧面碰撞中对乘员保护的不足，本文对侧面关键吸能部件进行了相应改进。 在侧面结构改进的基础上，建立l 型头胸部气囊和人一车m a d y m o 仿真模型， 运用试验设计( d o e ) 技术，建立逐步回归代理模型，利用序列近似优化方法，对 回归代理模型在满足头部损伤法规的条件下求解侧面碰撞的综合伤害评估优化 值。 研究结果表明：通过侧面结构改进，假人肋骨变形量减少了1 0 7 4 2 6 3 4 ， 粘性指数减少了2 5 8 0 4 1 6 9 ，耻骨合力峰值减小1 7 11 ，而腹部力峰值基本 没有变化，但远低于法规值，除上肋骨变形，其余指标均达到法规要求。进一步 对安全气囊优化设计，最终使侧面碰撞的综合伤害评估值下降了约1 6 ，且保证 了头部h i c 值满足法规要求。从理论上证明了各种措施的有效性，并为提高汽车 侧面耐撞性能提供借鉴作用。 关键词：侧面碰撞；有限元；仿真；损伤生物力学；头胸部气囊；优化 i i 汽车侧面碰掩结构改进和侧面头胸部安伞气囊的优化研究 a b s t r a c t w i t ht h ei n c r e a s i n go ft h en u m b e ro ft h ev e h i c l ep o s s e s s i o n ，t r a f f i ca c c i d e n t s a l s oi n c r e a s e d s o ，v e h i c l es a f e t yt a k e sm o r ea t t e n t i o nt h a nb e f o r e s i d ei m p a c t a c c i d e n t sa c c o u n tf o r3 6 8 4p e r c e n to fa l lt r a f f i ca c c i d e n t si n2 0 0 7i nc h i n a t h eg r a d e c r o s s i n gi st h em a j o rp a t t e r no fu r b a nt r a f f i cr o a d t h u s ，t h eo c c u r r e n c ep r o b a b i l i t yo f s i d ei m p a c ta c c i d e n ti st h eh i g h e s t ，a n dt h ei n j u r yr a t ei sa l s ot h eh i g h e s t t h ed e a t h r a t ei so n l yl e s st h a nf r o n ti m p a c t s o ，s i d ei m p a c tr e s e a r c hh a sb e c o m ea ni m p o r t a n t t o p i ci nt h ep a s s i v es a f e t ya r e a t 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 eh a st ob e i m p r o v e d t h er e g u l a t i o no nt h eo c c u p a n t s p r o t e c t i o ni ns i d ei m p a c ta c c i d e n t sw h i c h w a sd e v e l o p e db yc h i n aa 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 ra c c o r d i n gt o e c er 9 5h a sb e e nb r o u g h ti n t oe f f e c ti nj u l y1s t2 0 0 6 ，a n dn e wc a ra s s e s s m e n t p r o g r a m ( c - n c a p ) w a sa l s oi s s u e da tt h es a m et i m e t h ea i mo ft h et h e s i si st oi m p r o v es i d es t u c t u r ea n dr e s e a r c ho no p t i m u mo f t h o r a x - h e a da i r b a gf o rv e h i c l es i d ei m p a c t ，a n dp r e s e n ts o m ec o u n t e r m e a s u r e st o p r o t e c tt h ep a s s e n g e r sa n dd i s c u s st h e i rv a l i d i t y t h ep a p e ra n a l y z e ds i d ei m p a c tr e g u l a t i o n s ，a n dt h eb a s i ct h e o r yo fs i m u l a t i o n a n do p t i m i z a t i o nd e s i g nt h e o r yf o ra u t o m o b i l ec o l l i s i o ns a f e t y , b u i l tt h em o b i l e d e f o r m a b l eb a r r i e rm o d e la n dt h ef u l lv e h i c l es i d ei m p a c tf i n i t ee l e m e n tm o d e lb y u t i l i z i n gac e r t a i nd o m e s t i cf u l lv e h i c l ef i n i t ee l e m e n tm o d e l b yu s i n gc o m p u t a t i o n a l s i m u l a t i o nm e t h o d ，t h ef u l lv e h i c l ef em o d e la n dm d bm o d e l sw e r ev a l i d a t e db y c o m p a r i n g i 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 t d a t a a c c o r d i n gt o g 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 t h ed u m m yi n j u r yp a r a m e t e r s w e r eo b t a i n e db yu s i n gm a d y m os o f t w a r e i no r d e rt oi m p r o v ei t sc r a s h w o r t h i n e s s ， t h ei m p r o v e m e n tm e a s u r eb yc h a n g i n gt h es t r u c t u r eo fb p i l l a r , f l o o r , d o o r s i l lw a s p r e s e n t e d t og e tb e t t e ri m p r o v e m e n t ，t h ep a p e re s t a b l i s h e dt h eh e a d - t h o r a xa i r b a g ， t h e n ，a i ma ts i d ei m p a c tp s mm o d e l ，b a s e do ns u r r o g a t em o d e lt e c h n o l o g ya n d o p t i m i z a t i o nt e c h n i q u e s ，c o m b i n i n gs u r r o g a t em o d e lm e t h o d s ，w i t ht h es u c c e s s i v e o p t i m u mm e t h o d ，u s i n gm a d y m ot os t u d yt h eo p t i m i z a t i o no fo c c u p a n tr e s t r a i n t s y s t e m ，t om i n i m i z e s i d ei m p a c t i n j u r i e s a n de n s u r et h a th i cm e tc - n c a p r e q u i r e m e n t s 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 er d ch a sr e d u c e db y10 7 4 - 2 6 3 4 ， t h er e d u c t i o no fv ch a sr e d u c e da sm u c ha s2 5 8 4 1 6 a n dt h er e d u c t i o no ft h e i i i 硕士学位论文 p s p fw a s17 1l f o rt h er e i n f o r c e m e n tb a r s a l lp a r a m e t e r sm e tt h er e q u i r e dv a l u e e x c e p tf o rt h er d c o fu p p e rr i b a tl a s t ，t h ec o m p r e h e n s i v ea s s e s s m e n tv a l u e so fs i d e i m p a c td e c l i n e db y16 b yd e s i g n i n ga n do p t i m i z i n gt h ea i r b a g ，a l s oe n s u r et h ei n ju r y v a l u eh i ct om e e tt h er e q u i r e m e n t s t h es i m u l a t i o nr e s u l t st h e o r e t i c a l l ys h o w e dt h e i r p o s i t i v ee f f e c t sa n dt h a tt h e yw e r es t r i c t l yh e l p f u lo ni m p r o v i n gt h ev e h i c l es i d e i 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 t ；s i m u l a t i o n ；i n j u r yb i o m e c h a n i c s ； h e a d - t h o r a xa i r b a g ；o p t i m u m i v 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： 疑易筝 日期：) 1 年岁月，夕日 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“ ) 墨嘉薹耄措厘獬跚 硕士学位论文 第1 章绪论 1 1 课题研究的背景和意义 随着汽车工业的发展以及汽车保有量的增加，交通事故也呈上升趋势，交通 事故伤亡已经成为威胁人类自身安全的世界第一大公害。而从我国道路交通事故 统计年报看，2 0 0 7 年我国发生的交通事故中，正面碰撞占2 8 2 1 ，而侧面碰撞 占据3 6 8 4 ，因侧面碰撞造成的人员伤亡占3 6 6 9 ，同样高于正碰的2 9 2 2 ， 统计显示侧面碰撞是发生频率最高和造成人员伤亡最多的事故形态。汽车侧面是 车体中强度较薄弱的部位，吸能构件较少，对于在汽车中占比例最大的轿车，因 其侧面是车门，强度更为薄弱心1 。一旦受到来自侧面的撞击，不可能有像前部及 后部那样，有足够空间发生结构变形来吸收碰撞能量。车内乘员同强烈贯穿的撞 击物之间仅隔着车门和2 0 3 0 厘米的距离，乘员将受到强烈贯入的冲击载荷作用， 严重时危及生命，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。 因此，提高汽车侧面碰撞安全性，对提高乘员的安全防护和改善道路交通安 全有着非常重要的意义。 1 2 汽车侧面碰撞国内外研究历史和现状 上世纪8 0 年代，欧美开始汽车侧面碰撞的研究。刚开始时采用实车碰撞试验 方法，再根据碰撞试验的分析研究结果，改进设计。随后发展了台车试验和试验 台冲击试验等模拟碰撞技术，这两种试验方法是以实车试验的结果为基础确定试 验条件。这类碰撞试验的成本低，可重复操作，研究周期较短。随着计算机技术 的发展，出现了计算机仿真技术，采用虚拟模型代替实际模型，利用计算机进行 分析计算得出安全结论，国外从事侧面碰撞计算机模拟研究的工作重点放在了各 种数值模型的建立以及乘员响应的研究方面口1 。d a v i dj s e g a l 等人h 1 采用集中质量 模型与c a l 3 d 软件建立了1 5 个刚体的多体模型，研究了侧面碰撞中不同类型 的缓冲材料对身材不同尺寸乘员的伤害程度，认为缓冲材料对乘员损伤的影响较 大，而且对于小身材乘员的影响更大。荷兰t n o 公司的m a d y m 0 3 d 软件中带 有各种型号类型的碰撞假人数学模型，并且在仿真模型中可以直接调用假人程序， 所有假人模型都是经过验证与标定的。同时该软件中还带有各种碰撞试验所用的 移动壁障，也可在程序中直接调用。目前，已经有用有限元与多刚体相结合的方 汽车侧面碰撞结构改进和侧面头胸部安伞气囊的优化研究 法来研究车辆的碰撞安全性，即软件的求解器可以同时计算有限元与多刚体程序。 近年来，对于汽车侧面碰撞法规的制定已成为汽车侧面碰撞安全性研究的热 点。在目前的侧面碰撞领域，主要形成了美国的f m v s s 和欧洲的e c e 两大法规 体系。两大体系对侧面碰撞实车实验法规规定、测试假人及人体伤害指标的制定 等方面都存在一定的差异1 。欧、美关于汽车侧面碰撞法规的差异，给汽车厂商 的产品开发造成了很大障碍，统一侧面碰撞法规是目前的主要工作之一。不同标 准假人可能会导致对侧面碰撞保护措施效能的评价结论的不同，同时，不同的侧 面碰撞可移动变形壁障的使用也会使碰撞试验中的车体变形情况和假人损伤值产 生很大的差异，所以对侧面碰撞假人和对可移动变形壁障的深入研究和统一都是 试验法规研究中的重要内容。 我国汽车被动安全性方面的研究工作起步较晚，到八十年代末才开始开展这 方面的研究工作。目前国内具有从事汽车碰撞试验能力的试验室有：中国汽车技 术研究中心、清华大学汽车碰撞试验室、一汽长春汽车研究所、二汽襄樊汽车试 验研究所、国家交通部公路交通工程综合试验厂、上海汽车检测所，湖南大学汽 车碰撞实验室等。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 1 于2 0 0 6 年7 月1 日实施，汽车侧面碰撞试验已经被列入新车上市之前的强检项目，因此， 国内这些原先建立的实车碰撞试验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为此项检测项目的指定单位，在标准实施后已经成功 进行了包括天津一汽、上海大众、上海通用、重庆长安、北京现代、东风雪铁龙 等相关车型的侧面碰撞试验评价订1 。中国新车评价规程( c - - n c a p ) 的实施，成 为我国汽车评价的新标志。 湖南大学汽车碰撞实验室几年前投入应用，并于去年顺利通过相关部门验收， 成为国家重点实验室。在理论研究的同时，几年内已进行了多辆实车碰撞试验， 在正面碰撞、追尾碰撞、安全气囊起爆等方面积累了丰富的经验，具有较强的试 验能力和较高的实验室水平，2 0 0 5 年1 1 月经过改造并成立了汽车安全研究部， 使得理论和实验水平都得到了较大提升。目前已设计开发了侧面碰撞移动壁障， 并购买了最新的侧面碰撞e s 2 型假人及模拟5 百分位女性的假人s i d i i s ，已初 步具备了按照我国标准进行侧面碰撞试验的能力。 1 3 汽车侧面碰撞安全性研究内容 侧面碰撞安全性研究主要包括两大方面：结构安全性研究和乘员安全性研究。 1 3 1 侧面碰撞结构安全性研究 ( 1 ) 侧面碰撞试验法规的研究 汽车侧面碰撞安全性的研究及相应法规( 标准) 的制定是车辆被动安全性研 2 硕士学位论文 究的重要构成。在目前的侧面碰撞领域，主要形成了美国的f m v s s 和欧洲的e c e 两大法规体系。两大体系在侧面碰撞试验方法、试验假人、损伤准则及可变形移 动壁障等方面存在较大差异阳9 1 。随着全球汽车技术的相互合作和渗透，迫切需要 对侧面碰撞试验法规实行统一管理，为此，在国际协调研究活动( i h r a ) 侧面碰 撞工作小组( s i w g n 们) 的带领下，很多国家都开展了广泛的调查研究活动，期 望就此得到一种可行性的方案。 ( 2 ) 侧面碰撞移动变形壁障( m d b ) 试验的研究 侧面碰撞试验中之所以用移动变形壁障( m d b ) ，因为它既可以模拟车与车 的碰撞情况，又可以节约大量成本。m d b 的特征值( 如外形参数、整车质量、蜂 窝铝特性等) 是依据各国的汽车保有量的情况来选定的，这些特征值的选取对试 验结果的影响较大，m d b 的速度与碰撞方向的夹角对试验结果也有相当影响，特 别是对前后座椅上的假人损伤的影响，即使试验方法一样，用不同的侧面碰撞假 人所测得的结果也会有明显差异n 。 根据美国公路交通安全管理局( n h t s a ) 的统计得出的结论，当前，小又轻 的欧洲m d b 不能代表美国市场乘用车的情况，也不能增加安全性能防护；而当前 美国的m d b 不能完全代表近来车辆的趋势，经过该m d b 试验出的车辆投入市场运 行，有的甚至可能引起车辆或乘员的严重伤害。m d b 很难找到统一的标准，这是 可以理解的，因为各国在用车型种类繁复，更新快速，欧美的m d b 不可能适用于 各国车辆。因而，这都迫切要求对m d b 进行更为深入的研究。 ( 3 ) 侧面碰撞实验用假人的研究 随着仿生学和碰撞事故中人体伤害机理研究的深入，以及侧面碰撞试验的需 求，国际上研发了很多侧面碰撞试验假人，目前使用最为广泛的有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 。美国的侧面碰撞试验法规中采用的是s i d ，而欧 洲侧面碰撞试验法规中最初采用的是e u r o s i d 1 ，经过欧洲和日本的改进研究后， 现多使用e s 2 型假人。 1 3 2 侧面碰撞乘员安全性研究 ( 1 ) 侧面碰撞中乘员响应及损伤指标的研究 对乘员响应的研究主要集中在头部、颈部、胸部、腹部及骨盆等在侧面碰撞 中最易受伤的人体部位上，这也是进行乘员保护研究的基础，可以用来指导乘员 约束系统的研究( 如侧面气囊) 以及车身侧围部件结构的优化设计( 如车门刚度、 内饰件材料特性、座椅等) 。 在研究乘员损伤的各种评价指标方面，美国韦恩州立大学的j c a v a n a u g h 等人 做了大量工作，他们在一系列尸体试验基础上研究乘员损伤机理及承受极限，并 运用软件m a d y m o 及p a m c r a s h 建立相应的数值模型，进行评价指标的研究， 汽车侧面碰撞结构改进和侧面头胸部安全气囊的优化研究 以探讨侧面碰撞中的乘员保护，在损伤生物力学方面取得了很大成就。 ( 2 ) 侧面碰撞滑车试验的研究 侧面碰撞滑车试验的研究经历了一个不断发展与完善的过程，大致分为两种 类型：第一类是只有一个滑车的试验台，h e i d e l b e r g 型n 2 1 是其中比较典型的一个， 如图1 1 所示，原理是假人置于座椅上，座椅固定于能水平侧向移动的滑车上，初 始状态为假人与滑车在牵引装置的作用下一起加速至一定的速度，然后迅速减速 至零，惯性作用下假人在座椅上作侧向移动，与固定在座椅上的侧壁发生碰撞。 侧面碰撞时，外来物体使车门、b 柱等侧围结构发生侧向变形和位移，直接与乘 员接触，从而造成乘员的伤害；但该试验装置中由于侧壁预先固定在座椅一侧， 没有施加外力使其变形，当假人和侧壁发生碰撞时，主要是通过假人的相对响应 来反映碰撞情形，所以它不能很好地模拟真实事故中侧面碰撞的车门、b 柱等侧 围结构与乘员的相互作用以及能量的转移，比较适合于模拟碰撞发生后的“二次 碰撞 对乘员的伤害，同时也适合于研究车门内饰和缓冲材料等的吸能作用n 0 1 。 蜂窝软翔5 ：扳 图1 1 侧面碰撞试验台原理图 第二类试验台，即两个滑车的试验台，其中l m m o r r i e s h a w 设计的试验台能 够较好的重现侧面碰撞n 引，基本原理是一运动的滑车撞向一静止的目标滑车，座 椅及假人固定在目标滑车上，连接侧门与目标滑车的吸能器用来模拟侧面碰撞中 能量的转移：另一种d o u g l a s j s t e i n n 4 1 设计的试验台能比较准确的模拟真实碰撞中 车门、座椅与假人之间的位置关系( 这对于研究侧面气囊的安装和打开至关重要) 。 第二类试验台能很好的模拟真实的侧面碰撞情形，对于研究侧面碰撞乘员约束系 统配置尤其是侧面气囊的安装有重要的指导意义。 1 4 侧面碰撞法规的研究 随着汽车技术的不断发展，汽车安全性问题越来越受到人们的重视。早在二 十世纪六十年代，美国就建立了影响至今的联邦机动车安全标准f m v s s ( f e d e r a l m o t o rv e h i c l es a f es t a n d a r d ) ，作为最早的汽车安全性法规，它已经具有全面的框 架结构，在该法规的发展中，内容上得到了进一步的完善。目前，它包括了几十 4 硕士学位论文 项内容，可以分为主动安全法规和被动安全法规，即大约2 5 项的主动安全性标准 和大约2 3 项被动安全性标准。同时，还包括碰撞试验后进行燃油泄漏检验的法规。 同样，在欧洲也相继推出了欧洲经济委员会e c e ( e c o n o m i cc o m m i s s i o nf o re u r o p e r e g u l a t i o n s ) 、欧洲经济共同体e e c ( e u r o p e a ne c o n o m i cc o m m u n i t y ) 安全法规。日 本也推出了日本道路运输车辆保安标准t r i a s ( t r a f f i cs a f e t ya n dn u i s a n c e r e s e a r c hi n s t i t u t e sa u t o m o b i l et y p ea p p r o v a lt e s ts t a n d a r d s ) 。这些法规的推出以 及强制执行，促进了汽车生产厂商投入大量的人力物力进行汽车安全性技术的研 究和开发，推动了汽车安全性技术的不断发展，从而在很大程度上减少了交通事 故的发生以及交通事故中人员( 乘员和行人) 的死亡率。 制定汽车侧面碰撞法规的目的是为了降低在侧碰事故中乘员受重伤和致命伤 害的风险，根据法规试验过程中测得的假人加速度，规定汽车的抗撞性能要求、 侧门加强要求和其他要求，以提高汽车侧面碰撞安全性n 引。 1 4 1 我国侧面碰撞法规的制定 由于我国城市交通路口多以平面交叉为主，导致城市中的侧面碰撞事故发生 的频率比正面碰撞还高，所以推行侧面碰撞法规在我国是非常必要的。由于侧面 碰撞实验研究包括可变形移动障碍壁、侧面碰撞假人及标定系统等，同时还要进 行广泛的市场调研，费用昂贵，而且我国侧面碰撞的研究起步很晚，所以我国以 e c e r 9 5 为蓝本的汽车侧面碰撞标准汽车侧面碰撞的乘员保护( g b 2 0 0 7 1 2 0 0 6 ) 于2 0 0 6 年7 月1 日才公布并实施。由于我国与欧洲都是实施汽车产品认证制，因此 参考欧洲法规也是顺理成章的事n 们。 轿车侧面碰撞时，还有可能引起轿车侧向翻倾或横滚，因此评价轿车侧面碰 撞安全性时，还要检测车身顶盖、车门静强度等。相应法规如美国的侧门强度 ( f m v s s 5 7 1 2 1 4 ) 、我国的轿车侧门强度( g b l 5 7 4 3 1 9 9 5 ) 等。 1 4 2 新车评价程序n c a p ( n e wc a ra s s e s s m e n tp r o g r a m ) n c a p 是最早在美国开展并已经在欧洲、日本等发达国家运行多年的新车评 价规程，一般由政府或具有权威性的组织机构，按照比国家法规更严格的方法对 在市场上销售的车型进行碰撞安全性能测试、评分和划分星级，向社会公开评价 结果。由于这样的测试公开、严格、客观，为消费者所关心，也成为汽车企业产 品开发的重要规范，对提高汽车安全性能作用显著。近年，更多国家( 如澳大利 亚、韩国、印度等) 开始重视和建立本国的n c a p 。严格的试验条件是保证评价 结果客观准确的重要前提，因此，国外n c a p 试验室普遍都具备高水平的测试设 备和专业能力。但是，各国n c a p 在组织实施方式、试验规程和评分方法上都有 明显不同，这与各国在法规体系、道路交通事故统计和车辆状况等方面存在的差 异密切相关。中国汽车技术研究中心在深入研究和分析国外n c a p 的基础上，结 汽车侧面碰撞结构改进和侧面头胸部安全气囊的优化研究 合我国的汽车标准法规、道路交通实际情况和车型特征，并进行广泛的国内外技 术交流和实际试验确定了c n c a p 的试验和评分规则。与我国现有汽车正面和侧 面碰撞的强制性国家标准相比，不仅增加了偏置正面碰撞试验，还在两种正面碰 撞试验中的第二排座椅增加假人放置，以及更为细致严格的测试项目，技术要求 也非常全面。c n c a p 对试验假人及传感器的标定、测试设备、试验环境条件、 试验车辆状态调整和试验过程控制的规定都要比国家标准更为严谨和苛刻，与国 际水平一致。今后，c n c a p 还将随着技术的发展进行完善。 n c a p 为消费者在购车时提供尽可能全面的指导，其最终目标是，通过市场 激励机制而不是通过强制性法律和法规，促使汽车生产厂商自主地开发出能在碰 撞中更好地保护乘员的汽车。 1 5 汽车侧面碰撞研究方法 早期的汽车侧面碰撞的研究几乎完全是依赖试验方法进行的，刚开始时采用 实车碰撞试验方法，对碰撞试验的结果进行分析研究，改进设计。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。随着计算机技术的发展， 出现了计算机仿真技术。 ( 1 ) 实车碰撞试验法 实车碰撞试验主要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，广泛应用于车辆的侧面碰撞安全性能的评 价。 实车碰撞试验与事故情形最为接近，是综合评价车辆安全性能( 尤其在法规检 验时) 的最直接、最有效的方法。它是从乘员保护的观点出发，以交通事故再现的 方式来分析车辆碰撞前后的乘员与车辆运动状态及损伤状况，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。 ( 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， 无需破坏真实汽车，在台车与刚性墙之间安装有缓冲装置，台车通过缓冲装置与 刚性墙发生碰撞，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。 6 硕士学位论文 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。这种试验一般在新车型 开发的早期进行，为产品开发过程的抗撞性设计提供有益的数据和检验。缺点是 试验中难以考虑汽车的侧围结构以及内饰件等与乘员所受载荷之间的相互关系。 ( 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，处理很多异常复杂的结构大变形问题 【l3 1 。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 6 侧面碰撞乘员损伤评价标准 人体损伤的严重程度可由损伤评估标准来表示。损伤评估标准可分别从力学、 生理学或社会学的角度对人体功能丧失、解剖结构损坏、社会经济损失等进行定 量表示。从这些角度出发，损伤评估标准可以分为三类n 7 1 ： a ) 解剖学尺度：按损伤发生的部位、损伤类型和损伤程度来评定。这种评定 标准用损伤本身而不是损伤产生的后果来衡量受伤程度。这类损伤评定标准中最 有名的是简略损伤标准a b b r e v i a t e di n j u r ys c a l e ( a i s ) 。 b ) 生理学尺度：它是通过描述由事故损伤而导致的人体某部位功能状况变化 7 汽车侧面碰撞结构改进和侧面头胸部安全气囊的优化研究 来评价，与解剖学尺度评价的区别是，后者只对一个损伤数值进行评价，而生理 学尺度评价要对损伤部位的状况进行全程的、多指标的评价。其评定值会在损伤 的治疗期间变化。这类标准中的代表是g l a s g o wc o m as c a l e 标准( g c s ) ，g c s 标准是对头部的损伤的评价，通过对睁开眼睛、口头反应和自动反应三个方面来 快速评估脑部的损伤。 c ) 社会学尺度：主要按对伤员和社会造成的损害来评定。这类标准并不对伤 害本身进行评定，而是评定伤害对伤员造成的经济损失、生活质量损失和对社会 造成的损失。这类标准有i c s ( i n j u r yc o s ts c a l e ) 、i p r ( i n j u r yp r i o r i t yr a t i n g ) 和 h a r m 等。 对于交通事故中的损伤评估，我们一般采用a i s 标准。a i s 是美国汽车医学 协会( a a a m ) 带0 定的一个解剖学尺度的损伤评定标准。在1 9 7 1 年，a i s 第一次正 式出版，后面经过了五次修改( 1 9 7 6 、1 9 8 0 、1 9 8 5 、1 9 9 0 和2 0 0 5 年) ，最后一 次的版本称作“a i s2 0 0 5 。这一标准原本用于界定机动车辆碰撞中的损伤程度， 而后来的几个版本渐渐的用到了其他方面，如枪伤。a i s 可分成以下8 个不同等 级，a i s 是对“生命危害程度的一个排序，其等级值越高就说明该项损伤对生 命威胁性就越大，但a i s 各等级数值之间并没有定量对应的关系，a i s 标准中的 数值除了排序之外没有任何其它意义，例如：a i s 2 不是a i s l 的两倍。其具体的 分级标准如表1 1 所示n 引： 表1 1a i s 损伤分类标准 在某身体研究部位，乘员损伤评价标准是通过与损伤强度相关的物理参数或 一个由若干物理参数组成的函数来定义。例如：使用最多的、也相对容易的损伤 标准是根据人体某部位受到的线形加速度( 如：c 3 m s ) 、外力( 如：磋，) 和 力矩( 如：n e c k m ) 。依据法规的评价标准，下面给出了侧面碰撞中人体最重要 的若干个部位的损伤评价标准。 8 硕士学位论文 1 6 1 头部损伤标准 美国w a y n e 州立大学的l i s s n e r 是将头部的损伤程度进行量化的第一个人， 得到了头部在直线加速度下的耐冲击性，这就是有名的w s t c n 引，如图2 4 所示： 04 柏健 时问( ) - 图1 2 韦恩州立大学耐受度曲线 为了解决在复杂的加速度时间关系下的w s t c 进行损伤耐受度的计算。g a d d 提出了一种加权加速度指数，称为g a d d 损伤强度指标g s i ： g s i = r 口( r ) 2 5 d t ( 1 1 ) 屯 口0 ) 一一头部惯性中心的线性加速度，g ： 厶一一冲击开始的时间，s ； t一一冲击结束的时间，s ； ， 一一时间变量，s 。 在前碰撞时，g a d d 给出的产生脑震荡的耐受度阈值是g s i = 1 0 0 0 。 在比较综合w s t c 和g s i 的基础上，f m v s s 提出了头部损伤耐受度的计算 公式h i c ( h e a di n j u r yc r i t e r i o n ) ： 广1 2 5 册= ( f 2 卅i 击1 2 ) 衍i t o vyy a 6 i 在( 2 5 ) 式中若设所研究的物体占据的空间域为q ，将其用有限单元离散化 并引入虚位移场后也可写成 m 】 口 = 吃 一 ， ( 2 6 ) 这里【m 】为质量矩阵， 口) 为结点加速度向量， 吃 和 为结点的外和内力 向量，包括外载力、接触力和内应力乜3 | 。可以采用中心差分法求解系统的加速度， 如果中心差分法中考虑的是集中质量分布，则 m 】为对角质量矩阵，并用罚函数 法计算接触力，则式( 2 6 ) 成了一组互不相关的方程，免去了建立与求解联立方 程组的工作，得到所谓的显式求解法。显式求解法简易、快速，在汽车碰撞和安 全气囊仿真分析中得到广泛应用。然而在显式积分方法的迭代过程中，必须保证 其运算是条件稳定的，其时间步长由c o u r a n t 稳定性条件确定，这一条件要求时间 步长足够小，以使应力波传递在一个时间步长中不跨越有限元模型中的最小单元。 实践证明，显式积分方法所允许的时间步长恰好与精确描述材料本构关系所要求 的时间步长是同阶的。 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： 1 5 汽车侧面碰掩结构改进和侧面头胸部安全气囊的优化研究 v 斛1 陀= v ”一1 7 2 + a ”a t ” u ”+ 1 坨= u ”+ v ”+ 1 7 2 a t 肿1 7 2 式中： h k t n + l 2 = t a t n + a t n + l ( 2 7 ) ( 2 8 ) ( 2 9 ) u ，v 分别是节点的速度和位移矢量，时间步长用缸表示。f 按c o u r a n t 稳定 性条件计算如下： 出s 生 e ( 2 1 0 ) 式中：l e 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； c e 为波在单元e 中的传播速度，其计算如下： c 。= ( 2 1 1 ) 式中：见为单元e 的材料密度；e 为材料的杨氏弹性模量；7 为泊松比。 在碰撞数值模拟中，另一个重要的问题是动态接触问题的处理，z h o n g 提出 了接触点搜寻的级域算法和防御节点法，前者主要解决动态接触点的快速搜寻问 题，后者在显式求解中引入了拉格朗日乘子法快速计算接触力，同时又避免了使 用罚函数法带来的对计算稳定性的不利影响。从仿真理论角度看，它们可用统一 的模型来表达，即求解如下的接触碰撞问题心们： l o 8 p d q l g 舢一f , 罗u d c + l 艘万谢q + 鼻万虿= o ( 2 1 2 ) 式中：q 一一仿真模型中所有零部件所占的空间； 仃一一应力矩阵； 沈一一虚应变向量； s 一一零部件受外载荷的面积； g 一一作用在s 上的外载向量； 万“一一虚位移； c 一一零部件自身相互接触面积； ，一一作用在c 上的接触力； 艿“一一与厂对应的两接触点的相对虚位移； 户一一零部件的质量密度； 口一一加速度向量； f 一一内部点载荷； 一 万“，一一对应于f 的虚位移。 将方程( 2 1 2 ) 用显式有限元方法离散后可获得如下形式的代数方程组： 1 6 硕士学位论文 m a = q + f 一 ( 2 1 3 ) 式中：m 一一质量矩阵； 彳一一系统加速度向量； 蟛一一系统外力向量； f 一一汽车内部的接触碰撞力向量； 系统的内力向量。 2 1 2 多刚体理论 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 使用，主要用于研究碰撞过程中人体和车辆各个部分的动态响应。而最具代表的 商业软件是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，该 软件具有完整的较高的生物特性多刚体假人模型库，具有建模简便，运算速度快 等优点。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， 安全气囊和安全带一般用有限元技术模拟。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。 y 图2 2 单个刚体的运动 图2 2 所示是一个空间运动的刚体，刚体上任一点相对于某固定点的空间位 置可由下面的矢量公式表示： 置= + ，； ( 2 1 4 ) 如果知道每个时刻的位置，可求出该点的速度和加速度： z = t + 咩t ( 2 1 5 ) z = 霉+ 嘭毽+ _ ) ( 2 1 6 ) 1 7 汽车侧面碰掩结构改进和侧面头胸部安伞气囊的优化研究 矢量可由三个标量合成，这里的矢量运算可转化为标量矩阵的运算。 根据动量守恒规律，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