一體式側(cè)面柱碰撞減速臺(tái)車研究

商恩義，李月明，習(xí)波波，蔣守國(guó)

（315336 浙江省 寧波市 浙江省汽車安全技術(shù)研究重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，吉利汽車研究院（寧波）有限公司）

0 引言

2020 版歐洲新車評(píng)價(jià)規(guī)程（European New Car Assessment Program,Euro NCAP）[1]和2021版中國(guó)新車評(píng)價(jià)規(guī)程（China New Car Assessment Program,C-NCAP）[2]中，均指定有側(cè)面柱碰撞試驗(yàn)。與移動(dòng)壁側(cè)面碰撞試驗(yàn)相比，側(cè)面柱碰撞試驗(yàn)車體受力更加集中，車門碰撞位置侵入速度更快、侵入量更大，增加了車身側(cè)面結(jié)構(gòu)和側(cè)面約束系統(tǒng)開發(fā)難度。為提前識(shí)別車身側(cè)面設(shè)計(jì)中存在的風(fēng)險(xiǎn)，及減少優(yōu)化側(cè)面約束系統(tǒng)過程中實(shí)車碰撞試驗(yàn)次數(shù)，一些汽車主機(jī)廠和零部件供應(yīng)商試驗(yàn)室開始開發(fā)側(cè)面柱碰撞臺(tái)車試驗(yàn)?zāi)芰Α．?dāng)前，伍騰飛[3]等基于加速臺(tái)車試驗(yàn)系統(tǒng)開發(fā)了一種簡(jiǎn)易的柱碰撞臺(tái)車試驗(yàn)方法，即將柱壁障固定在臺(tái)車上，并將其兩側(cè)與經(jīng)過簡(jiǎn)化的車門通過鉸鏈連接。在臺(tái)車被加速后，利用柱子前沖撞向座椅及乘員，柱壁障兩側(cè)簡(jiǎn)化車門繞著柱子向后轉(zhuǎn)動(dòng)，來模擬實(shí)車側(cè)面柱碰撞過程中車門凹陷變形侵入過程。另外，AUTOLIV 公司開發(fā)了側(cè)面柱碰撞減速臺(tái)車試驗(yàn)系統(tǒng)，其包含兩部分：一部分是試驗(yàn)中固定在剛性碰撞壁上的側(cè)面柱壁障和復(fù)現(xiàn)實(shí)車減速過程的吸能機(jī)構(gòu)；另一部分是臺(tái)車及安裝在其上的模擬碰撞側(cè)車門和座椅結(jié)構(gòu)。無論加速型還是減速型，當(dāng)前的側(cè)面柱碰撞臺(tái)車試驗(yàn)系統(tǒng)普遍結(jié)構(gòu)復(fù)雜、操作困難，而且可調(diào)節(jié)點(diǎn)少，不利于精確復(fù)現(xiàn)實(shí)車碰撞試驗(yàn)結(jié)果。

1 側(cè)面柱碰撞試驗(yàn)結(jié)果分析

建立車身坐標(biāo)系：x 向?yàn)榍昂蠓较颍蚯盀檎粂 向?yàn)樽笥曳较颍蛴覟檎粃 向?yàn)樯舷路较颍蛳聻檎齕4]。C-NCAP 中指定的側(cè)面柱碰撞試驗(yàn)要求車輛駕駛員側(cè)與剛性柱發(fā)生碰撞。平行于車輛碰撞速度矢量的垂直面與車輛縱向中心線之間應(yīng)形成75°±3°的碰撞角，即車輛x 向與軌道之間成75°角。前排駕駛員位置放置一個(gè)WorldSID 50th 假人，剛性柱表面中心線應(yīng)對(duì)準(zhǔn)假人頭部質(zhì)心，且在通過假人頭部質(zhì)心與車輛運(yùn)動(dòng)方向垂直的平面內(nèi)。車輛碰撞速度為 32± 0.5 km/h。試驗(yàn)中，采集假人頭部線性加速度、上頸部力和力矩、肩部關(guān)節(jié)力和肩部肋骨位移、胸部肋骨位移（上、中、下）、腹部上肋骨和下肋骨位移、腰椎T12 加速度、骨盆加速度和骨盆恥骨力、股骨力，通過上述部位測(cè)量結(jié)果，評(píng)價(jià)人員受傷害情況。

開發(fā)側(cè)面柱碰撞減速臺(tái)車（Side Impact Pole Deceleration Sled,SIPS），應(yīng)全面考慮上述試驗(yàn)條件，并能根據(jù)要求全部或部分地復(fù)現(xiàn)假人傷害，因此SIPS 應(yīng)盡能模擬實(shí)車試驗(yàn)中車體減速過程、車門變形狀態(tài)及侵入速度。

1.1 車體減速過程復(fù)現(xiàn)

統(tǒng)計(jì)分析12 款車側(cè)面柱碰撞試驗(yàn)中假人傷害情況，在碰撞進(jìn)行至80 ms 時(shí)，假人最大傷害均發(fā)生完成。錄像分析相應(yīng)12 款車碰撞前80 ms車體狀態(tài)，如圖1 所示。碰撞80 ms 時(shí)刻與0 時(shí)刻的車體狀態(tài)基本一致，碰撞角沒有發(fā)生明顯變化。基于此，SIPS 設(shè)計(jì)中可不考慮車體旋轉(zhuǎn)，即臺(tái)車按實(shí)車試驗(yàn)要求搭建門結(jié)構(gòu)、座椅結(jié)構(gòu)等工況后，只沿牽引軌道方向進(jìn)行碰撞。

圖1 側(cè)面柱碰撞過程中車體狀態(tài)Fig.1 Vehicle shape during pole side impacting

實(shí)車碰撞中，碰撞前80 ms 柱壁障與車輛x軸之間成75°角，則可以將車體非碰撞側(cè)x 向和y 向合成加速度視為碰撞過程中車體運(yùn)行方向的加速度，用AR 表示。參考正面臺(tái)車碰撞試驗(yàn)?zāi)M實(shí)車減速過程中，臺(tái)車復(fù)現(xiàn)B 柱下x 向減速度曲線，當(dāng)側(cè)面柱碰撞只沿牽引軌道方向進(jìn)行時(shí)，則SIPS 復(fù)現(xiàn)AR 即可。另外，正面臺(tái)車試驗(yàn)中，要求所復(fù)現(xiàn)加速度積分求得速度與實(shí)車速度偏差為±1 m/s[5]，結(jié)合臺(tái)車模擬實(shí)車主要以保證假人各部位傷害滿足對(duì)標(biāo)要求為主，則確定SIPS也參照此規(guī)定執(zhí)行。

2.2 側(cè)面柱碰撞車身變形分析

按照C-NCAP 要求所進(jìn)行的側(cè)面柱碰撞試驗(yàn)，車身的變形情況通常如圖2 所示。碰撞點(diǎn)基本處于B 柱前，碰撞過程中，柱壁障帶動(dòng)兩側(cè)車門及推動(dòng)門檻變形侵入車體。兩車門在變形過程中，相對(duì)前車門，后車門轉(zhuǎn)動(dòng)角度小。對(duì)于車內(nèi)，內(nèi)飾板后端向內(nèi)侵入并將座椅靠背向中央通道側(cè)擠壓。試驗(yàn)后，座椅固定點(diǎn)變形情況通常如圖3所示，駕駛員座椅左后固定點(diǎn)位置向內(nèi)翻轉(zhuǎn)。

圖2 側(cè)面柱碰撞車體變形Fig.2 Vehicle deformation in side pole impact test

圖3 座椅固定點(diǎn)變形Fig.3 Deformation of seat fixing situation

2 側(cè)面柱碰撞減速臺(tái)車設(shè)計(jì)

2.1 波形復(fù)現(xiàn)方式制定

馬志雄[6]等研究表明，實(shí)車正碰減速度波形很復(fù)雜，但經(jīng)更低頻率等級(jí)CFC20 濾波可以生成雙梯形波，等效雙梯形波下，臺(tái)車試驗(yàn)的假人傷害值響應(yīng)以及運(yùn)動(dòng)姿態(tài)與實(shí)車正碰波形下臺(tái)車試驗(yàn)的假人傷害值響應(yīng)以及運(yùn)動(dòng)姿態(tài)的一致性非常好。參照此研究結(jié)果，將某款車用FS 代替，以FS 車為例，分析側(cè)面柱碰撞中實(shí)車的AR 曲線特點(diǎn)。FS 車側(cè)面柱碰撞后，CFC60 濾波AR 曲線和CFC20 濾波AR 曲線及處理后速度、速度差值曲線如圖4 所示。

圖4 FS 車側(cè)面柱碰撞減速情況Fig.4 Deceleration circumstance of FS vehicle in side pole impact test

圖4（a）中，不同濾波等級(jí)下兩條曲線差異明顯，CFC60 濾波曲線波動(dòng)幅度較大，CFC20濾波曲線波動(dòng)較小，近似梯形。圖4（b）中，兩條濾波等級(jí)下的速度曲線最大差值不到0.2 m/s。圖4 表明，SIPS 也可采用梯形波理論，直接復(fù)現(xiàn)實(shí)車AR 的CFC20 濾波曲線即可。

當(dāng)前復(fù)現(xiàn)梯形波的減速型臺(tái)車試驗(yàn)用吸能機(jī)構(gòu)，所采用變形吸能材料通常是鋼板、鋼棒、鋼管，鑒于實(shí)車AR 曲線CFC20 濾波后近似梯形，故SIPS 采用此方式復(fù)現(xiàn)實(shí)車減速過程。幾種變形材料中，鋼管吸能特性強(qiáng)，使用輕便，決定將某尺寸不銹鋼管作為SIPS 吸能材料。驗(yàn)證所選鋼管的特性。搭建驗(yàn)證試驗(yàn)如圖5 所示。將3 根鋼管通過夾具固定在剛性壁障上，用重1 500 kg臺(tái)車以32 km/h 速度撞擊，試驗(yàn)結(jié)果如圖6 所示。

圖5 鋼管特性驗(yàn)證試驗(yàn)Fig.5 Verification test of characteristics of steel tube

從圖6（a）中可以看出，鋼管潰縮變形，褶皺均勻、穩(wěn)定；從圖6（b）中可以看出，臺(tái)車在鋼管潰縮作用下產(chǎn)生的加速度曲線近似梯形，上升斜率均勻且通過鋼管長(zhǎng)短差異化布置可調(diào)。3 根鋼管作用下臺(tái)車加速度幅值約為130 m/s2，換算成1 000 kg 臺(tái)車沖擊下一根該型號(hào)不銹鋼鋼管的作用，則該鋼管的阻尼特性為65 m/s2/根。該結(jié)果表明，所選型號(hào)不銹鋼管可作為SIPS 吸能材料，通過鋼管潰縮模擬碰撞側(cè)車身的凹陷變形。鋼管阻尼作用可通過臺(tái)車實(shí)際質(zhì)量進(jìn)行換算。試驗(yàn)中，鋼管根數(shù)和長(zhǎng)短可依據(jù)所復(fù)現(xiàn)曲線的幅值和上升斜率確定。為減少柱型壁障與車門、假人碰撞過程對(duì)波形產(chǎn)生的影響，臺(tái)車整體設(shè)計(jì)應(yīng)偏重。

圖6 驗(yàn)證試驗(yàn)結(jié)果Fig.6 Results of verification test

對(duì)于吸能鋼管安裝形式，通過工裝安裝在正面碰撞用剛性壁障，操作復(fù)雜，故決定安裝在臺(tái)車前端，試驗(yàn)中直接撞擊剛性壁障。

2.2 柱壁障方案設(shè)計(jì)

當(dāng)前，行業(yè)內(nèi)所設(shè)計(jì)SIPS，其壁障與實(shí)車側(cè)面柱碰撞相同，也安裝在正面剛性壁障上，每次試驗(yàn)需要進(jìn)行拆裝，操作不便。另外，試驗(yàn)中臺(tái)車一旦出現(xiàn)偏離，碰撞位置則出現(xiàn)偏差，該情況下對(duì)臺(tái)車上的結(jié)構(gòu)會(huì)造成損傷。結(jié)合吸管鋼管安裝在臺(tái)車上，確定將柱壁障簡(jiǎn)化后也安裝在臺(tái)車上，以保證側(cè)面柱碰撞臺(tái)車試驗(yàn)系統(tǒng)一體式結(jié)構(gòu)。具體安裝方式如圖7 所示。柱形頭靠近門板側(cè)，碰撞側(cè)安裝碰撞板，兩者之間通過穿過線性軸承的光軸連接，而且為了碰撞過程穩(wěn)定，將柱壁障結(jié)構(gòu)置于吸能管布局靠近中間位置。

圖7 柱壁障及吸能鋼管布置方案Fig.7 Layout plan of pole-barrier and steel tube

2.3 門結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

實(shí)車側(cè)面柱碰撞過程中，兩車門凹陷變形，相對(duì)前車門，后車門變形角度小，因此如圖8（a）所示，設(shè)計(jì)車門結(jié)構(gòu)為三段式，即由3 塊鋁板構(gòu)成：前門板需要安裝內(nèi)飾板，最寬；中間鋁板模擬凹陷，最窄。如圖8（b）所示，試驗(yàn)時(shí)，讓前門板與中間門板接縫處于頭部質(zhì)心與柱壁障中心所在平面，以確保碰撞過程中后車門變形相對(duì)前車門偏小。另外，為了調(diào)節(jié)前后門板侵入角度的差異，分別增加了拉桿和限位環(huán)結(jié)構(gòu)進(jìn)行約束。

圖8 門結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)方案Fig.8 Design scheme of door structure

2.4 座椅結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

實(shí)車側(cè)面柱碰撞過程中，碰撞側(cè)座椅整體向中央通道一側(cè)擠壓，且碰撞側(cè)后固定點(diǎn)結(jié)構(gòu)明顯向內(nèi)翻轉(zhuǎn)，因此座椅安裝基座設(shè)計(jì)成滑塊導(dǎo)軌結(jié)構(gòu)，通過碰撞中向遠(yuǎn)端移動(dòng)模擬其受擠壓變形。在座椅遠(yuǎn)端固定一塊擋板來模擬中央通道。唐爽[7]等的研究表明，蜂窩鋁材料動(dòng)態(tài)壓縮力學(xué)性能穩(wěn)定，是微調(diào)潰縮過程的很好材料，因此在座椅安裝基座與擋板之間放置蜂窩鋁來調(diào)節(jié)座椅側(cè)向移動(dòng)速度。另外，將碰撞側(cè)后固定點(diǎn)設(shè)計(jì)成可以繞其前固定點(diǎn)轉(zhuǎn)動(dòng)結(jié)構(gòu)，旋轉(zhuǎn)快慢通過在轉(zhuǎn)動(dòng)間隙間放置蜂窩鋁進(jìn)行調(diào)節(jié)，以此方式模擬碰撞中兩后固定點(diǎn)間距縮短情況。考慮SIPS 將來可能會(huì)開展farside 試驗(yàn)（評(píng)價(jià)側(cè)面碰撞碰撞側(cè)遠(yuǎn)端乘員傷害），設(shè)計(jì)中預(yù)留非碰撞側(cè)座椅安裝結(jié)構(gòu)。具體設(shè)計(jì)方案如圖9 所示。

圖9 座椅結(jié)構(gòu)Fig.9 Seat structure

2.5 SIPS 總成設(shè)計(jì)

設(shè)計(jì)臺(tái)車平臺(tái)，細(xì)化各結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，完成SIPS總成設(shè)計(jì)如圖10 所示。

圖10 臺(tái)車總成Fig.10 Sled assembly

2.6 方案驗(yàn)證

驗(yàn)證SIPS 設(shè)計(jì)方案可行性。在某車柱碰撞約束系統(tǒng)模型基礎(chǔ)上，搭建了SIPS簡(jiǎn)易仿真模型。仿真模型如圖11 所示。臺(tái)車模型假人空間尺寸與整車柱碰撞模型一致，模型邊界條件設(shè)定為模型向右施加32 km/h 初速度，撞向剛性墻，臺(tái)架向左施加AR 加速度。

圖11 仿真模型Fig.11 CAE model

2.6.1 仿真動(dòng)畫分析

將側(cè)面柱碰撞臺(tái)車仿真結(jié)果與實(shí)車側(cè)面柱碰撞仿真結(jié)果進(jìn)行對(duì)比，如圖12 所示。整個(gè)碰撞模擬過程，假人運(yùn)動(dòng)姿態(tài)一致，座椅變形趨勢(shì)相同，只是側(cè)面安全氣囊開始階段飽滿狀態(tài)略有差異。

圖12 實(shí)車與臺(tái)車仿真動(dòng)畫對(duì)比Fig.12 Vehicle comparison with sled CAE animation

2.6.2 仿真結(jié)果分析

在側(cè)面柱碰撞試驗(yàn)中，通常比較關(guān)注假人肩部、胸部和腹部的壓縮變形量，而該3 個(gè)部位數(shù)據(jù)正好反映了整個(gè)假人軀干側(cè)面受撞擊情況，從這些方面比較臺(tái)車仿真與實(shí)車仿真結(jié)果擬合程度，可評(píng)判臺(tái)車設(shè)計(jì)方案的可行性。實(shí)車與臺(tái)車仿真中假人肩部、胸部、腹部壓縮變形量對(duì)比如圖13 所示。變形產(chǎn)生的起始時(shí)刻一致，變形量幅值均接近，只是碰撞前期臺(tái)車中各壓縮變形量上升過程偏弱。

圖13 實(shí)車試驗(yàn)結(jié)果（v）與臺(tái)車仿真結(jié)果（s）對(duì)比Fig.13 Vehicle test result (v) comparison with sled CAE result (s)

2.6.3 仿真結(jié)果綜合分析

仿真數(shù)據(jù)上，碰撞前期臺(tái)車中壓縮變形量上升過程偏弱，與動(dòng)畫中側(cè)氣囊開始階段的飽滿狀態(tài)差異相對(duì)應(yīng)，通過局部調(diào)節(jié)臺(tái)車結(jié)構(gòu)或參數(shù)設(shè)置或加速度曲線應(yīng)可調(diào)整，但可確認(rèn)SIPS 主體設(shè)計(jì)方案可行，可加工制作。

3 側(cè)面柱碰撞減速臺(tái)車應(yīng)用驗(yàn)證

SIPS 加工完成后，對(duì)結(jié)構(gòu)強(qiáng)度等進(jìn)行了系統(tǒng)調(diào)試，并結(jié)合正在進(jìn)行約束系統(tǒng)開發(fā)的FS 車，進(jìn)行了功能驗(yàn)證。

3.1 SIPS 加速度曲線標(biāo)定

正式驗(yàn)證試驗(yàn)前，根據(jù)實(shí)車AR 曲線及吸能鋼管特性、臺(tái)車總質(zhì)量，確定了鋼管的數(shù)量、長(zhǎng)度，并如圖14（a）所示。在臺(tái)車前端環(huán)繞安裝。另外，實(shí)車碰撞中外門板變形過程對(duì)車體并不產(chǎn)生減速過程，但會(huì)對(duì)側(cè)氣囊、預(yù)緊式安全帶作用時(shí)機(jī)產(chǎn)生影響，故在柱形頭與鋁門板之間增加蜂窩鋁塊復(fù)現(xiàn)這一過程。一切準(zhǔn)備就緒后進(jìn)行了標(biāo)定波形試驗(yàn)。試驗(yàn)結(jié)果評(píng)估如圖14（b）和圖14（c）所示。圖14（b）中，80 ms 之前，臺(tái)車加速度曲線與實(shí)車CFC20 濾波加速度曲線接近；圖14(c)中，兩條速度曲線基本吻合，差值在±0.2 m/s 之內(nèi)，完全滿足試驗(yàn)要求。

圖14 臺(tái)車加速度曲線符合性分析Fig.14 Conformity analysis of sled acceleration

3.2 假人損傷曲線符合度驗(yàn)證

標(biāo)定試驗(yàn)通過后，進(jìn)行了假人傷害驗(yàn)證試驗(yàn)。驗(yàn)證試驗(yàn)前，先制定了假人傷害評(píng)估方案。

3.2.1 評(píng)估方案制定

利用CORA 軟件評(píng)價(jià)假人損傷曲線符合度。CORA（CORelation and Analysis）是一款由PDB（Partnership for Dummy Technology and Biomechanics）開發(fā)用于客觀評(píng)價(jià)曲線一致性的軟件。在側(cè)面柱碰撞臺(tái)車評(píng)價(jià)中，確定主要針對(duì)WorldSID 假人肩部、胸部、腹部及骨盆等重點(diǎn)關(guān)注區(qū)域的10 個(gè)關(guān)鍵性指標(biāo)進(jìn)行評(píng)估，要求CORA 總評(píng)分達(dá)到0.8 以上為滿足要求。各個(gè)信號(hào)的評(píng)估方法及所占權(quán)重如表1 所示。

表1 假人損傷評(píng)價(jià)指標(biāo)Tab.1 Evaluation index of dummy injury

3.2.2 假人損傷曲線符合度評(píng)估

將當(dāng)前FS 側(cè)面柱碰撞試驗(yàn)結(jié)果作為驗(yàn)證目標(biāo)進(jìn)行驗(yàn)證試驗(yàn)，驗(yàn)證試驗(yàn)共進(jìn)行了4 次。初次驗(yàn)證試驗(yàn)中，在柱形頭與門板之間、座椅安裝基座與擋板之間、座椅基座轉(zhuǎn)動(dòng)間隙所放置蜂窩鋁是通過分析實(shí)車試驗(yàn)結(jié)果確定，拉桿的限位環(huán)位置是根據(jù)實(shí)車柱壁障后方門板變形角度確定。另外，調(diào)整假人與內(nèi)飾板間相對(duì)尺寸與實(shí)車中完全一致，吸能鋼管按標(biāo)定試驗(yàn)結(jié)果擺放。后續(xù)試驗(yàn)依據(jù)前次碰撞試驗(yàn)結(jié)果，對(duì)蜂窩鋁尺寸、拉桿限位環(huán)位置進(jìn)行了適當(dāng)調(diào)整。每次驗(yàn)證試驗(yàn)完成后，均利用CORA 軟件評(píng)價(jià)了假人損傷曲線符合度，前3 次評(píng)價(jià)結(jié)果均不理想。第4 次驗(yàn)證試驗(yàn)總評(píng)分為0.84，滿足評(píng)價(jià)要求。第4 次驗(yàn)證試驗(yàn)中，假人肩部、胸部和腹部的壓縮變形量與實(shí)車基礎(chǔ)試驗(yàn)結(jié)果對(duì)比，如圖15 所示。

圖15 中，各對(duì)比曲線變化趨勢(shì)一致，只在下肋骨和腹部曲線上升前期，臺(tái)車試驗(yàn)中曲線上升偏快。另外，所有對(duì)比曲線之間幅值接近，其中圖15（d）中幅值偏差最大，實(shí)車中幅值為42 mm，臺(tái)車中幅值為39 mm，偏差為3 mm，7.1%，可接受。對(duì)于幅值偏差和曲線上升過程中存在的偏差，如需要進(jìn)一步的優(yōu)化，可通過調(diào)整柱形頭與門板之間、座椅基座與擋板之間蜂窩鋁厚度進(jìn)行。

圖15 臺(tái)車（S）與實(shí)車（V）試驗(yàn)結(jié)果對(duì)比Fig.15 Sled test results (S) comparison with vehicle test results (V)

4 結(jié)語(yǔ)

所設(shè)計(jì)的一體式SIPS，集吸能機(jī)構(gòu)、柱壁障機(jī)構(gòu)于臺(tái)車一體，使結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、操作方便。另外，通過門板3 段式設(shè)計(jì)并輔以拉桿約束、座椅基座滑動(dòng)加旋轉(zhuǎn)設(shè)計(jì)，提升了對(duì)門板侵入狀態(tài)及座椅變形狀態(tài)的調(diào)節(jié)空間，多處蜂窩鋁的使用確保了設(shè)備的調(diào)節(jié)精度。上述特點(diǎn)，使該設(shè)備具有了較高的推廣價(jià)值。