側面碰撞中乘員響應和能量的研究

韓玉環　仲衍　慧何　成李博

摘要：本文對車輛在側面碰撞中的能量進行了理論推導，理論推導和分析了在側面碰撞過程中車輛約束系統和車身結構變形而吸收的能量，并分別用MDB和ADMDB臺車作為子彈車對某款車進行了側面碰撞試驗。依據時間和速度等，對兩種形式的側碰中的假人運動趨勢進行分析和對比，并對比分析了假人傷害值和假人能量。ADMDB側碰試驗ES-2假人的胸部、腹部和骨盆的能量密度和能量都比MDB側碰試驗高，AEMDB試驗中的假人傷害值普遍比MDB偏大。

關鍵詞：側面碰撞；乘員響應；能量吸收

據國外有關機構的調查研究，交通事故類型中最多的是碰撞事故，在各種汽車碰撞事故形式中，汽車側面碰撞事故的發生率僅次于正面碰撞，其造成死亡和重傷的事故約占25%，其中有43%-55%是在車對車碰撞事故中造成的，另外12%-16%是由于車體側面撞擊柱狀物而造成的。而我國也是汽車交通事故死亡人數最高的國家之一，交通事故頻繁發生，給無數家庭帶來巨大痛苦。因此，如何降低因側面碰撞事故而導致乘員傷害是一個重要而又嚴峻的問題。

對于高能量的碰撞試驗，假人在碰撞過程中產生的能量在約束系統的制約下，并且傳遞到車身部件，所以人體的動能在忽略假人本身變形所吸收的能量的前提下，主要通過以下兩部分進行吸收：約束系統的變形和整車結構的變形。約束系統能量（restraint energy）主要是通過通過假人與氣囊、安全帶、轉向系統、儀表盤等約束系統部件的接觸，導致約束系統部件的變形，從而完成能量轉移；結構緩沖能量（ridedown energy）是通過約束系統的連接作用將能量轉移至車身部件，從而引起車身部件的變形，此部分能量主要是通過碰撞中結構的緩沖變形來吸收。

許多研究者關注新型復合材料并加強結構優化以提高側碰中車輛側面結構的能量吸收和人體響應。本文對側面碰撞中的能量吸收及假人的響應進行了理論推導，并對某車型進行側面碰撞的實車試驗，在車身上設置傳感器的方式，考察B柱中部位置的加速度、位移變化量等指標，并對比假人胸部加速度等傷害指標，考察碰撞過程中假人產生能量的吸收。

1.側面碰撞過程中的能量分析

1.1車輛在碰撞過程中的能量分析

為了確保碰撞過程中乘員的安全，首先要確保乘員艙內的生存空間，車輛吸收能量導致車輛變形不能成為危急乘員安全的因素。本文中以兩車相撞發生完全塑性變形作為前提條件，子彈車輛的質量為M1，速度為V1；被撞車輛的質量為M2，速度為V2。根據動量守恒，碰撞過程中兩車的重心速度為Vg，從而得出以下公式：

由公式（7）可知，RE隨著R的增大而增大。隨著R的增大，RE無限趨近于2。當發生側面碰撞時，兩車的速度以及質量均相同時，車身發生彈性變形和塑性變形而吸收能量。若約束系統過軟，碰撞形式為最惡劣，能量基本完全作用于車身，那么以車身變形量為指標，車身剛度將提升到2倍。此時不會受到兩車輛的質量比的限制，從而使兩車受到同等車身變形情況。

在碰撞過程中，當車身剛度增加時，車身變形量將減小，車身與乘員的相對速度降低，接觸時刻將推遲。并且側面氣囊、氣簾等的有效展開，緩沖乘員與車身之間的碰撞，將有效減少乘員的傷害值。

1.2車輛在碰撞過程中約束系統能量和結構緩沖能量的分析

在碰撞過程中，乘員產生的能量，是由乘員的質量以及乘員初始速度和終止速度的速度差決定的。吸收的能量可以表示為，作用于質點位置的外力和慣性系統位移量的乘積。一般情況下，乘員受到來自外界的作用力產生的能量，通過約束系統的約束作用將能量轉移至車身部件引起車身部件的變形。在一般的車輛事故中，乘員產生的動能要盡量由約束系統吸收，約束系統能量越大，則結構緩沖吸收能量就會越小，可以有效的降低乘員傷害，提高保護乘員安全的效果。在與重型車發生碰撞等重大事故中，由于能量過高，約束系統剛度不足導致擊穿，假人一部分能量將不受約束系統的作用而直接作用于車身，假人的動能轉化為結構緩沖能量。因此，可以應用高效率的結構緩沖的車身加速度響應曲線，有效控制車身的變形速度，從而優化車身設計，以應對高能量的撞擊事故。

一般在正面和偏置類型碰撞試驗中，結構緩沖能量的主要是通過氣囊、安全帶、轉向系統、儀表盤等約束系統作用于車身變形吸收。系統以地面作為參考，碰撞初始階段，乘員的初速度和車輛的初速度相同，整個碰撞過程的最終階段系統相對于地面速度為O，乘員初始動能為乘員質量與初速度的乘積。而在側面碰撞中，乘員受到的作用力主要是產生于車輛重心的加速度，從而引起車身某些部件的變形，從而車身加速度就成為了研究結構緩沖能量的主要因素。為了對結構緩沖吸能效果進行定量化分析，就要計算側面碰撞過程中乘員的動能。而在側面碰撞中，車身在初始狀態相對地面是靜止狀態。當車輛在碰撞過程中乘員重心的速度與B柱中部的速度相同時，此速度相對地面的速度為VG。當系統速度相對于地面為O時，此速度為車輛碰撞的終速度，速度為O。在此時刻可以認為乘員的速度與車身的速度是相同的。

其中直線AD為目標車的車身速度的變化趨勢，顯示出車身的減速度，折線AED為乘員速度的變化趨勢，直線ED段趨勢表示乘員的減速度，V0為原點。ABDE區域的面積為乘員在碰撞過程中的絕對位移變化，AFE區域的面積為碰撞初始階段，乘員還未受到外力前的階段的乘員和車身的相對位移變化。CDE區域的面積為乘員在受到來自約束系統和車的作用力后的階段的絕對位移變化，則乘員能量密度E NP可以表示為單位質量CDE區域的面積與乘員減速度AD的乘積。DEF區域的面積為乘員在約束系統作用下的相對位移變化，所以緩沖能量密度END，可以根據圖中CDF面積與乘員減速度的乘積計算得出。

2.側面碰撞試驗及分析

2.1側面碰撞的吸能分析

本次側面碰撞試驗流程按照現階段國內主流的中國新車評價規程（China-NewCar Assessment Program）進行，以下簡稱C-NCAP，側面碰撞試驗的試驗假入為ES2假人，試驗中分別使用MDB和AEMDB兩種試驗臺車，試驗碰撞速度50km/h。進行了兩次實車碰撞試驗，將兩次實驗結果進行對比，并分析車身響應和假人傷害值的差異。

側碰試驗中，B柱為側面結構重要部件，其變形模式會直接影響車門的變形量，其強度不足會使車門發生嚴重的異常形變，增加對乘員傷害程度。優化B柱可通過增加B柱等碰撞承受部件的彎曲剛度來實現。門檻梁作為支撐B柱以及側面結構的基礎部件，在碰撞中如果無法產生足夠的抵抗效果，將引起乘員艙嚴重彎曲變形，甚至車體整體崩潰。增加焊點，改善焊縫位置、材料厚度，優化材料可以增加門檻梁強度。碰撞產生的能量通過車門腰線加強版和防撞梁傳遞給車門內飾板。車門內側防撞梁，在碰撞中能有效防止車門過度變形，控制侵入量。設計上需控制各部件間接縫封閉特性，使碰撞能量得到有效的傳遞和耗散。由2節的分析可知，理論上車身剛度增大至2倍，將不受到兩碰撞車輛的質量比限制，但實際設計中，還要平衡考慮車身質量，乘員艙空間和約束系統匹配等因素。

2.2側面碰撞試驗中乘員響應和能量的分析

2.2.1側面碰撞試驗中乘員運動趨勢以及相應曲線分析

C-NCAP評價規程中將ES2假人分為4個部分進行考察，頭部、胸部、腹部和骨盆。主要評價指標為頭部：HIC，3ms加速度；胸部：肋骨上中下三根的位移量和VC（背板力Fy、T12力Fy和力矩Mx作為罰分項）；腹部合力（APF）和骨盆合力（PSPF）。由于人體的骨架結構中，骨盆承受的力范圍較大，所以在實際車身結構開發和約束系統匹配中，也是將骨盆作為優先考慮的部分。假人能量盡量控制在讓骨盆吸收，從而抑制胸部傷害值的增加。所以本文中，以T12的加速度作為胸部、腹部和骨盆能量分析的基礎，以腹部、腹部和骨盆的質量作為運動部分的質量。通過對假人的加速度響應曲線和碰撞側車身的B柱中間位置的加速度響應曲線進行對比分析。從而研究約束系統能量、結構緩沖能量、乘員總能量與假人響應之間的關系。

首先以假人整體作為考察對象，根據某車型的試驗結果，考察假人和車身的運動情況。將采集得到的加速度響應曲線進行積分變換得到速度響應曲線。對MDB和AEMDB側碰試驗進行對比，對比碰撞側B柱中央部位對地的速度和假人胸部中肋骨對地的速度可以看出，車身與假人的接觸時刻為臺車碰撞目標車后的57.2ms和57.1ms，接觸速度分別為5.56m/s和7.02m/s。對比假人各部位的接觸時間和加速度如下表格：

下圖紅色為碰撞側B柱中央部位速度曲線，藍色為假人胸部中肋骨速度曲線：

從圖3可以看出，在碰撞發生后的55ms，碰撞側B柱中央位置的加速度要明顯大于假人各部位的加速度。分析碰撞視頻可知，假人的骨盆最先與車身接觸，然后是腹部和胸部，頭部則最后接觸。將試驗得到的加速度曲線進行一次積分變換之后，得出了碰撞側車身B柱中間位置和假人各部位速度隨時間的變化曲線（曲線要加上）。從曲線中可以看出，MDB臺車碰撞側B柱中間位置的速度與假人各部位速度相同時的時間點都不一致，AEMDB臺車碰撞側B柱中間位置的速度與腹部和骨盆部位的速度相同時的時間點基本一致，時間為85.4ms，速度為8.35m/s。假人和約束系統接觸的過程中，各部位最大速度峰值呈現為骨盆、腹部和胸部依次降低的趨勢。圖4和圖5分別為兩次試驗中，假人骨盆、腹部和胸部與B柱接觸的時間和接觸時刻的速度對比。

2.2.2側面碰撞試驗中乘員傷害值和能量分析

根據兩次試驗得到的結果可以看出，在AEMDB側碰試驗中的假人傷害值普遍比MDB偏大，這是由于AEMDB臺車的質量為1400kg，碰撞過程中產生的能量要比MDB臺車大很多，AEMDB的寬度也比MDB的1500mm寬200mm，AEMDB蜂窩鋁下沿離地高度比MDB的300mm大50mm，使得原本由底盤承受的沖擊能量轉移到B柱和車門部位。AEMDB前段蜂窩鋁的形狀為梯形，比MDB蜂窩鋁更加接近實際車輛，而剛度也比MDB有所提高。兩次試驗得到的假人傷害值如下圖6所示。

通過前面章節理論的推導和對碰撞數據的分析，計算出假人各個部位單位質量內產生的能量。兩次試驗中假人胸部、腹部和骨盆的能量密度對比如圖7所示。從圖中可知AEMDB側面碰撞中假人各部位產生的能量密度比MDB側面碰撞都要大，尤其是在腹部和肋骨部位的能量密度更為明顯。所以在AEMDB中，控制乘員的腹部和肋骨的能量對乘員傷害值控制更為重要。

一般在車身結構沒有變化的情況下，假人所產生的能量基本需要全部轉化為約束系統能量，也就是側面氣囊等約束系統不被擊穿，假人不會與車身發生硬接觸，才能保證乘員安全。

3.結語

本文從理論上推導了車輛能量吸收的公式和車輛吸收假^能量的公式。

分析了側面碰撞中，車身的主要吸能部件，并對部件的優化提供了參考。

對比分析了MDB和AEMDB側碰試驗，MDB臺車碰撞側B柱中間位置的速度與假人各部位速度相同時的時間點都不一致，AEMDB臺車碰撞側B柱中間位置的速度與腹部和骨盆部位的速度相同時的時間點基本一致。假人和約束系統接觸的過程中，各部位最大速度峰值呈現為骨盆、腹部和胸部依次減小的趨勢。

AEMDB側面碰撞中假人各部位產生的能量密度比MDB側面碰撞都要大，尤其是在腹部和肋骨部位的能量密度更為明顯。在AEMDB中，控制乘員的腹部和肋骨的能量對乘員傷害值控制更為重要。