微型汽車平臺翻滾試驗仿真研究與影響因素分析

莫易敏徐東輝劉昌業,2

（1.武漢理工大學，武漢 430070；2.上汽通用五菱汽車股份有限公司，柳州 540057）

微型汽車平臺翻滾試驗仿真研究與影響因素分析

莫易敏1徐東輝1劉昌業1,2

（1.武漢理工大學，武漢 430070；2.上汽通用五菱汽車股份有限公司，柳州 540057）

為研究微型汽車翻滾碰撞安全性能，建立了基于平臺翻滾試驗的微型汽車多剛體動力學模型，并驗證了模型的準確性。研究了試驗平臺距地高度、試驗平臺擋板高度、試驗車輛初始翻轉角度和試驗車輛初始速度等4項初始碰撞參數對翻滾碰撞安全性能的影響，結果表明，乘員頭部和頸部的綜合損傷情況與跌落高度、擋板高度和翻轉角度總體上呈正相關關系，與初始速度呈負相關關系。該研究可為微型汽車動態平臺翻滾試驗的設計和優化提供參考。

主題詞:微型汽車 平臺翻滾試驗 多剛體模型 碰撞參數

1 前言

在汽車安全事故中，雖然發生正面碰撞和側面碰撞所占比例較高，翻滾事故發生率較低，但是翻滾事故卻具有較高的死亡率和致傷率。與乘用車相比，微型汽車質心更高，但是輪距相對較小，更容易出現翻滾事故；并且消費人群多為鄉鎮、城鄉結合部的居民，外界環境因素更加導致了微型汽車翻滾事故的高發生率；另一方面，微型汽車載客較多，一旦發生翻滾就會造成更加嚴重的死傷事故。

目前，世界各國尚無針對車輛翻滾碰撞安全性能方面的強制性法規，在已開展的研究工作中，主要依據準靜態標準FMVSS 216和ECE R66法規，在車輛動態翻滾性能方面尚未開展深入研究[1]。因此，研究汽車特別是微型汽車動態翻滾碰撞安全性能，對車輛翻滾性能提升、翻滾事故中乘員保護以及相關試驗方法優化具有重要意義。

2 仿真模型的建立與驗證

在汽車被動安全研究領域中，多剛體動力學法是模擬計算采用的主要方法之一。多剛體動力學法采用一些剛體和無質量的彈簧、阻尼以及各種動態鉸鏈來描述系統的動態響應。與傳統的汽車動力分析相比，該方法可對大位移系統做運動分析，能夠更好地處理非線性問題。因此，本文采用多剛體動力學方法進行微型汽車平臺翻滾試驗仿真研究與影響因素分析。

2.1 多剛體模型

結合實際情況，在已有的有限元模型基礎上建立多剛體模型。多剛體動力學分析流程如圖1所示。

圖1 多剛體動力學分析流程

2.1.1 整車模型建立

將已有整車有限元模型中關鍵部件的單元（Elements）和節點（Nodes）信息復制到多剛體軟件MADYMO中得到整車有限元模型。以此為基礎，利用橢球多剛體（ELLIPSOID）分別搭建前車體、后車體、頂蓋、側圍、懸架、輪胎、座椅等關鍵部件，采用圓柱多剛體（CYLINDER）搭建儀表盤。所研究車型的前懸架為雙橫臂結構，后懸架為非獨立懸架。從建模便捷性和后續修改簡便性的角度出發，以上結構的建模原點與全局坐標系原點重合，整車質心位置即為質心在全局坐標系的位置[2]。

車輛的初始運動是通過車輛質心的運動參數來定義的，因此質心定義為自由鉸鏈（JOINT.FREE）；因座椅相對于質心無相對運動，定義為固定鉸鏈（JOINT.BRAC）；懸架中各部件的連接采用轉動鉸鏈（JOINT.REVO）來模擬。

2.1.2 假人模型調用

法規FMVSS208中規定采用HybirdⅢ型假人進行平臺翻滾試驗，因此直接從MADYMO軟件中調用此類型假人到已經搭建好的整車模型中，利用鉸鏈位置調節語句（INITIAL JOINT_POS）來調整假人的相對位置和姿態。

2.1.3 安全帶模型建立

所研究車型采用傳統的三點式安全帶，因此安全帶的建模采用MADYMO軟件中常用的1D&2D混合式安全帶建模方法，建模步驟為：

a.進行安全帶預模擬，建立與假人貼合良好的安全帶模型；

b.重新建立1D安全帶部分，建立滑環；

c.賦予1D安全帶延伸率曲線，賦予2D安全帶材料特性；

d.建立卷收器，設置預緊力和限力；

e.建立安全帶與假人之間的接觸。

在進行安全帶建模時，通過接觸設置與位置調整來保證安全帶與假人良好的貼合，同時建立了安全帶滑環模型，可更加真實地模擬安全帶約束系統。

2.1.4 接觸特性設置

接觸特性為多剛體動力學分析中關鍵的設置內容，車輛動態翻滾過程中主要涉及到的接觸特性包括車身與地面接觸、輪胎與地面接觸、輪胎與翻滾平臺擋板接觸等3部分。設置接觸特性的參考依據為：車輛頂部抗壓試驗輸出的位移-壓力曲線；輪胎壓力試驗輸出的剛度曲線；輪胎與翻滾平臺擋板接觸尚無專項試驗，參考系統自帶算例中的內容對擋板剛度進行設置。

2.1.5 其它設置

試驗平臺同樣采用橢球多剛體（ELLIPSOID）進行建立，因仿真從試驗平臺與試驗車輛發生相對運動開始，因此僅需建立平臺擋板模型即可。地面模型采用剛體平面（PLANE）進行建立。為模擬真實試驗條件，對模型施加重力加速度（LOAD.SYSTEM_ACC）及整車初始運動速度（INITIAL.JOINT_VEL）。模擬整車翻滾試驗時暫不考慮懸架運動，因此將整車模型中定義的懸架轉動鉸鎖死。帶有假人的整車平臺翻滾試驗多剛體模型如圖2所示。

圖2 帶假人多剛體模型

2.2 模型驗證

由于所研究車型不具有側面氣囊安全結構，在實車試驗中未安放假人，因此初次仿真對標分析時在多剛體模型中也不安放假人。在進行仿真結果與試驗結果誤差分析時，選取車輛關鍵運動狀態對應時刻的相對誤差為仿真與試驗誤差分析依據。

2.2.1 車輛運動狀態對比

令車輛與平臺開始發生相對運動為T0時刻，選取關鍵運動狀態分別為輪胎與地面第1次接觸、車輛翻滾1/4周、車輛翻滾1/2周、車輛翻滾3/4周和車輛翻滾1周等。仿真與試驗結果對比如表1所列。

表1 仿真與試驗結果對比

由上述分析可知，在選取的關鍵運動狀態中，試驗和仿真相對誤差在5%以內，滿足＜10%的仿真要求。

2.2.2 加速度對比分析

試驗時，在B柱下端安裝了加速度傳感器，用于測量試驗過程中車身加速度。仿真時，在仿真模型后處理中獲得了B柱下端位移情況，并通過“derivative”函數兩次求導獲得了B柱下端加速度。因車輛主要運動方向為Y向，因此僅對車輛在Y向的加速度進行對比，試驗與仿真中的B柱下端加速度曲線對比結果如圖3所示。

圖3 試驗與仿真的B柱下端加速度對比曲線

由圖3可看出，試驗與仿真曲線的趨勢和峰值基本吻合，仿真關鍵時間點稍有滯后，但滿足誤差（＜10%）要求，模型具有足夠精度。

3 翻滾碰撞參數影響規律研究

基于平臺翻滾試驗仿真模型研究試驗中每個初始翻滾碰撞參數對車輛翻滾碰撞安全性能的影響，每次仿真分析時只改變1個初始翻滾碰撞參數，其它參數均選定為基礎數值。

3.1 影響因素確定

在進行平臺翻滾試驗時，試驗平臺距地高度（跌落高度）、試驗平臺擋板高度、試驗車輛初始翻轉角度、試驗車輛初始速度等4項初始翻滾碰撞參數可以改變，因此選定這4項參數為試驗影響因素，并以法規FMVSS 208中規定的數值為基礎數值，即跌落高度為228.6 mm，擋板高度為101.6 mm，初始翻轉角度為23.0°，初始速度為48.0 km/h。基于平臺翻滾試驗可實現的范圍，根據均勻試驗設計原則，每個參數分別選取與基礎數值偏差±5%和±10%共4個數值來進行仿真對比研究。仿真參數選取結果如表2所列[3]。

表2 仿真參數數值

3.2 結果分析

法規FMVSS 208中僅規定了“假人任何部位不允許拋出車外”一項評判指標，因此參考正碰、側碰、鞭打試驗中相關指標，選取假人頭部HIC36、頸部Z向最大載荷和胸部壓縮量共3項乘員傷害指標作為翻滾碰撞安全性能評價標準[4,5]。為了更直觀地了解各項翻滾碰撞參數對翻滾性能的影響規律，利用各輸出結果與基礎數值的比值進行分析研究。

首先設定翻滾碰撞參數全部為基礎數值進行仿真，結果如圖4所示。圖4a為頭部加速度曲線、HIC36傷害值以及對應車輛形態和假人形態，圖4b為頸部Z向載荷以及損傷峰值時對應的車輛形態和假人形態，圖4c為胸部壓縮量曲線以及壓縮峰值時對應的車輛形態和假人形態。

3.2.1 初始跌落高度

表3為在不同跌落高度下假人模型的動態響應結果；圖5為跌落高度對假人傷害的影響趨勢。

圖4 以基礎數值作為參數時的仿真結果

表3 不同跌落高度時假人損傷情況

圖5 跌落高度對假人損傷影響曲線

由各輸出結果可知，跌落高度為240.0 mm時，在車輛翻滾1周時刻，假人頭部HIC36值最大；其余跌落高度時，在車輛翻滾1/4周時刻，假人頭部HIC36值最大。假人頭部損傷是由頭部與頂蓋或與A柱上邊梁撞擊造成，圖6為不同跌落高度時假人頭部傷害值最大時的頭部狀態。由圖6可看出，當跌落高度增加后，假人頭部與頂蓋及A柱上邊梁發生碰撞時的相對速度更高，導致碰撞程度及碰撞力更大，因此HIC36值更高，假人頭部損傷程度增加。

根據結果輸出文件發現，假人頸部Z向最大載荷均為負值（圖4b），即為壓力。當跌落高度較小時，車輛僅翻滾1/4周，假人頸部Z向最大載荷出現在車輛翻滾1/4周時刻，此時假人頭部與頂蓋碰撞導致頸部受到壓力，假人頸部損傷較小，如圖7a所示；其它跌落高度下車輛均翻滾1周，假人頸部Z向最大載荷出現在車輛翻滾1周時刻，假人頭部與A柱上邊梁碰撞導致頸部受到壓力，如圖8b所示。由上述分析可知，跌落高度越大，則車輛第1次與地面接觸時速度越高，并且會影響車輛翻滾1周時刻的速度，因此，跌落高度越大，假人頭部和頸部相對車身的Z向運動速度越高，促使假人頭部更早與車頂或是A柱上邊梁接觸，進而導致假人頸部的Z向載荷更大，頸部損傷增大。跌落高度與乘員胸部壓縮量無明顯規律[6]。

圖6 不同跌落高度下假人頭部傷害值最大時頭部狀態

圖7 不同跌落高度時假人頸部Z向最大載荷狀態

3.2.2 初始擋板高度

設定不同擋板高度進行仿真分析，假人模型的各項傷害值如表4所列，擋板高度對假人損傷的影響趨勢如圖8所示。

表4 不同擋板高度仿真結果

圖8 擋板高度對假人損傷影響曲線

通過后處理輸出文件及動畫可以發現，假人頭部HIC36最大值均出現在車輛翻滾1/4周時刻，擋板高度增加后，輪胎與擋板碰撞接觸點位置更加靠上，導致車輛旋轉角速度更大，因此車輛與地面接觸時旋轉速度更大，假人頭部與頂蓋發生碰撞時的相對速度更大，因此假人頭部損傷程度總體呈現增加趨勢。擋板高度為96.5 mm時頭部損傷比擋板高度為91.4 mm時小，可能因為擋板高度增加后，車輛沿Y軸運動速度的減小程度更大，導致假人頭部損傷相對減小。

當擋板高度小于基礎值（101.6 mm）時，車輛旋轉速度較小，僅翻滾1/4周，頸部Z向最大載荷出現在車輛翻滾1/4周時刻；當擋板高度＞101.6 mm時，最大載荷出現在車輛翻滾1周時刻。由于擋板高度對車輛沿X軸的轉動速度和Y軸的移動速度都有影響，而頸部傷害受這兩個速度的綜合影響，因此擋板高度對頸部傷害的影響規律不明顯。不同擋板高度條件下，胸部壓縮量峰值呈現遞增趨勢，但是峰值時刻無明顯規律。

3.2.3 初始翻轉角度

表5為不同初始翻轉角度下的仿真結果，圖9為初始翻轉角度對假人損傷的影響趨勢。

表5 不同初始翻轉角度仿真結果

圖9 初始翻轉角度對假人損傷影響曲線

在初始翻轉角度為24.2°時，頭部HIC36最大值發生在車輛翻滾1周時刻，其余初始翻轉角度時，HIC36最大值均出現在車輛翻滾1/4周時刻。假人頭部損傷依然是由頭部與頂蓋或與A柱上邊梁撞擊造成。車輛初始翻轉角度增大后，假人的初始偏轉角度也增大，因此假人更早處于危險的姿態，假人頭部與其它部件發生碰撞的程度更大，因此假人頭部損傷更加嚴重[7,8]。

當初始翻轉角度較小時，車輛僅翻滾1/4周，頸部最大載荷出現在車身與地面第1次接觸之后，并且最大載荷為正值，即為拉力。因為初始翻轉角度較小時，車身與地面第1次碰撞時，假人頭部與頂蓋或與上邊梁還沒來得及接觸車輛就運動到下一狀態，因此假人頸部最大載荷為拉力，頸部最大拉力時假人形態如圖10所示。隨著初始翻轉角度增大，車輛翻滾1周，此時假人頭部與A柱上邊梁發生碰撞導致假人頸部受到壓力，出現假人頸部最大載荷。初始翻轉角度越大，頭、頸部更容易處于危險狀態，所以出現頸部最大載荷也隨翻轉角度增大而增大。

圖10 頸部最大拉力時假人形態

根據表5可知，假人胸部壓縮量均在10 mm左右，總體呈現遞增趨勢。通過假人胸部壓縮量曲線和仿真動畫發現，車輛翻滾1/4周時假人胸部最大壓縮量出現在車身與地面第1次接觸時，此時假人形態如圖11a所示，其余初始翻轉角度時，假人胸部最大壓縮量出現在車輛翻滾1周時刻，此時假人形態如圖11b所示。初始翻轉角度越大，假人所處的初始狀態越危險，在翻滾過程中由于慣性作用受到的傷害越大，假人胸部壓縮量越大。

圖11 胸部最大壓縮量時假人形態

3.2.4 初始速度

不同初始速度時的仿真結果如表6所列，不同初始速度對假人損傷的影響趨勢如圖12所示。

通過后處理仿真輸出文件發現，當車輛初始速度增大到50.4 km/h后，車輛翻滾周數僅為1/4周，這是因為初始速度增大后，車輛與地面碰撞接觸前在空中自由運動的時間減短，車輛與地面接觸時轉動速度較小，導致翻滾圈數減少，主要的運動形式為車身與地面發生相對滑動。隨著初始速度的增大，車身與地面碰撞時間減少，由于慣性原因，假人還未到達最危險形態就運動到下一形態，整體形態變化較小。因此，假人總體損傷值呈現下降趨勢。

表6 不同初始速度時仿真結果

圖12 不同初始速度對假人損傷影響曲線

由上述分析可知，假人頭部損傷與初始速度呈負相關，與其它碰撞參數總體上均呈正相關；頭部HIC36值基本上出現在車輛與地面第1次碰撞及車輛翻滾1周時刻，這兩個時刻的車輛速度以及運動狀態對翻滾碰撞過程中假人的頭部損傷有較大影響。假人頸部損傷與跌落高度和翻轉角度呈正相關，與初始速度呈負相關，與擋板高度關系不是十分明顯。假人頸部Z向最大載荷出現時刻與頭部損傷最大時刻基本一致，是由于假人頭部與頂蓋或A柱上邊梁發生碰撞沖擊導致頸部壓力過大造成；假人胸部壓縮量變化范圍較小，壓縮量峰值時刻有一定規律，但是壓縮量與碰撞參數之間的影響規律不是十分明顯。綜合來看，假人綜合損傷情況除與初始速度呈負相關外，與其它參數均呈正相關。

4 結束語

本文運用多剛體動力學分析軟件MADYMO建立了微型汽車平臺翻滾試驗仿真模型，對標分析了無假人狀態下多剛體模型與實車試驗之間的誤差，驗證了模型的準確性；采用HybirdⅢ假人模型，分析了微型汽車平臺翻滾試驗中4項初始翻滾碰撞參數對車輛翻滾安全性能的影響，得到了假人頭部和頸部損傷情況與初始碰撞參數之間的影響規律。該研究可為微型汽車動態平臺翻滾試驗的設計和優化提供參考依據。

1 Albrodt S B,Tahan F,Digges K.Evaluation of Different Roof Strength Methods in Quasi-Static and Dynamic Rollover Tests Using Finite Element Analysis of a 2003 Ford Explorer Model.SAE 2014 World Congress&Exhibition.2014.

2 Chou C C,Wu F.Development of MADYMO-based model for simulation of laboratory rollover test modes.Proceedings of the 19th International Technical Conference on the Enhanced Safety of Vehicles(ESV),Washington,DC.2005.

3 Parent D P,Kerrigan J,Crandall J.Comprehensive computational rollover sensitivity study part 2:Influence of vehicle, crash,and occupant parameters on head,neck,and thorax response.SAE Technical Paper,2011.

4 Maciej Pawel Czechowicz,George Mavros.Analysis of vehicle rollover dynamics using a high-fidelity model.Vehicle System Dynamics,2014,525.

5 商恩義,陳現嶺,楊勁松.駕駛員側50%假人約束系統配置5%女性假人傷害研究.汽車技術,2015（3）:47～51.

6 Mattos G A,Mcintosh A S,Grzebieta R H,et al.Sensitivity of Head and Cervical Spine Injury Measures to Impact Factors Relevant to Rollover Crashes.Traffic Injury Prevention, 2015,16sup1.

7 Lingbo Yan,Libo Cao,CingDao Kan,et al.Comparison of vehicle kinematics and occupant responses between Jordan rollover system and an over-the-road rollover.International Journal of Crashworthiness,2012,17（2）:173～194.

8 顏凌波.乘用車的翻滾碰撞特性及防護措施研究：[學位論文].長沙：湖南大學,2012.

（責任編輯 文 楫）

修改稿收到日期為2016年7月24日。

A Simulation Study of Minivan Dolly Rollover Test and Analysis of Influence Factors

Mo Yimin1,Xu Donghui1,Liu Changye1,2
（1.Wuhan University of Technology,Wuhan 430070;2.SGMW Corporation,Liuzhou 540057）

To study the safety performance of mini van in rollover and collision,a multiple rigid body dynamics model based on dolly rollover test was established and validated.The influence of four initial collision parameters including the distance between dolly and ground,the height of baffle,the initial rollover angel and the velocity of the vehicle on vehicle safety performance in rollover and collision was researched.The results indicate that the comprehensive injury of occupant’s head and neck has a positive correlation with falling height,baffle height and tilt angel,but have a negative correlation with initial velocity.This research can provide reference for design and optimization of min vehicle dummy rollover test.

Mini vehicle,Dolly rollover test,Multiple rigid body model,Collision parameters

U467.1+4

A

1000-3703（2016）11-0056-06