不同重疊率下兩車正面碰撞兼容性研究

劉 洋

（1.湖南建筑高級技工學校，長沙 410015；2.湖南城建職業技術學院，長沙 410015）

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不同重疊率下兩車正面碰撞兼容性研究

劉 洋1,2

（1.湖南建筑高級技工學校，長沙 410015；2.湖南城建職業技術學院，長沙 410015）

摘 要：本文以小型轎車與中型轎車、MPV、SUV、皮卡四種不同車型在不同重疊率下的正面碰撞有限元仿真為基礎，選取小型轎車的前圍板及A柱侵入量和乘員艙加速度作為衡量兼容性的參數，對不同車型與小型轎車在不同碰撞重疊率下的正面碰撞兼容性進行了研究，探究不同碰撞重疊率下影響正面碰撞兼容性的關鍵因素，為整車設計提供理論依據。

關鍵詞：碰撞兼容性 重疊率 有限元仿真

汽車正面相撞事故已成為我國道路交通事故的主要事故形式之一。根據中華人民共和國道路交通事故數據統計，2010年正面相撞事故起數占總事故數的27.52%，其造成的人員死亡占總事故死亡人數的28.53%，造成的經濟損失也相當巨大[1]。根據美國致命事故報告系統（FARS）數據統計，造成致命的交通事故中51%是車與車碰撞事故，其中轎車的乘員死亡人數占77.5%[2]。許多研究指出，碰撞車輛在質量、前艙剛度及前部幾何上的差異是影響碰撞兼容性的主要因素[3-5]，在實際交通事故中兩車兼容性還受碰撞重疊率的影響[6-7]。探究這些因素對兩車碰撞兼容性的影響特點是改善兼容性問題的基本前提。

小型轎車質量輕、燃油經濟性好是最適合我國基本國情的車型，其市場占有量也相當高，但小型轎車在兩車事故中存在較高的乘員損傷風險，所以其他車輛對小型轎車的兼容性問題不容忽視。而目前對兩車正面碰撞兼容性的研究大都集中在單一車型間，小型轎車與不同車型間的正面碰撞兼容性還未被全面研究。本文通過仿真分析研究小型轎車與不同車型車輛在不同重疊率下的正面碰撞兼容性特點，探究不同重疊率下影響兩車正面碰撞兼容性的關鍵因素。

1 方法和材料

1.1 兩車碰撞物理模型描述

兩車碰撞時，其動力學響應特性與兩車接觸結構的相互位置有關。如圖1和圖2所示，兩車接觸位置分別位于車輛前縱梁外側和縱梁內側時的力學模型[7]。當兩車接觸位置位于縱梁外側時：

式中，FL為兩車碰撞相互作用力，FL為左側縱梁支反力，FR為右側縱梁支反力，M為保險杠彎矩，D為縱梁間距，X為碰撞力作用點與右側縱梁支點距離。

當兩車接觸位置位于縱梁內側時，上述式子可表達為：

圖1 縱梁外側接觸碰撞車輛載荷力學模型

圖2 縱梁內側接觸碰撞車輛載荷力學模型

根據式（1）至式（6）可知：當兩車接觸位置位于縱梁外側時，隨著重疊率的增大（X減小），車輛保險杠及左右縱梁受碰撞后，載荷將減小；當兩車接觸位置位于縱梁內側時，隨著重疊率的增大（X增大），接觸側縱梁所受載荷隨之減小，而非接觸側縱梁所受載荷則隨之增大，保險杠所受彎矩先隨之增大至碰撞力位于兩縱梁中點時再隨重疊率增大而減小。但實際碰撞中，兩車相互作用力F也會隨之重疊率的變化而變化，從而使車輛前部結構產生不同的變形模式和變形量，所以需進一步研究重疊率對兩車碰撞兼容性影響。

1.2 車輛模型及參數對比

在前碰與兼容性評價研究項目（FIMCAR）第二次項目計劃中，研究者們對英國聯合碰撞損傷研究中心（CCIS）和德國深入事故調查中心（GIDAS）的兩車正面碰撞事故數據進行了統計分析。其統計結果表明乘用車與乘用車碰撞事故占所有致車輛乘員AIS2+損傷的兩車正面碰撞事故數量的50%～60%[8]。所以，本文選用中型轎車、MPV、SUV和皮卡四種不同類別的乘用車為對象，研究小型轎車的正面碰撞兼容性。文中所用到的5款車型的有限元（FE）模型都是美國國家碰撞分析中心（NHTSA/NCAC）在網上發布的模型，分別是Neon（小型轎車）、Taurus（中型轎車）、Caravan（MPV）、Explorer（SUV）、Silverado（皮卡）。所有車輛的FE模型（如圖3所示）均經過100%剛性墻正面碰撞試驗驗證，可用于正面碰撞研究[9]。

為了研究方便，通常用AHOF400（前艙變形在400mm內時的平均力高度）描述汽車前端幾何特征，AHOF400由車輛測力墻碰撞試驗結果計算得出[10-12]。用Kw400（前艙變形在400mm內時的計算變形能量剛度）描述汽車前艙剛度特征，Kw400通過車輛正面剛性墻碰撞試驗中的力與位移曲線（圖4所示）計算得出[10]。表1中列出了本文中所選用的四種車型在質量、幾何結構和剛度上的差異。

圖3 本文中所用車型FE模型

圖4 車輛力-位移曲線對比

表1 各車型模型參數對比

1.3 兩車碰撞FE模型建立

來自FIMCAR的交通事故統計結果還表明乘用車與乘用車碰撞事故中碰撞重疊率大于75%時，乘員受AIS2+損傷風險較大，50%～74%時次之，小于50%時乘員損傷風險較其他重疊率情況小[8]。根據Hisaaki Kato等人對美國國家汽車調查系統—耐撞性數據系統（NASS-CDS）的統計分析,在正面碰撞致命事故中，63%的事故發生在車輛重疊率為22%～75%的情況下，30%的發生在車輛重疊率大于75%時，且將近60%的事故的碰撞速度都低于50km/h[2]。基于上述交通事故統計結果，為充分研究各重疊率下小型轎車與其他乘用車正面碰撞兼容性，本文建立了小型轎車與四種不同車型在不同重疊率下的正面碰撞有限元模型（Neon-Taurus、Neon-Caravan、Neon-Explorer、Neon-Silverado），相對碰撞速度為50km/h，重疊率為30%、50%、70%、100%（駕駛員側）。

在車與車的碰撞事故中，汽車乘員艙的巨大變形是導致乘員受傷害的關鍵性因素，其中68%的下肢損傷來自人體與儀表板的撞擊[2]，前圍板的侵入量可以反映出乘員受傷害的風險。所以本文選取Neon前圍板及A柱侵入量和乘員艙加速度作為評價兩車兼容性的參數，其中侵入量仿真結果輸出位置分布情況如圖5所示。運用非線性動態仿真軟件LS-DYNA對碰撞模型進行仿真分析。

圖5 侵入量仿真結果輸出位置分布

2 結果

2.1 前部結構相互作用

圖6為重疊率是100%時Neon與四種不同車型碰撞前部結構相互作用情況。從圖6可以看出，碰撞時，Neon前縱梁壓于碰撞對方縱梁下方，產生明顯的“鉆撞”現象。對比分析可知，隨著AHOF400差的增大，“鉆撞”現象越嚴重。但由于車輛前部副車架和次級吸能結構的作用，Neon對Taurus和Silverado碰撞時的“鉆撞”現象得到明顯的緩解。Neon前縱梁的縱向變形量隨著對方車輛剛度和幾何高度的增加而增大，Neon-Silverado時，Neon縱梁縱向變形最大，其次為Neon-Explore。

如圖7所示，以Neon-Explorer為例描述了不同重疊率下車輛前部結構相互作用情況。30%重疊率時，碰撞接觸區域位于兩車縱梁外側，Neon保險杠左端向內側彎曲，縱梁向左側彎曲；50%重疊率時，兩車碰撞接觸位置位于縱梁內側，但兩車縱梁在同一平行線上，Neon保險杠左端向外側彎曲變形，左側縱梁產生壓潰形變，右側縱梁向左側彎曲；70%重疊率時，兩車接觸位置和縱梁均在對方縱梁內側，Neon保險杠中部向外側彎曲變形，左側縱梁產生壓潰和彎曲形變，右側縱梁向左側彎曲變形；100%重疊率時，兩車前部全部碰撞，Neon保險杠兩端向外側彎曲，雙側縱梁產生壓潰和彎曲形變。

圖6 重疊率100%時Neon與四種不同車型碰撞前部結構相互作用

圖7 不同重疊率下車輛前部結構相互作用

2.2 乘員艙侵入量

圖8為各重疊率下Neon與四種不同車型碰撞時的前圍板及A柱侵入量仿真結果。重疊率為30%時，除駕駛員側A柱侵入量外其他部位侵入量均為Neon-Silverado的最大，然后依次為Neon-Explorer、Neon-Caravan和Neon-Taurus。重疊率為50%時，各處均為Explorer對Neon造成的侵入量最大，然后依次為Silverado、Caravan和Taurus。重疊率為70%時，接觸側（駕駛員側）前圍板侵入量為Neon-Caravan時最大；而該側A柱侵入量則為Neon-Silverado時最大，然后依次為Neon-Explorer、Neon-Caravan和Neon-Taurus；非接觸側（乘員側）各處侵入量均為Neon-Explorer時最大。重疊率為100%時，各處侵入量均為Neon-Silverado時最大，其次為Neon-Explorer。

圖8 各重疊率下Neon與四種不同車型碰撞時的前圍板及A柱侵入量

2.3 乘員艙加速度

圖9為不同重疊率下Neon與四款車正面碰撞仿真的乘員艙加速峰值比較。從圖9可以看出，在不同重疊率下，Neon與各車型相碰產生的加速度值存在較大差異，同一重疊率下不同車型對Neon產生的加速峰值也不同。重疊率為30%時，Neon-Caravan和Neon-Explorer加速度峰值較大，分別為24.8g和23.7g，然后依次為Neon-Silverado（17.9）、Neon-Taurus（10.9g）。重疊率為50%時，Neon-Explorer的加速度明顯高于其他模型，其峰值為32.5g，Neon-Caravan （25.6g）和Neon-Silverado（23.4g）次之，Neon-Taurus （17.2g）最小。重疊率為70%時，Neon-Explorer（32.2g）和Neon-Silverado（29.2g）的加速度明顯高于其他兩種模型。重疊率為100%時，Neon-Silverado（26.1g）的加速度為四者中最大，其次為Neon-Explorer（21.9g）、Neon-Caravan（19.6g）和Neon-Taurus（16.6g）。

圖9 不同重疊率下Neon與四款車正面碰撞仿真的乘員艙加速峰值

3 討論

從分析結果可以看出，隨著前部幾何高度差的增加，兩車“鉆撞”現象越明顯，但由于不同重疊率下車輛參與接觸碰撞的部件不同，車輛前部幾何結構高度和剛度因素對兼容性的綜合影響特性規律不明顯。

3.1 乘員艙侵入量

從侵入量仿真結果中可以看出，四款車型中SUV和皮卡對小型轎車的碰撞兼容性相對較差，中型轎車對小型轎車的碰撞兼容性相最好。但碰撞時不同車型對小型轎車前圍板及A柱造成的侵入量存在差異，且在不同重疊率下車型間對小型轎車造成的侵入量大小順序和主要侵入部位也有所不同。這是碰撞時載荷傳遞路徑，主要吸能結構相互作用效果及車輛本身質量、前部剛度、前部幾何高度參數特點共同作用的結果。30%重疊率時，受車輛重量、剛度的影響，各車型對Neon的侵入量大小基本按質量比和剛度比的大小順序而排列；但是，駕駛員側A柱侵入主要是由于載荷沿Neon上邊梁向后傳遞時所致，而由于皮卡前部結構剛好與小型轎車上邊梁產生了較好的相互作用效果，致使小型轎車上邊梁產生了較好的變形，明顯減小了小型轎車的侵入。50%和100%重疊率時，碰撞載荷主要沿碰撞車輛間的左側縱梁傳遞，小型轎車的最大侵入部位在駕駛員側前圍板處。由于兩車縱梁直接接觸碰撞，前部幾何結構高度和剛度綜合因素對兩車正面碰撞兼容性影響最明顯，小型轎車的乘員艙侵入量和加速度峰值都隨著AHOF400差和Kw400比的增大而增大。70%重疊率時，載荷主要沿碰撞雙方的左側縱梁及發動機向后傳遞，由于MPV發動機距離車輛前部的空間較其他車輛小，阻礙了其前部部件的變形，致使較大載荷由小型轎車承擔，碰撞能量大部分由小型轎車吸收。然而，小型轎車前部空間吸能量有限，只能通過乘員艙的變形吸收剩余能量，導致其前圍板較大侵入，致使小型轎車侵入量大于其與幾何高度差和剛度比均更大。

3.2 乘員艙加速度

兩車碰撞時的加速度與其碰撞時的相互作用力有關，而相互作用力的大小受兩車質量、剛度、幾何結構高度和在碰撞中的主要吸能部件的具體變形特點影響[10]。不同重疊率時，車輛碰撞加速度受車輛結構參數影響特點存在差異。

比較同一碰撞對方在不同重疊率下小型轎車加速度峰值可以看出，隨著重疊率的變化，碰撞加速度峰值呈現出一定的變化規律：小型轎車與MPV碰撞時，隨著重疊率的增大小型轎車乘員艙加速度減小；重疊率小于50%時，縱梁未直接參與碰撞，MPV前部高度恰好使得小型轎車卡于其下部，車輛未產生明顯旋轉，而前部吸能部件又少，從而加速度峰值最高；縱梁參與碰撞時，由于MPV前縱梁為拱形結構，碰撞時以彎曲變形為主，且其發動機距離車輛前端短，碰撞時前部較易變形至發動機處產生加速度峰值；隨著重疊率的增加，參加吸能的部件隨之增加，當變形至發動機處時前部吸收的能量也增加，從而減小了碰撞加速度峰值。小型轎車與其他三款車型碰撞時，隨著重疊率的增大，其加速度峰值均為拋物線形式變化，在50%至70%重疊率時達到最大；這是由于重疊率小于50%時，縱梁未直接參與碰撞，且車輛碰撞時會出現旋轉，從而縱向加速度較低；縱梁參與碰撞時，隨著重疊率的增大，車輛碰撞旋轉減弱，而前部參與吸能的部件增加，當重疊率接近70%時二者因素達到平衡，從而產生最大加速度。

比較同一重疊率下不同碰撞對方至小型轎車加速度峰值可以看出，不同重疊率下影響兩車正面碰撞兼容性的主要因素存在以下特點：30%重疊率時，幾何結構高度因素對兩車碰撞的相互作用效果影響最大，MPV和SUV前部高度恰好使得小型轎車在碰撞時將前輪卡在了它們的前縱梁下，小型轎車前部部件變形較小，產生了較大的相互作用力，從而引起了較大加速度峰值。50%和70%重疊率時，車輛前部剛度因素作用明顯，SUV和皮卡對小型轎車產生的加速度大于其他車型，但由于皮卡前部剛度比SUV略小，所以小型轎車與皮卡碰撞時加速度峰值比與SUV碰撞時小。而100%重疊率時，幾何結構因素和剛度因素綜合作用，皮卡前部幾何高度高，當小型轎車完全鉆入其縱梁下方時產生最大加速度，此時作用力大于高剛度SUV與小型轎車碰撞時，所以與皮卡碰撞時小型轎車加速度峰值最大。從小型轎車乘員艙加速度仿真結果來看，四款車型中SUV和皮卡對小型轎車的兼容性較差。

4 結論

本文研究了小型轎車對不同車型的正面碰撞兼容性特點，分析了不同碰撞重疊率下影響正面碰撞兼容性的主要因素。研究表明，質量大、剛度高及前部幾何尺寸高的車型（如SUV和皮卡）對小型轎車的正面碰撞兼容性較差。在不同碰撞重疊率下，車輛前部結構布置特點能改變三大要素對兼容性的影響特性：重疊率小于30%時，車輛前部幾何結構特點是影響兼容性的主要因素；重疊率在30%～50%時，車輛剛度和幾何結構為兼容性主要影響因素；重疊率在50%～70%時，發動機直接參與碰撞，其布置特點影響兩車兼容性；重疊率大于70%碰撞時，車輛質量、前部幾何結構和剛度為影響正面碰撞兼容性的主要因素。所以，在進行碰撞兼容性研究時需具體考慮車輛前部結構特點和車輛碰撞時的結構相互作用特點，應結合質量、剛度和幾何因素全面分析車輛碰撞兼容性問題。

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A Study on Compatibility of Vehicle-to-Vehicle Frontal Crash in Different Overlap Ratios

LIU Yang1,2
(1.Hunan Building Senior Technical School, Changsha, 410015;2. HuNan Urban Construction College,Changsha, 410015)

Abstract:Based on small cars and midsize sedan, MPV and SUV, pickup truck, four different models under different rate of overlapping of frontal crash simulation based on f inite element, select small car dash panel and A column into amount and crew capsule acceler ation as to measure the parameters of the compatibility, the different models under different collision overlap rate with s mall cars in the frontal cr ash of compatibility was studied, under different collision overlap rate to explore the key factors influencing the frontal crash compatibility, as to provide theoretical basis for the vehicle design.

Key words:crash compatibility,overlap ratio,finite element simulation