轎車側面柱碰撞結構響應與乘員損傷研究*

楊濟匡,覃禎員,王四文,顧國榮

(1.湖南大學汽車車身先進設計制造國家重點實驗室,湖南 長沙 410082;2.查爾摩斯科技大學應用力學系,瑞典; 3.國家客車質量監督檢驗中心,重慶 401122)

轎車側面柱碰撞結構響應與乘員損傷研究*

楊濟匡1,2?,覃禎員1,3,王四文1,顧國榮1

(1.湖南大學汽車車身先進設計制造國家重點實驗室,湖南 長沙 410082;2.查爾摩斯科技大學應用力學系,瑞典; 3.國家客車質量監督檢驗中心,重慶 401122)

基于側面柱碰撞對乘員傷害的嚴重性,應用計算機仿真方法對轎車側面柱碰撞進行研究.通過對車身側面結構變形、加速度響應和假人損傷參數等方面的分析,揭示了柱碰撞的特性,并據此提出了改進門檻及地板橫梁強度的措施.結果表明:與側面壁障碰撞相比,轎車側面柱碰撞造成了對乘員更嚴重的損傷風險,增大了車身側面結構的侵入量.通過提高門檻梁、地板橫梁強度可以有效地提高車輛抗柱撞的車身結構安全性.

結構響應;側面柱碰撞;乘員安全;改進措施

在各種汽車碰撞事故形態中,汽車側面碰撞事故導致乘員重傷和死亡率高達25%,是造成乘員重傷和死亡的主要事故類型,其中43%～55%是車對車碰撞事故造成的,另外12%～16%是由于車體側面撞擊到柱狀物而造成的[1].由于乘員與車門內板之間僅存在20～30 cm的距離,一旦受到柱狀物碰撞,乘員將受到強烈貫入的沖擊載荷作用,乘員損傷級別一般在AIS3+及以上,人體損傷涉及到頭部、胸部、腹部、骨盆以及上下肢,其中頭部和胸部損傷幾率各高達33%,腹部或骨盆為16%[2].

汽車側面碰撞可以分為直接碰撞和間接碰撞2種形式,直接碰撞是指車與車之間的碰撞,而間接碰撞是指由于車輛的滑移、跑偏等引起的與障礙物的碰撞.隨著汽車碰撞試驗研究的深入,為盡可能多地分析不同事故類型對人體的傷害,碰撞試驗的形式也越來越多,側面柱碰撞試驗也隨之出現.目前國際上現有的側面柱碰撞法規有:Euro NCAP(Pole Side Impact)[3],美國聯邦法規(FMVSS201)和美國聯邦法規(FMVSS214NPRM(oblique pole test))[4].這些試驗方法的不同之處主要體現在:車輛的碰撞形態、碰撞柱的尺寸﹑試驗中所用的假人﹑碰撞速度和角度、碰撞基準點的位置和乘員傷害指標等方面.現有的側面柱碰撞試驗并非作為強制性要求法規,這使得設計者在車型設計階段很少考慮柱碰撞下的耐撞性,但是由于現實的側面柱碰撞事故對乘員造成嚴重的傷害,側面柱碰撞的研究也越來越受到關注.

在中國側面碰撞的研究比較晚,側面碰撞法規于2006年7月才開始實施,目前對側面碰撞的研究主要還是集中在車對車的碰撞(撞擊物為移動變形壁障),即側面壁障碰撞,而對車與柱狀物體發生側面碰撞的研究幾乎是空白.據相關數據統計[5],我國由于車與柱狀物發生側面碰撞事故而導致乘員死亡占了整個側面碰撞事故乘員死亡案例的38%.由于目前的蜂窩鋁壁障側面碰撞試驗不能反映來自車外柱狀物體碰撞的威脅,因此,開展側面柱碰撞研究具有重要意義.

1 側面柱碰撞仿真模型

仿真方法在碰撞問題的基礎研究中被廣泛應用.側面柱碰撞乘員損傷分析將涉及到撞擊物、被撞車輛以及車內乘員,因此側面柱碰撞仿真模型離不開撞擊物、車輛結構和假人3部分.為了研究方便,本文將仿真分析分為2個部分:1)碰撞結構響應分析;2)結構-假人碰撞分析.前者主要用于分析撞擊物、被撞車輛的結構響應特性,后者主要用于分析假人損傷.

采用的整車原型為美國National Crash Analysis Center建立的有限元模型,該模型進行了正面碰撞仿真結果與實車碰撞試驗結果的對比驗證,其驗證結果證明了此模型的有效性、穩定性和可靠性[6].另外,整車模型在側面碰撞的有效性也已經在曹立波等[7]的研究中被驗證了.本文將用此模型作為基本模型,按照歐洲側面柱碰撞試驗法規要求[3],建立了側面柱碰撞有限元仿真模型,進行柱碰撞的研究,其中仿真模型包含整車有限元模型和柱體模型2部分.在實際的車與柱狀物碰撞事故中,柱狀物一般變形很小,歐洲柱碰撞試驗法規中把柱狀物定義為剛性柱體,試驗時整車以側向速度29.5 km/h垂直撞擊位于其側面的固定剛性柱體,剛性柱體的直徑為254mm,其橫向垂直面通過駕駛員座椅上的假人頭部重心.在仿真碰撞中,碰撞邊界條件嚴格按照歐洲側面柱碰撞試驗法規要求定義,其中碰撞初始速度為29.5 km/h,計算時間設為200 m s.有限元模型如圖1所示.

圖1 側面柱碰撞有限元模型Fig.1 The FE modelo f po le side im pact

根據MADYMO子結構模型設計中的預定結構運動(PSM,Prescribed Structure Motion)方法耦合人-車模型[8],建立了假人損傷分析模型,如圖2所示.由于在側面碰撞中,安全帶的作用很小,因此這里不考慮安全帶的影響.該模型中包含多剛體假人模型和有限元模型2部分,其中假人模型采用了MADYMO假人數據庫中的ES-2多剛體假人,而有限元模型包含對假人損傷有影響的柱狀物和主要側撞結構部件,主要包括:車身側面結構、車門、內飾及座椅等結構.這種簡化是與側撞特點相符合的,因為側撞時只有受撞一側部分的結構發生變形,并且人體損傷也主要與這一部分結構的變形特性有關[9].模型中的部件運動由節點位移來描述,包括車輛剛體運動和結構的變形2方面,它們由整車碰撞仿真模擬結果中提取.由于在試驗中,車內假人跟車輛是以相同的初始速度側向撞擊剛性柱體的,因此在損傷分析模型中假人的側向初始速度與整車的初始速度相同.

圖2 假人損傷分析模型Fig.2 The analysismodelo f dummy injury

2 仿真結果分析及評價

為了能夠清晰地了解側面柱碰撞的特性,本文在分析側面柱碰撞的車身側圍結構變形、加速度響應和假人損傷時,將仿真結果與側面壁障碰撞仿真結果作了對比,其中側面壁障碰撞參考了ECE-R95標準.

2.1 結構碰撞響應

2.1.1 總體能量響應特性

總體能量響應特性可以用于評估車身結構的耐撞性.側面柱碰撞系統能量-時間曲線如圖3所示.

圖3 系統能量-時間曲線Fig.3 System energy-time history

從圖3可以看出,柱碰撞仿真中系統能量的構成趨于合理,總能量守恒,滑移界面能和沙漏能保持很小的正值,并且不超過總能量的5%,由此進一步表明了建立的仿真模型是可靠和有效的.

在側面柱碰撞中,車體是唯一吸收碰撞能量的載體,由于在碰撞瞬間車體不僅產生側向平動,還會因碰撞接觸面相對于車體重心所產生的力矩而發生旋轉運動,其變形吸收的能量與旋轉能量成反比.此碰撞位置車體旋轉能量較小,系統的內能和動能分別占總能量的86%和6.8%.而在側面壁障碰撞中,車輛和移動變形壁障共同吸收碰撞能量,碰撞結束后,系統內能和動能分別占總能量的55.6%和41.6%,碰撞能量將近一半轉化為動能,減小了車身結構的變形能.從能量的角度可以看出,側面柱碰撞對車身的耐撞性提出了更高的要求.

2.1.2 側圍結構變形特性

圖4為側面碰撞過程中車身側圍結構變形最大時刻的變形分布圖,圖5為碰撞結束后車身前后車門外板中部的變形曲線.

圖4 側面碰撞側圍結構變形圖Fig.4 The disp lacement of vehicle side structure

圖5 車門外板中部的變形曲線Fig.5 Comparison of door deformation(Po le and MDB)

由圖4和圖5可知,在柱碰撞中,車身變形主要集中在與柱體直徑相當的狹小區域,門檻梁、地板及地板橫梁發生了嚴重失穩變形,不能有效地分散碰撞力和抵抗柱體沖進乘員艙;由于門檻梁的嚴重變形,導致B柱和車門向車內塌陷,整個側圍結構形成V型侵入車內.而在側面壁障碰撞中,側圍結構的變形主要集中在前后車門和B柱下部,門檻梁、地板及地板橫梁變形很小.上述分析表明:門檻梁、地板及地板橫梁的剛度對于車輛側面結構抗柱撞的能力產生較大的影響.

在側面碰撞安全性的研究中,駕駛員的生存空間是首先要考慮的一個重要因素,本文采用前門內板侵入量作為評價指標.仿真中前門內板侵入量最大點的侵入量-時間曲線如圖6所示.從圖6可知,側面柱碰撞車門內板發生變形的時間較側面壁障碰撞提前,在相同的碰撞時刻,柱碰撞的侵入量要大得多,其最大侵入量比側面壁障碰撞增加了63.3%.碰撞結束后,側面柱碰撞和側面壁障碰撞的車門或B柱內板侵入車內最大部位距離駕駛員座椅中心線的距離分別為182和61 mm.根據IIHS對車身的評價方法[10-11],碰撞結束后B柱內板與座椅中心線的距離≥125 mm,車身B柱變形處于“優”等級,距離為50～125 mm,處于“達標”等級.由此可以說明,側面壁障碰撞車身具有良好的乘員生存空間,而該車型在側面柱碰撞中,車身變形處于“達標”等級,對車內乘員傷害造成嚴重的威脅.

圖6 車門內板侵入量-時間曲線Fig.6 The intrusion-time history of inner door

2.1.3 加速度響應分析

加速度曲線能綜合反映車輛在整個碰撞過程中受到的碰撞力的變化過程,同時便于了解碰撞過程中的一些內部結構對響應的影響.若碰撞加速度響應曲線波動趨勢較為平穩,則車身剛度分布比較合理,各梁系部件能夠有效地分散和傳遞碰撞力.圖7為2種側碰形態下車身非碰撞側B柱下端加速度-時間曲線.

圖7 B柱下端Y向加速度-時間曲線Fig.7 A cceleration-time history o f bottom B pillar-Y

由圖7可知,側面柱碰撞的加速度響應曲線波動趨勢更大,加速度峰值出現的時間歷程更早,這表明車輛的側圍結構剛度仍不能有效地抵抗柱體的沖擊,剛性柱體侵入車身的時間比側面壁障碰撞中蜂窩鋁侵入車身的時間更早.側面柱碰撞最大加速度峰值大于側面壁障碰撞的峰值,并且車身加速度的持續時間長很多.從能量角度來分析,車輛在撞擊過程中所吸收的能量更多,受到的破壞更大.

2.2 假人損傷參數分析

將側面柱碰撞仿真結果中的側圍結構、座椅等部件的變形時間歷程輸入到圖2所示的模型中,并將碰撞側的駕駛員假人損傷結果與側面壁障碰撞結果進行對比.

2.2.1 頭部傷害指數

頭部傷害指數H IC是評價碰撞對乘員頭部傷害的主要指標,其限值通常為1 000,H IC值越小,頭部傷害越小.在側面柱碰中假人頭部與車外的碰撞柱體相接觸,假人頭部H IC值為5 468,是法規限值的5倍多;而在側面壁障碰撞中假人頭部無接觸, H IC值很少會超出法規限值.這是由于車身側面結構抗柱撞能力較差以及未安裝側面氣囊保護裝置,在側面柱碰撞中假人頭部與碰撞柱體直接發生接觸導致較大的H IC值.

2.2.2 胸部傷害指數

側面碰撞試驗中肋骨的變形量是重要考核指標,ECE-R95中給出的限值為42mm.側面碰撞的上肋骨變形量比中、下肋骨變形量大,上肋骨變形情況如圖8所示.在所進行的側面柱碰撞中,假人上、中、下3根肋骨的變形量均超過了法規限值,肋骨最大變形量出現的時間比側面壁障碰撞早,而側面壁障碰撞肋骨變形量均在法規限值之內.

圖8 上肋骨變形-時間曲線Fig.8 Rib deflection-time history

2.2.3 腹部傷害指數

ECE-R95中規定假人腹部力要求小于2.5 kN,從圖9可以看出,假人的腹部力都能符合法規要求,柱碰撞假人的腹部力峰值比側面壁障碰撞的要小,出現的時間也較早.

圖 9 腹部力-時間曲線Fig.9 Abdomen force-time history

2.2.4 骨盆性能指數

ECE-R95中規定假人恥骨力要求小于6 kN.從圖10中可以看出,側面柱碰撞中假人的恥骨力達到8.8 kN,遠高于法規要求,而側面壁障碰撞中,恥骨力峰值為4.5 kN,符合法規要求.

圖10 恥骨力-時間曲線Fig.10 Public force-time history

2.3 仿真結果綜合分析

從側面碰撞的結構變形、加速度響應、假人損傷分析等方面的綜合分析可以看出,側面柱碰撞車身變形主要集中在與柱直徑相當的碰撞區域,對車身的沖擊和破壞性更大,門檻梁、地板及地板橫梁發生了嚴重變形,地板橫梁甚至出現塑性鉸,柱體侵入車內,車門內板最大侵入量比側面壁障碰撞高了63.3%;假人除了腹部損傷指標外,其他各項損傷指標均超過了法規極限.而該車型在側面壁障碰撞中具有良好的車身結構安全性,門檻梁、地板及地板橫梁變形很小,假人的各項損傷指標均在法規之內.由此可見,與側面壁障碰撞相比,側面柱碰撞對車身的耐撞性提出了更高要求,對車內乘員造成更嚴重的傷害,研究柱碰撞下的車身結構安全性對于提高車輛的安全性是非常重要的.

3 改進措施

車體側面結構耐撞性在很大程度上決定了車內乘員與側圍結構二次碰撞的劇烈程度,它對人體損傷有很大影響,合理控制車體的耐撞性,對減小人體損傷有重要意義[12].因此,本文對在側面壁障碰撞中已具有良好碰撞安全性的原車型的改進主要從提高車輛抗柱撞的耐撞性出發,對整車的耐撞性影響較大的門檻梁、地板橫梁的剛度進行適當提高,其他條件不變.其中地板橫梁的厚度由1.5 mm改為2.0mm,門檻梁內新增加的加強件厚度為1.5mm,材料采用超高強度鋼DP780,原門檻加強件材料由B340LA改為DP780,門檻的截面形狀如圖11所示.改進前后車門內板最大變形部位的侵入量-時間曲線如圖12所示.

圖11 門檻梁截面Fig.11 The section of door-sill-beam

圖12 改進前后車門內板侵入量-時間曲線Fig.12 The com parison of inner doors intrusion

從圖12中不難看出,改進后車門內板最大侵入量減小了37 mm,降幅為13.7%.碰撞結束后,車門內板侵入車內最大部位距駕駛員座椅中心線的距離為98mm,乘員的生存空間比改進前有所改善.通過將改進后仿真結果中的側圍結構、座椅等部件的變形時間歷程重新輸入到圖2所示的模型中進行計算,結果顯示假人的頭部H IC值、肋骨最大變形量、腹部力和恥骨力等損傷指標值分別由原來的5 468 mm,56.1 mm,1.97 kN和8.82 kN變為5 392 mm,48.7 mm,1.62 kN和8.37 kN,很明顯各項損傷指標值都有所降低,說明了本文的改進措施能降低乘員的損傷.

本文也存在一些局限性,上述改進的目的在于考察門檻梁和地板橫梁的剛度對車體耐撞性能的影響,因此,只對門檻梁和地板橫梁進行了適當的加強,如果對門檻梁和地板橫梁采用更高屈服強度的超高強度鋼,其效果會更加明顯.另外,由于剛度加強是有限的,并且剛度加強可能會導致車體的碰撞加速度太大,對現實車輛而言僅僅考慮提高車體的耐撞性還不能充分達到保護車內乘員的目的,良好的側圍結構耐撞性只是第一道保護屏障.因此,除了通過上述提高整車耐撞性能從而降低乘員損傷風險外,還可以通過使用防護襯墊、側面安全氣囊等防護措施降低乘員與車體的二次碰撞,減小對乘員的傷害.

4 結 論

本文的仿真研究表明:與側面壁障碰撞相比,側面柱碰撞造成了對乘員更嚴重的損傷風險,對車身的耐撞性提出了更高的要求.門檻梁和地板橫梁剛度是影響車輛側面柱碰撞結構耐撞性能的主要因素;通過適當提高門檻梁和地板橫梁的剛度可以有效地提高車體抗柱撞的耐撞性能,從而降低乘員的損傷風險.因此,車輛設計者在車身結構安全性的設計階段,應考慮轎車側面柱碰撞下的車身結構安全性,這將有利于提高整車的側面碰撞安全性.

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Study of the Structural Response and Occupant Injury in Side Pole Im pact to a Passenger Car

YANG Ji-kuang1,2?,QIN Zhen-yuan1,3,WANG Si-wen1,GU Guo-rong1
(1.State Key Laboratory of Advanced Design and Manufac ture for Vehicle Body,Hunan Univ,Changsha, Hunan 410082,China;2.Dept o f App lied M echanics,Chalmers Univ of Technology,Sw eden; 3.National Coach Quality Supervision and Test Center,Chongqing 401122,China)

Based on the occupant injury severity in side pole impact,this paper conducted a computer simulation study on the side pole im pactof a passenger car.The injury criterion and parameters of dummy, the side structure deformation and acceleration of the car body were thoroughly analyzed in terms of the crash characteristics of the car in side pole impact.The countermeasures for im proving the strength of the door-sill-beam and the floor cross member were p resented.Simu lation resu lts have shown that the side po le impact increases occupant injury risk and makes more intrusion on the side structure of the body, com pared w ith car to barrier side impact.The passenger car safety performance can be imp roved in side po le impact by strengthening the door-sill-beam and the floor crossmember.

structure response;side pole impact;occupant safety;countermeasure

U461.91

A

1674-2974(2011)01-0023-06 *

2010-01-15

國家863計劃資助項目(2006AA 110101);教育部、國家外專局111計劃資助項目(111-2-11);教育部長江學者與創新團隊發展計劃資助項目(531105050037);湖南大學汽車車身先進設計制造國家重點實驗室自主課題資助項目(60870004)

楊濟匡(1948-),男,湖南湘潭人,湖南大學教授,博士生導師

?通訊聯系人,E-mail:jikuangyang@hnu.cn