（车辆工程专业论文）桑塔纳2000前碰中乘员运动响应的计算机模拟.pdf

摘要 汽车被动安全性是消费者极其关注的车辆性能之一，也是汽车制 造商研发改进产品的重点。本文针对在国内市场占有率很高的桑塔纳 20 0 0 型轿车，采用计算机仿真的手段，基于p a m - c r a s h & p a m - s a f e 软件平台，运用多体系统动力学和有限元方法，设计了低速、中速、 高速，1 0 0 正面碰撞、偏置碰撞、斜角碰撞，不佩带安全带、只佩 带安全带、佩带安全带并配备安全气囊等9 种碰撞方案进行计算模拟 分析。 文章建立了带乘员及完整约束系统( 安全带和安全气囊) 的整车 碰撞模型，并根据实车试验对该模型进行了验证。使用验证后的模型 进行各种方案的计算分析，对舱内乘员运动响应情况、轿车的前碰安 全性能等作了比较全面的分析和评价，为进一步优化设计提供了参考 依据。 本课题还在实际操作中研究了包括乘员及约束系统仿真、带乘员 及完整约束系统( 安全带和安全气囊) 的整车碰撞仿真等计算机模拟 仿真方法，为运用计算机仿真方法研究汽车被动安全性积累了大量数 据和经验，同时也对国内汽车被动安全性计算机仿真水平的提高有着 积极意义。 关键词：汽车碰撞、乘员运动响应、计算机模拟、约束系统 a b s t r a c t a u t o p a s s i v es a f e t y i so n eo ft h ei m p o r t a n tc a p a b i l i t i e st h a t c o n s u m e r sf o c u so n ，s oa u t om a n u f a c t u r e r sa t t a c hg r e a ti m p o r t a n c et oi t w h e na u t oi sd e s i g n e da n dd e v e l o p e d t h ep a p e rh a sm a d eag e n e r a l a n a l y s i sa b o u ts a n t a n a2 0 0 0 sf r o n t a lc r a s hs a f e t yc a p a b i l i t yb a s e do n9 d i f f e r e n tc r a s hs c h e m e sb yn u m e r i c a ls i m u l a t i o nm e t h o d aw h o l ec r a s hm o d e lt h a tc o n s i s t so fv e h i c l e ，d u m m y , r e s t r i c t i o n s y s t e m ( s a f e t y b e l ta n da i r b a g ) h a sb e e nb u i l t ，a n db e e n v a l i d a t e d a c c o r d i n gt ot h et e s tr e s u l t t h ed i f f e r e n tc a l c u l a t e dm o d e l sh a v eb e e n b u i l tb a s e do nt h ev a l i d a t e dm o d e la n dc a l c u l a t e d o c c u p a n t sd y n a m i c r e s p o n s ea n dv e h i c l ef r o n t a lc r a s hs a f e t yc a p a b i l i t yh a v eb e e na n a l y z e d a n da s s e s s e d t h i sc a np r o v i d er e f e r e n c ed a t af o rf u r t h e ro p t i m i z a t i o n n u m e r i c a ls i m u l a t i o nm e t h o dh a sb e e nr e s e a r c h e dw h i c hi n c l u d e s o c c u p a n t & r e s t r i c t i o ns y s t e ms i m u l a t i o na n d w h o l ec r a s ht e s ts i m u l a t i o n am a s so fd a t aa n de x p e r i e n c eh a sb e e ng a i n e d t h ei n t e r n a l l e v e lo f n u m e r i c a ls i m u l a t i o ni na u t op a s s i v es a f e t yh a sb e e na d v a n c e d k e y w o r d s ：v e h i c l ec r a s h ，o c c u p a n t sd y n a m i cr e s p o n s e ，n u m e r i c a l s i m u l a t i o n ，r e s t r i c t i o ns y s t e m 声明尸明 本人郑重声明：本论文是在导师的指导下，独立进行研究工作所取 得的成果，撰写成博士硕士学位论文：墓搭纳圣q q q 煎碰史丞虽运动 响廑的让簋扭搓塑= = 。除论文中已经注明引用的内容外，对论文的研 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。本论文 中不包含任何未加明确注明的其他个人或集体已经公开发表或未公 开发表的成果。 本声明的法律责任由本人承担。 学位论文作者签名： 宵心 2 0 0 4 年0 2 月2 0 日 第章绪沦 第一章绪论 1 1 课题背景情况和研究意义 当今汽车工业的发展，以及人们对汽车安全性能的要求越来越高，使得汽车安全性在 车辆的设计开发中逐渐占据了首要地位。由于车辆数量的急剧增加和其行驶速度的不断提 高，交通事故造成的人员伤亡和财产损失极其巨大。如何通过改善汽车结构的碰撞性能、 采取合适有效的乘员安全防护措施，从而保护车内乘员和车外人员的安全，即提高汽车的 安全性，是汽车工程师们所面临的一个重要问题。 世界上汽车工业最发达的国家，如美国、德国、日本都制定了针对汽车安全性的强制 性法规，象美国的f m v s s 、德国的s t r a s s e n v e r k h e r - z u l a s s u n g s o r d e n u n g 等。这些法规对于 车辆的结构攻计和安全装备有着详细的要求，并同时制定了严格的车辆碰撞试验规范，汽 车制造商生产的每一部汽车都必须满足这些法规的要求。近年来我国在参照国外汽车安全 性法规的基础上，根据自身的实际情况，也相继出台了相关的汽车安全法规。其中我国政 府于1 9 9 9 年l o 月颁布的c m v d r 2 9 4 关于正面碰撞乘员保护的设计规则就是一部重要 的法律文件。 汽车安全性分为“主动安全性”和“被动安全性”。所谓“主动安全性”，也称为事故预 防性能，是指汽车能够识别潜在的危险因素自动减速，或者当突发因素作用时，能够在驾驶 员的操纵下避免发生碰撞事故的性能，包括可靠性、环境视见性、操纵稳定性和加速制动性。 而“被动安全性”则是指汽车发生不可避免的交通事故时，能够对车内乘员或车外行人进行 有效保护，以免发生伤害或使伤害减低到最低程度的性能。根据目前的汽车技术和事故统计， 交通事故的发生在今后很长一段时间内仍不可避免。因此，汽车被动安全性技术仍是保护汽 车乘员及行人安全的主要对策，是汽车安全性领域研究的重要内容。按照交通事故中汽车的 碰撞形式可将碰撞事故分为正面碰撞、侧面碰撞、追尾和翻滚。据美国道路交通安全局 ( n h t s a ) 统计，正面碰撞事故约占所有碰撞事故的5 2 ，侧面碰撞事故约占3 l ，翻滚 事故占4 9 6 ，其他事故占2 5 6 5 。从中可以看出，正面碰撞发生的比例最大。因此研究 车辆的正嘶碰撞安全特性对降低乘员的伤害非常重要。 汽车的被动安全性研究在国外始于六十年代。美国、日本和西欧的汽车制造公司都有专 门的技术人员和最先进的计算机设备从事汽车被动安全性的试验和分析工作。许多发达的工 业同家都建立了严格的汽车安全法规和标准。一些实力雄厚的汽车制造厂商为提高自身的市 场竞争力，采用比普通的汽车安全法规更严格的标准。开展汽车被动安全性研究和贯彻安全 法规使得这些国家的汽车事故中的死亡人数明显减少，这说明被动安全性研究在降低人员伤 害方面是很重要的。 研究汽车安全性的最可靠的方法是进行实车碰撞试验，但是实车碰撞试验要在样车试 制出来后才能进行，且碰撞试验是破坏性的，这就导致试验费用昂贵并且周期长，不利于 快速地发现和解决问题。而运用计算机模拟碰撞，可以节约试验费用，缩短开发周期，并 第一章绪论 能够方便地进行许多在现实中很难完成的试验模拟和事故再现。达到工程设计精度要求的 计算机仿真在车辆开发改进过程中，可以相对方便快捷的发现车辆设计中的不足，或对设 汁方案作出初步的验证分析，为后期开发提供了大量有价值的数据和参照。 车辆碰撞的计算机模拟是随着高性能计算机的出现以及碰撞理论、材料理论、有限元理 论、多刚体系统理论的深入完善，自8 0 年代后期迅速发展起来的。国外各大汽车制造商为 控制成本、缩短开发周期而广泛地采用计算机模拟的方法。当今已商业化的各种建模、前处 理、后处理分析软件，如u g 、i - d e a s 、p a m c r a s h 、h y p e r m e s h 、m a d y m 0 等已趋 向成熟，现已能较高精度地模拟出各种车辆碰撞。某些汽车制造商和研究机构还根据实际需 要自己开发相应的软件来进行模拟研究。 在被动安全性研究的初期主要是对各种零部件、材料的碰撞变形、碰撞特性的模拟研究， 如针对存轿车正面碰撞中起着主要吸能作用的前纵梁的结构形状、材料、焊接状态的模拟研 究。在9 0 年代初发展到对有着车身、车轮悬架系统、驱动系统、转向系统的整车碰撞进行 模拟。这样可以在前期开发中发现结构设计的薄弱之处，并作出优化改进，避免将不合理的 设计带入后期开发过程。如今国外前沿的研究逐渐深入细化到对车辆倾翻、在各种形式的碰 撞下对特殊乘员( 如身材矮小者、儿童、孕妇等) 的有效保护等方面的模拟研究。 国内在车辆碰撞的计算机模拟方面的的研究起始于9 0 年代中期，也同样依照国外的发 展路线，即”零部件材料一整车一特殊情况的细化研究”这样一条路线。国内研究人员已经运 用计算机模拟的手段对车辆被动安全性进行了大量的研究，并取得了很好的成果。但目前还 处于对典型的轿车车身结构的耐撞性的计算机模拟阶段，对假人约束系统一般是以台车试验 模拟。即把车身结构模拟和乘员舱内的模拟分开来进行。本课题则将假人约束系统装配到整 车中进行完整的碰撞模拟，这在目前国内来说是处于研究前沿的。 1 2 汽车前碰的研究分析方法 下而就汽车对汽车的正面碰撞进行分析，说明两车碰撞后的基本运动情况以及两车碰撞 ! j 币车对墙碰撞之i f i j 的关系。 汽车正面碰撞是属于发生在汽车纵轴上的碰撞事故，因此一般作为一维碰撞处理。汽车 碰撞时，由于减速度很大( 通常是重力加速度的数十倍) ，相比之下，汽车的滚动阻力，空 气阻力、牵引力和制动力等远远小于汽车减速惯性力，因而可以把它们忽略不计，将这些外 力略去后，就可以把相互作用的汽车与物体( 或汽车与汽车) 看作一个封闭的不受第三者的 外力干扰的系统。在该系统中，动量是守恒的。 重量m ，m ? 的两车在速度y ，吻，下碰撞，设碰撞后的速度为y y 2 2 ，则得 m l v j l + m 2 y 2 i2m 1 1 ，1 2 + m 2 v 2 2 ( 1 一1 ) 设在碰撞过程中两车速度达到相等时的速度为，则 所i y l l + 胁2 v 2 i = ( ，l i + m 2 ) 1 ，f ( 卜2 ) 2 第一章绪论 设两车在碰撞中达到速度k 的速度变化为，、，则 v o ，刮- - 一v e = 熹( v i i v 2 1 ) 。 ( 1 - 3 ) v 0 22 - 心嘞。老“t 嘞) 车身的变形量取决于这一速度变化，因此可作为表示碰撞程度的尺度。把它定 义为实效碰撞速度。 相同型号的汽车在速度相等的情况下正面碰撞时，由于m i = m 2 ，y i i = 一v 2 l ，故实效 碰撞速度为 r o l = = u l ( 1 4 ) 以v ，的速度与固定壁障碰撞时，由于川2 = 0 0 ，v 2 l = 0 ， 故 v o l = 1 ，i i ( 卜5 ) 因而，相同型号的汽车在速度相等的情况下的正面碰撞，其实效碰撞速度与同一速度下 的对壁碰撞是相同的，故其损害程度也是一样的。 这样，引入实效碰撞速度这一概念，就可把正面碰撞与对壁碰撞作为同一现象处理。有 时也把这个实效碰撞速度称为壁障换算碰撞速度。 实效碰撞速度与各种车辆的碰撞前的绝对速度无关，仅仅取决于相对速度和重量比。因 而两辆汽车正面碰撞时，轻车与重车相比，其实效碰撞速度大，损害程度也大。 设碰撞时的冲抗系数e 为 p ：垡二垒( 1 6 ) 1 ，i i v 2 | 冲抗系数因实效碰撞速度而异，它的关系也要用试验求得。 实效碰撞速度为3 0 k m h 左右的碰撞，e 为0 2 左右；高速碰撞时e 几乎为零，近似于塑 性碰撞。仅仅保险杠接触那样的低速碰撞时，e 接近于l 。 碰撞过程中车辆的变形与碰撞同时增大，至最大变形后。又发生部分弹性恢复。碰撞 终了时的塑性变形量和碰撞中的最大变形量都与实效碰撞速度成正比。 汽车碰撞的计算机仿真模拟可分为集中参数模拟( l u m p e dp a r a m e t e rm o d e l i n g ) 和有限 元模拟( f i n i t ee l e m e n tm o d e l i n g ) 两种。前者采用简单的模型，对车身变形做出基本预测； 后者采用复杂的模型，对车身变形做出精确预测。 1 ) 集中参数模拟方法 早期的模拟碰撞，由于计算机技术对有限元分析方法应用的限制。因此大量采用集中参 3 第一章绪论 数校拟方法( l p ) ，它采用简币的弹簧、质量块、阻尼器，将汽车简化成一个集中的弹簧一 质最系统。这种模型可以用于建立正面碰撞中汽车结构的简单模型，用于新车概念设计阶段 及参数识别、性能优化等工作。 6 0 年代末k a m a l 首先将集中参数模型应用于模拟“汽车一障碍壁”的碰撞过程，其模 型采用已知条件，如质量、几何尺寸等参数，利用非线性弹簧代表汽车结构在变形过程中的 吸能元件，并使其具有与所代表的实际元件相同的非线性“力一位移”特性，这些特性由静 压试验获得，然后由动态系数修正为动态特性，从而构造出碰撞的数学模型。根据碰撞的实 际条件，给模型输入一系列变量，如碰撞速度、碰撞角度等，通过计算机对数学模型的计算， 可输出汽车碰撞的运动学和动力学数据。 如图1 1 ，k a m a l 把前置发动机、后轮驱动的小客车简化成一个由3 个集中质量和8 个 非线性抗力组成的三自由度系统。 图1 - ik a m a l 离散弹簧一质量 2 ) 有限元模拟方法 有限元分析问题的思路是从结构矩阵分析推广而来的。起源于5 0 年代的杆系结构矩阵 分析，是把每一个杆件作为一个单元，整个结构就看成是由有限个单元( 杆件) 连接而成的 集合体。分析每个单元的力学特性，再组集起来就能建立整体结构的力学方程式，然后利用 计算机求解。与传统的计算方法比较，有限元法有如下特点： 有限元方法的基本思想是“离散化”。有限元法将被分析的对象，例如将一个弹性体或 一个机械结构视为由有限个单元构成，这些单元之间在仅节点处互相连接，形成结构模型。 对4 i 同的单元分别假设不同的内部位移模式，并用节点位移来描述。这样，我们只要对构成 分析对象的节点位移求解，就可以求得单元的变形和应力，而不必对弹性体的无限域求解。 在同一有限元计算模型中，应尽量避免出现刚度过分悬殊的单元，包括刚度很大的边界元、 桤邻单元相差很大等；同时采用较密的网格划分，注意以较好的单元形态进行计算( 尽量采 用接近等边三角形或正方形单元等) 等措施可减小离散带来的误差。 传统的力学方法是用数学方法对解析方程求近似解，而有限元方法则是对计算对象做物 理上的近似( 解方程离散化) 。有限元理论证明：当单元足够小、网格划分的足够细密时， 这个由近似所产生的误差随网格细化而收敛于零。这就是说，在工程计算时，只要网格足够 细密，计算精度是可以保证的。 有限元法不仅适应于复杂的几何形状和边界条件，而且能够处理各种复杂的材料性质问 4 第一章绪论 题，例如材料的各向异性，非线性，随时间或温度而变化的材料性质问题。另外它还可解决 非均质连续介质的问题。 有限元方法必须求解一个大型代数方程组，这个方法组可能有数千个未知数，用人工求 解，几乎是不可能的。也就是说，只能用大中型电子计算机才能计算。这也说明了有限元方 法为什么是随着电子计算机而发展的原因。有限元方法的计算机软件是通用的。现代有限元 方法软件向高度的通用化、商业化方向发展。 1 3 本文的研究目的及研究内容 本文运用计算机模拟的方法对带有乘员及约束系统的整车碰撞试验进行完整的仿真，研 究轿车在发生前碰时乘员的运动响应及伤害情况，分析车辆在各种碰撞工况下的乘员保护安 全性能，为设计改进提供相关的数据参照。 以往的乘员约束系统仿真一般是采用类似于台车试验的方法，即只构建舱内环境且把车 舱作为惯性空间，而同时反向赋予人体模型近似的加速度曲线来进行模拟。本文则按照实际 的车辆碰撞试验，建立包括轿车，乘员，约束系统等完整的碰撞模型，对碰撞试验进行完整 的模拟仿真。 传统的乘员约束系统仿真方法只能由实车碰撞试验获得相应的加速度曲线后，应用该曲 线对该唯一碰撞工况进行相关仿真。而本文中采用的带乘员及约束系统的整车碰撞仿真方法 在对碰撞模型进行验证之后，就可随意设定相关碰撞约束条件，通过计算得到各种碰撞工况 下的仿真结果。另外传统的乘员约束系统仿真方法存在转向系统在碰撞中的运动情况、车舱 的变形等的模拟较难实现、人体加速度曲线的理论值难以取得等问题。而带乘员及约束系统 的整车碰撞仿真方法因为整个模拟本身也包括车辆的碰撞部分，与实车碰撞试验情况一致， 所以就不存在上述问题。这样也就具备了实现更高精度的模拟仿真的条件。 研究内容主要包括： 1 乘员及约束系统模型的建立，模型包括安全带、座椅、仪表板及转向系统、气囊和 假人。其中假人数据为p a m s a f e 软件提供。 2 乘员及约束系统模型与整车模型的匹配。要按照试验数据和实车几何参数正确的安 放假人，建立装配约束系统，修改约束系统模型与整车模型间的有限元网格干涉或 交错。 3 碰撞条件和约束条件的选择设计。参照法规和汽车碰撞事故统计数据，选择设计典 型且能够反映车辆碰撞安全性能的系列碰撞工况来进行模拟。 4 对整个模拟的精度进行控制，以达到工程设计误差小于2 0 的精度要求。 5 对模拟结果的分析。 本文采用了体单元来建立相关的模型，其中包括偏置碰撞可变形壁障和座椅模型。体单 元能够更好的模拟实际可变形壁障和座椅的座垫及靠背泡沫。体单元材料特性的设定不仪对 是否能准确模拟可变形壁障或座垫泡沫至关重要，而且会影响到整个模型计算的稳定性，甚 5 第一章绪论 至能否求解成功。涉及到体单元的接触定义也需要一定的技巧和经验。 在计算机仿真研究方法上，本文依照实车碰撞试验，进行带乘员及完整约束系统( 安全 带和安全气囊) 的整车碰撞计算机仿真，即实现所谓的虚拟碰撞，这在国内属于领先水平。 6 笫一章汽车前碰安令特性 第二章汽车前碰安全特性 2 1 正面碰撞法规及乘员保护的强制性法规 伴随着汽车工业的发展和汽车在社会中角色的日益重要，人们对于汽车的各种品质功 能也就相应的重视起来。更由于车辆交通事故时有发生，很多造成车毁人亡的惨剧，给个 人、家庭和社会带来很大的创伤和损失。于是汽车的安全性能，特别是被动安全性能，就 成为一辆汽车品质的重要标志。 根据我国1 9 9 8 年的道路交通事故统计数据( 见表2 1 ) ，在所有事故形态中正面碰撞 占的比例不是最高，但是造成的死亡人数比例是最高的。这都表明研究车辆的正面碰撞安 全特性是非常重要的。 事故形态数量比例死亡人数比例受伤人数比例 正两碰撞2 3 8 8 3 1 7 5 2 8 9 侧面碰撞 3 1 6 5 2 3 2 2 3 0 1 5 追尾碰撞 1 9 1 1 1 2 3 5 1 3 3 4 翻车 4 1 6 5 4 7 o 其他 2 1 2 6 2 6 1 4 2 0 6 l 表2 - 1r f l 困i 9 9 8 年的道路交通事故统计数据 2 1 1 现行的正面碰撞试验法规 美国是最早颁布汽车碰撞安全性法规的国家。它于1 9 6 8 年制定颁布了f m v s s2 0 8 ， 即联邦机动车安全法规乘员碰撞保护条款。该法规要求车辆以3 0 m p h ( 4 8 3 k m h ) 的速度 撞击刚性固定壁障，车辆纵轴线和壁障法向夹角左右3 0 。的范围内均满足乘员保护标准。 具体一般进行下列2 种碰撞试验： ( 1 ) 车辆纵轴线与壁障表面垂直。 ( 2 ) 车辆横截面与壁障表面成3 0 。角，其中分为汽车左侧先与壁障接触和汽车右 侧先与壁障接触。 具体试验条件见表2 - 2 。 7 第二章汽车前碰安伞特性 法规号f m v s s2 0 8 法规名乘员的碰撞保护 适用范围轿车 面篷 碰撞形式 一 碰撞速度3 0 m p h ( 4 8 3 k m h ) 假人尺寸5 0 成年男子h y b r i dl i 型h y b r i di i i 型 假人位置驾驶员侧与前排乘员侧 试验车质量空车质量+ 行李质量+ 假人( 2 个) 座椅位置中间位置 座椅靠背位置设计标准位置 转向盘位置中间位置 安全带佩带和不佩带两种情况 可调节安全带固定 设计标准位置 点位置 制动系统驻车自动松开 变迷器档位空挡 门窗状态 门窗关闭不锁 表2 2f m v s s2 0 8 法规条款 欧洲也从上世纪6 0 年代开始制定被动安全性法规，欧洲的法规根据自身的特点经多年 研究实施，如今也形成了自己的一套被动安全性法规体系。 欧洲比较注重实际的事故碰撞形态，提出偏置碰撞试验以更接近实际的碰撞事故。欧 洲曾于1 9 9 5 年颁布的e c er 9 4 0 0 号法规中采用5 0 k m h 碰撞速度、3 0 。斜角碰撞试验。这 是因为偏置碰撞试验的要求较苛刻，当时的试验手段不能满足要求而采取一种过渡方法。 同时欧洲专家认为f m v s s2 0 8 中的斜角碰撞壁障与车辆间的接触太过光滑，会影响碰撞强 度，所以在e c er 9 4 0 0 中的3 0 。斜角壁障上安装了标准防滑块，以阻止试验中车辆与壁 障i 日j 的滑动。 8 第一一：章汽牟前碰安伞特性 从1 9 9 8 年开始，欧洲开始施行e c er 9 4 0 1 号法规。该法规要求的是5 6k m h 碰撞速 度、4 0 偏置可变形壁障碰撞试验。 具体试验条件见表2 3 。 法规号 e c er 9 4 0 l 法规名乘员的碰撞保护 适h j 范围轿车 4 0 重叠系数、可变形壁障正面碰撞试验 d 一 一 碰撞形式 ：痊雪 ： ： ： ： z 碰撞速度 5 6 k m h 假人尺寸 5 0 成年男子h y b r i df i i 型 假人位置驾驶员侧与前排乘员侧 试验车质量空车质量+ 行李质量+ 假人( 2 个) 座椅位置中间位置 座椅靠背位置设计标准位置 转向盘位置中间位置 安全带佩带 可调节安全带固定 点位置 设计标准位置 制动系统驻车自动松开 变速器档位 空挡 门窗状态 门窗关闭不锁 表2 3e c er 9 4 0 1 法规条款 我国政府目前采用的产品认证体系与欧洲大致相同，于1 9 9 9 年颁布的c m v d r2 9 4 ( 关 于正面碰撞乘员保护的设计规则就是参照欧洲法规起草的。经专家研究讨论，我国并没 有采用欧洲e c er 9 4 0 1 中的偏置碰撞试验，而是采用和美国、日本法规一致的1 0 0 重叠 率、9 0 度刚性固定壁障正面碰撞试验。碰撞车速为5 0 k m h 。 具体试验条件见表2 4 。 9 第二章汽车前碰安令特性 法规号 c m v d r2 9 4 法规名关于正面碰撞乘员保护的设计规则 适用范围m i 类机动车 碰撞形式 面莲 碰撞速度 5 0 0 2k m h 假人尺寸 5 0 成年男子h y b r i di i i 型 假人位置驾驶员侧与前排乘员侧 试验车质量空车质量+ 假人 座椅位置 保证h 点调整正常驾驶位置 座椅靠背位置设计标准位置 转向盘位置中间位置 安全带佩带和不佩带两种情况 可调：i 了安全带固定 点位置 设计标准位置 门窗状态门窗关闭不锁 表2 - 4c m v d r2 9 4 法规条款 2 1 2 现行正面碰撞试验法规的评价效能和存在的问题 众所周知我们制定各种强制性安全性法规就是为了对进入市场的每一款汽车的被动 安全性能进行有效正确的评估，确保汽车使用者在发生意外事故时能得到有效的保护。 纵观世界主要发达国家地区的汽车碰撞法规，根据考察评估的重点不同，大致可分为 两类碰撞试验： ( 1 ) 1 0 0 重叠率、垂直正面碰撞试验。该试验形式侧重于对乘员约束系统的评价 考察。在进行1 0 0 重叠率碰撞试验时，整个车身前部参与碰撞，车体刚度最大，碰 撞过程中车体冲击加速度峰值最大，而车身前部变形最小。在该碰撞形式下，车内乘 员在巨大冲击惯性力作用下，乘员头部、胸部可能会有较大的伤害。研究表明，与乘 员生物伤害指标相关的主要是乘员约束系统。安全车身在确保碰撞中足够的乘员生存 空间的前提下，通过安全带、安全气囊的合理匹配才能有效的控制乘员动能的消耗， 减小乘员伤害指标。所以1 0 0 重叠率碰撞试验是侧重于评价考察乘员约束系统性能 的。 1 0 第二章汽乍前碰安伞特性 ( 2 ) 4 0 偏置碰撞或3 0 0 斜角碰撞试验。该试验形式侧重于对车身结构被动安全特 性的考察。在进行4 0 偏置碰撞或3 0 。斜角碰撞试验时，只有一侧车身或只有一侧车 身全过程参与了碰撞，这样的碰撞形式使得车身变形大，车舱可能出现大的侵入坍塌， 从而危及乘员生存空间。由于该碰撞形式下的车体刚度大约只有1 0 0 重叠率碰撞的 一半，所以碰撞中车体冲击加速度峰值较小，使得因冲击惯性造成的乘员伤害较小， 但是严重的乘员舱侵入会造成乘员伤亡。 不同的国家地区或不同机构采取的碰撞试验是不同的，美国政府颁布的f m v s s2 0 8 法 规采取的足1 0 0 重叠率正面碰撞试验和3 0 0 斜角碰撞试验综合评价的方法，这样对车辆的 碰撞性能的评价还是比较全面的。但同时3 0 0 斜角碰撞试验不如偏置碰撞试验来的接近实 际事故碰撞形式，且欧洲采取的偏置碰撞壁障是蜂窝铝材料的可变形壁障，这样就更能真 实的模拟实际事故中车与车的碰撞，所以3 0 0 斜角碰撞试验对车身结构被动安全特性的考 察效能不如偏置碰撞试验。 之所以不同的国家地区或不同机构采取的碰撞试验会不一样，这就与其所在的立场、 管理观念有关。统计数据表明在3 0 4 0 重叠率碰撞事故中严重受伤人数最多，而在9 0 1 0 0 重叠率区域中死亡人数最多。如果立法机构希望减少事故死亡人数，则采取1 0 0 重 叠率碰撞试验形式；如果希望减少严重受伤人数，降低事故社会成本，则采取偏置碰撞试 验为好。 代表美国保险行业的公路安全保险研究所采取的是偏置碰撞试验。由于严重受伤人员 的治疗、日后生活都需要支付昂贵的成本，这也是保险行业所不愿意看到的，所以它就以 模拟造成严重受伤人数比例最高的偏置碰撞事故的偏置碰撞试验形式来评价车辆的安全性 能。代表美国政府的公共交通安全局采取的是l o o 重叠率正面碰撞试验。它以模拟造成 死亡人数比例最高的9 0 一- 1 0 0 重叠率碰撞事故的1 0 0 重叠率正面碰撞试验来评价车辆 的安全性能。 两种不同的评价试验方法有时就会得出完全不同的结论。如福特f 1 5 0 在公路安全保 险研究所的试验评价中是“差”，丰田t u n d r a 被评定为“好”；而在公共交通安全局的评 价t l t 福特f 1 5 0 为“最好i p 99 丰田t u n d r a 为“最差”。两个机构得出的结论截然相反，这也 说明现行的两类碰撞试验不能单独完全的评价车辆的碰撞安全性能。这是因为1 0 0 重碴 率止向碰撞试验是整个车体前部参与碰撞吸收能量，为了得到较平缓的冲击减速度，车身 往往就被设计的刚度较小以使得乘员伤害指标较小而获得较高的安全等级。但是如果该车 辆进行偏置碰撞试验时，因为大约只有一半车体参与碰撞，低刚度的设计使得一半车体不 能承受剧烈的碰撞，从而造成乘员舱的大侵入，大变形，危及到乘员生存空间，这样该车 辆在偏置碰撞试验评价体系中的得分必定很低。反之亦然，汽车制造商为了在偏置碰撞试 验评价体系中获得高等级而提高车身的刚度，这就必然造成在1 0 0 重叠率正面碰撞试验 评价体系中因大刚度车身造成较高的人体伤害指标。 另外研究表明，不合理的安全气囊设计会对身材矮小者造成意外伤害。现行法规一般 第二章汽车前碰安= 牟：特性 采用的是5 0 男子人体模型，但是这样不能检验安全气囊对身材矮小者、儿童是否会造成 伤害。美国在推行智能化安全气囊行动中，对f m v s s2 0 8 进行了修订，增加了5 女性假 人和儿童假人的碰撞试验，增加了颈部伤害指标来评价汽车碰撞安全性能。 由此町见，当前的碰撞试验评价体系还存在一定问题。单纯的1 0 0 正面碰撞试验或 偏置碰撞试验不能够全面评价汽车的前碰安全特性，仅仅追求某项碰撞试验的高分，往往 会导致在其他方面碰撞安全性能的恶化，也即在其他的某项碰撞试验中得低分。 2 1 3 正碰乘员伤害评价指标和乘员保护强制性法规 在碰撞过程中人体受到物理量加速度、速度、力和位移的作用而在某些区域发生机械 的和生理的变化，即所谓的生物力学反应。当这种反应使生物系统的变形超出了某一个可 以恢复的极限，导致了身体内部结构或者生理功能的破坏，则此时就造成了乘员的伤害。 乘员伤情指数是一个物理量或者许多被考虑的与身体区域的受伤程度相关的物理量 综合作用的函数。针对不同的身体部位人们提出了许多种伤情指数及其允界限，国际上比 较公认的有： ( 1 ) 头部伤害指数h i c ( h e a di n j u r yc r i t e r i o n ) h i c 的计算公式为： r- 1 2 5 肌气去1 2a ( f ) 叫心叫i ) ( t o t l t 2 夕。j 夯7 。 。，磅z ? 。“ ，一7 k ，q 6 ) 万向铰( u n i v c z 髓lj o i n t ) ，自由虚数目m = 2 笫= 章p 删- s a f e 巾的人体模型、宣幸衢模型及气囊模型 7 ) 瑚结铰( b r a c k c lj o l n o 自由度数目m = o 8 ) 舟m 铰( f r e ej o i n t ) ，自由度数目h = 6 - 也嚣虚铰比如在两刚体问存在弹簧、月i 尼、摩擦弹簧的情况，或是出于分析方便而需要增加的情况。 ，i 。j7 一。、，= 一、 ， 一，一 报据剐体和与其相连接的运动学关系可观得出下列关系： 。= 悟 = 。，。+ e ，t 叮= ( - ：钆z ，。j ，。：) 7 c 3 - 9 ， 这里的y j 和y l 是刚体j 和刚体i 韵速度和角速度向量r 吼是铰a 的自由度速度向量 q 和马是与儿何及铰链共型相关的矩阵。刚体j 和刚体l 的加速度与其虚位移相似的表达 y i = d m y 产e h q 。+ g p 船l 耐i = d i p + e f 6 q ， 舻( “赢叫 叫办叫札一讷。叫7 ( 3 1 1 ) ( 3 】2 ) ( 3 1 3 ) 。 谚? 心 r r 、 ? 黪 【，j q ，、【 里 = 这卜， 第三章p a m - s a f er f l 的人体模型，安= 牟：带模型及气囊模型 万，= 刚体j 的虚位移， 万q = 铰a 的虚自由度。 r w 方法的创造性就在于利用图论的一些基本概念和数学工具来描述各刚体间的联系， 所谓多刚体系统的结构是指系统内各刚体的联系方式。为了实现计算机模拟仿真，就必须选 择一种适合于在计算机运算的方法来描述系统的结构。r o b e r s o n 和w i t t e n b u r g 提出的利用图 论方法，即用一个有向图来表示多刚体系统的结构，很易于在计算机上实现对多刚体系统结 构的描述。有向图中的顶点表示刚体，记作b i ( i l ，2 ，) ，下角标i 为刚体的序号：连 接顶点的有向弧表示铰，记作o j ( j = 1 ，2 ，) ，下角标j 为铰的序号。规定弧具有方向性 的目的是便于确定所连接的两个刚体中哪个为参照物以确定另一个刚体的相对运动，同时也 便于确定刚体之间作用力与反作用力的正方向。图3 - 6 就是一个由顶点和有向弧米描述系统 结构的多刚体系统结构图，其对应的多刚体系统见图3 5 。 b o 图3 5 多刚体系统图3 6 多刚体系统结构图 当系统中任意两个刚体问只有唯一的路径存在，则该多体系统称为“开”树结构( 树系 统) ：如果存在两条路径，则称为“闭”树结构( 非树系统) 。如上面图所示为树系统，简称 “树”。“开”树结构不包括那些在两个以上的刚体上存在边界条件的多体系统。因为即使该 系统能保证任意两个刚体间只有唯一的路径存在，但是两个以上的刚体上存在边界条件还是 会导致该系统成为一个“闭”树系统。( 图3 7 ) 图3 7 两个刚体存在边界条件的“闭”树系统 p a m c r a s h 中的求解方法是基于把树系统中的所有刚体的加速度表达成零刚体( b a s e b o d y ) 加速度的方程的，而零刚体的选择是很重要的。如果该树系统中没有任何一个刚体带 有初始条件或边界条件，则零刚体的选择是任意的。否则。带有初始条件或边界条件的刚体 就被默认为零刚体。 2 4 第三章p a m s a f ei f i 的人体模型、安伞带模型及气囊模型 零刚体的选择会影响计算时间而非计算结果。在所有铰都一样的假设下，计算时间会随 着从零刚体到枝端刚体的路径长度的增加而线性增加。在多体系统和有限元混合模型中，由 解算器为保证有限元稳定性计算得到的时间步长通常都比保证多体系统稳定性的时间步长 小的多。 结构图能直观的表示出多刚体系统的结构状况，但在系统的运动学和动力学分析中，必 须使用合适的计算数学工具来描述系统的结构，这就引进了“关联矩阵”和“通路矩阵”的 概念。 系统内各刚体以及零刚体与铰的关联状况可以用一个矩阵来描述。这个矩阵的行号与列 号分别与刚体和铰的标号相对应，其第i 行第j 列元素定义如下： f 1 2 1 ： o i 铰与口，刚体关联且以e 为起点 o j 铰与鼠刚体关联且以口，为终点， o j 铰与e 刚体无关联 ( 二兰2 刁 争 该( n + 1 ) n 阶矩阵称为系统的全关联矩阵，记做s ，其中每一列只含有l 与一1 两 个非零元素。将全关联矩阵的第一行与其他部分分开，记做s o ，其余部分记做s ，s o 与s 是组成s 的两个子矩阵。n 阶行阵s o 只和零刚体与铰的关联状况有关，n 阶方阵s 则描述系 统内刚体与铰的关联状况，通常将后者称为系统的关联矩阵。 对于树系统，还可以定义另一个矩阵来描述系统内各刚体与零刚体之间的通路状况。与 s 矩阵相反，这个矩阵的行号对应于铰号，列号对应于刚体号，其第j 行第i 列的元索定义 如下： l 1 0 ，铰属于b 。刚体至e 刚体的路且指向b o t j i = 一l9 ，铰属于风冈4 体至b ，刚体的路且背向岛，( i ，j 。l ，2 ，o 9n ) ( 3 1 5 ) 1 0 o j 铰不属于b 。刚体至b ，刚体的路 以上定义的n 阶方阵称为系统的通路矩阵，记做t 。 对于非树系统，由于刚体与零刚体间的通路不唯一，按上述定义的通路矩阵是不确定的， 所以不能使用通路矩阵概念。 r w 动力学方程的推导可以使用矢量力学方法，也可以使用分析力学方法。使用矢量 力学方法具有几何直观性，但是随着组成系统刚体数目的增多，会造成刚体间的联系状况和 约束方程的复杂化。利用分析力学方法可以避免出现铰的约束反力，使得推导过程简单清晰。 p a m s a f e 中的人体建模就是采用分析力学的方法。 根据虚功原理列出多刚体系统动力学普遍方程： n b s n j s 踟= ( 氓( m 。_ 一c ) + 勋。( - ，。国。+ 0 9 。x j g o 。一瓦) ) + 矾= 0 ( 3 一1 6 ) 这里： 第二i 章p a m - s a f e 叶l 的人体模型、安伞带模型及气囊模型 6 匕： 万 ，是刚体n 的虚位移， i 万万。j m 。和j 。是刚体1 1 的质量和转动惯量， n b s 表示树系统中的刚体数目，n j s 表示树系统中的铰数目， n d o f 职= 一国d ( k x ，+ p d 匕) ，国c ，是铰c 的第1 个自由度的变分，x c 和y c 分别是 在铰c 处由弹簧、阻尼器等力元引起的力矩和作用力。n d o f 是铰c 的自由度数目。 利用前面所述的运动学关系，虚功原理动力学方程，并取铰自由度q a i 为独立广义坐标， 可以得到下面的表达式： q 。= 巴k + 绯 ( 3 1 7 ) 此处p j i 和q j i 只取决于多刚体系统的特性，树结构的几何及所受载荷情况。p j i 和q j i 是 用来描述从树系统枝梢到零刚体间通路关联状况的。对于零刚体，有下列的等式： q l = 丑。圪+ q i o ( 3 一1 8 ) 因为零刚体的运动规律已知，故可以求出q l 。求得日i 之后就可以推演出刚体的加速度。 如此从零刚体开始直到整个系统的枝梢。通过初始条件和沿时间轴积分可以得到速度和位 移。 3 2 3 有限元人体模型 有限元建模最早是运用到人体胸部模型上。后来随着大变形非线性有限元方法的完善， 及对人体碰撞伤害研究的深入，才将整个人体模型用有限元方法建立，以计算仿真人体各 部位的洋细受力情况和变形情况。 有限元人体模型是当前研究的方向，它的目标就是尽可能的建立与实际人体结构接近 的人体模型。如今已经开发出了包括骨骼、内部器官结构、肌肉和表皮等的有限元人体模 型。这是通过各种试验、研究取得人体各种生理特性参数，然后采用各种合适的单元类型 来建立骨骼、肌肉等不同的人体结构，赋予能够模拟实际人体特性的材料，定义人体关节 的运动及响应特性。由于有限元模型与实际人体的拟合度高，所以它能够更精确的模拟人 体的响应情况，更在于能够用于对人体各部位的伤害情况做进一步深入的研究。但是有限 元人体模型的单元数是非常庞大的，以一个h y b r i di n5 0 男子有限元模型为例，其单元 数高达5 2 3 2 5 个，这也表明使用有限元模型是要以消耗极大的计算资源为代价的。 3 2 4 1 混合人体模型 多刚体一有限元混合模型基本上是采用前面所述的多刚体系统动力学方法建立起来的 一个复杂多刚体系统。通过从运动学和动力学上计算分析所建立的多刚体人体模型，可以 挪! 睢p ；i m s f e 巾的人体僦型安垒带使犁及气垂模型 f j j l _ 人体头部胸部和腿部的加述度和载荷等响应情况。 十研究的需要，有时需对人体的某些关键部分如胸部、头部等j i ! 直有限7 l 楼掣分自。 比如j e 珂碰撞中的一个重要评价指标一胸部变形，在全部由刚体构成的模晕中是无法得到 的+ 所以模型在胸部采用町变形的有限元单元建模，这样就可以得到碰撞巾的胸部变形带。 f l l 十h 在胸部采用了有限元建校有效的控制了单元戢量所以在能够得到相关人伴响应的 | _ i | _ 叶也保证了较高的计算毅牢，这也是多刚体一有限元混台模型的优势所在。 水史中采川的h y b r i di l l5 0 男子正面碰撞模型就是一个多刚体一有限元混台模型， h 托人体胸部采用了有限元单元，在得到胸部变形的同时大大的碱少了计算量，保证了高的 计算效率。 3 3p a m - s a f e 中基于多刚体理论的混合人体模型 蚓3 - 8 就是本文中采用的h y b , i d1 1 15 0 男子正面碰撞人体模型 圈3 - 8 数值正面碰撞混合模型 牡个模型由3 5 3 0 个亮单元，2 4 个铰链( 弹簧) 2 7 个h 0 体构成。其中壳单元并非h 米 吐t 有限元模型而只址塑造人体的外形( 除胸部有限元模型外) 。刚体的定义是将j 壳单 几形成的人体挣部分定义成h 4 体如t 臀、小臂、手部等都各自为一个刚体。 假人横犁的构成见下表： 第二章p a m - s a f e 巾的人体模型、安令带模型及气囊模型 编号人体模型构成部分 l 头部( h e a ds h e ll s ) 2颈部托盘( n e c kp l a t es h e l l s ) 3颈部上段( u p p e rn e c ks h e ll s ) 4颈部中段( m i dn e c ks h e l i s ) 5颈部支架( n e c kb r a c k e ts h e l i s ) 6 上躯干( u p p e rt o r s os h e l l s ) 7弹性过渡胸片( e l a s t i ct r a n s i t i o nr i gs t e r n u m r i gr e s to fc h e s t ) 8 刚性胸片( r i g i ds t e r n u ms h e l l s ) 9 与下颚接触的胸片( u p p e rc h e s tc o n t a c tt oc h i n