基于正面25%重疊偏置碰撞測試的轎車改進設計?

肖 龍，李 莉，段大偉，劉優寶

前言

《中國統計年鑒2015》顯示，2014年我國發生道路交通事故196 812起，死亡人數58 523人，造成直接經濟損失107 542.9萬元，數據顯示目前我國的交通安全問題仍然十分嚴峻[1]。相關數據表明，正面碰撞為車輛碰撞事故發生的主要形式，正面碰撞事故中致死率最高的為正面小重疊度偏置碰撞事故(碰撞時車身與碰撞物的重疊率不大于30%，下面簡稱小重疊碰撞)，正面小重疊碰撞死亡事故約占美國正面碰撞死亡事故總數的22%，約占英國正面碰撞致死事故總數的27%，致死率遠高于其他類型的汽車正面碰撞事故[2-3]。以上數據表明正面小重疊碰撞事故更接近于真實的交通碰撞事故，其對車輛的安全性能要求更高。

2012年8月，美國公路安全保險協會(insurance institute for highway safety，IIHS)對美國交通事故的統計數據顯示，在其新車碰撞安全評價規程(new car assessment program，NCAP)中首次推出了應對車輛正面小重疊碰撞事故的正面25%重疊碰撞測試規程，在該協會公布的首批11款豪華車型的測試結果中，評估優秀率僅為18%[4]，說明目前大部分車輛對該類型的碰撞事故沒有很好的應對能力。迄今為止，針對車輛正面小重疊碰撞事故的研究尚處于初步階段，如何降低正面小重疊碰撞事故對乘員的損傷已成為當今汽車安全領域研究的重點和難點。

1 IIHS正面25%重疊碰撞測試規程

1.1 試驗工況

根據IIHS關于車輛正面25%重疊碰撞測試工況規定，車輛以64km/h的速度撞擊固定在正前方剛性壁障(壁障高度為1 524mm，前板左端是半徑為150mm、弧度115°的圓弧結構)，汽車與壁障的重疊面積為車身寬度的25%，在車輛前排駕駛員位置放置1個50th HybirdⅢ男性假人，用來測量駕駛員的損傷[4-5]，如圖1所示。

圖1 IIHS正面25%重疊碰撞測試工況

1.2 安全性能評估規程

根據IIHS關于正面25%重疊碰撞測試結果的評估規程規定，車輛碰撞安全性能的評估項目包括車體結構、假人損傷值和約束系統/假人運動學等3個方面，通過對這3個方面的評估結果進行加權計算得到測試車輛正面25%重疊碰撞的整車安全性能評估結果，評估結果分:GOOD(優秀)、ACCEPTABLE(良好)、MARGINAL(及格)和 POOR(差)4個等級。在當前的車輛正面25%重疊碰撞實車試驗中，車輛碰撞安全性能評估結果主要由車體結構評估結果決定，也即車輛的結構耐撞性決定了車輛的碰撞安全性能[6-7]。

測試車輛的車體結構評估結果是通過對碰撞后車輛乘員艙侵入量的測量和評估來實現的。根據IIHS的評估規程規定，在測試車輛乘員艙上下部共選取10個測量點，上部4個點，下部6個點，測量點對應的位置、名稱和編號如圖2和表1所示。評估時，分別對乘員艙上下兩部分的侵入量進行單獨測量評估，測量點出現次數最多的評估結果作為該部分的評估結果，取乘員艙上下兩部中較差的一組評估結果作為測試車輛車體結構的評估結果，相應的測量點侵入量評估圖如圖3所示，該結果也決定了整車的碰撞安全性能評估結果[6-7]。

圖2 乘員艙上下部測量點

表1 測量點對應的編號和名稱

2 正面25%重疊碰撞仿真試驗

2.1 仿真模型的建立

圖3 測量點侵入量評估圖

根據IIHS正面25%重疊碰撞的測試規程規定，使用有限元軟件HyperMesh建立該工況下的整車碰撞模型，如圖4所示。該整車碰撞模型由剛性壁障模型，豐田Yaris2010轎車模型和剛性地面模型組成。在HyperMesh軟件中對該整車碰撞模型進行相應的前處理，把剛性壁障固定在車輛正前方的地面模型上，與車輛的重疊率為車身寬度的25%，壁障前板和整車模型的接觸方式為面面接觸，設置對應的接觸參數；賦予車輛模型64km/h的初始速度和重力加速度；并對整體碰撞模型設置輸出控制參數和計算控制參數。

圖4 正面25%重疊碰撞有限元模型

正面25%重疊碰撞試驗中的剛性壁障由垂直鋼板構成，壁障前板高度為1 524mm，厚度為38.1mm，寬度為1 000mm；前板最右端(按汽車的方向)是半徑為150mm，弧度為115°的圓弧結構。剛性壁障實體模型的三視圖和軸測圖如圖5所示[5]。

本文中使用美國華盛頓喬治大學(GWU)國家碰撞分析中心(NCAC)發布的豐田Yaris2010轎車有限元模型，該模型的節點總數為1 480 422個，單元總數為1 514 068個，總質量為1 100kg[8]。該模型中的車輪模型由簡化的輪胎和輪輞等部件構成，輪胎和輪輞的接觸關系為固定面面接觸，并在輪胎內表面和輪輞外表面構成的封閉單元組合處建立輪胎氣囊模型。

圖5 剛性壁障的三視圖和軸測圖

Yaris2010車型在正面100%重疊剛性壁障碰撞試驗工況下，仿真得到的左側后排座椅的加速度曲線和實車碰撞試驗得到的左側后排座椅的加速度曲線基本吻合，曲線對比如圖6所示；并且仿真碰撞后車體變形與實車碰撞后車體變形情況基本一致，如圖7所示，說明該車輛有限元模型精度較高，符合碰撞仿真試驗要求，可用來進行正面25%重疊碰撞仿真試驗[8]。

圖6 后排左側座椅加速度曲線對比

圖7 實車碰撞試驗與仿真碰撞對比

2.2 正面25%重疊碰撞車體變形特點

由于受到試驗條件限制，我國能用于車輛正面小重疊碰撞測試的實驗室尚未普遍建立起來，目前僅有奇瑞汽車公司在2014年完成了我國首次正面小重疊碰撞實車試驗[9-10]，且豐田Yaris2010這款車尚未進行過正面25%重疊碰撞實車試驗，因此選擇參考IIHS發布的豐田旗下類似車型Camry2012中型車的正面25%重疊碰撞實車試驗報告[11]，仿真和實車試驗的整車和乘員艙的變形情況，分別如圖8和圖9所示。由圖可見，兩者車體變形情況比較一致，顯示了仿真的可信度。綜合仿真和實車碰撞結果總結出如下特點:

(1)車身變形主要集中在左前部，汽車前艙左側被完全壓潰，乘員艙潰縮嚴重，如圖8(a)和圖9(a)所示。這些變形導致乘員艙內左側部件向里大幅度侵入，對駕駛員的頭部、胸部和腿部等造成嚴重損傷。

(2)車門變形嚴重，門檻梁、A柱和與A柱相接的車頂上邊梁處均出現嚴重彎折、褶皺現象，如圖8(b)和圖9(b)所示，嚴重壓縮了乘員的生存空間，增大了對乘員的救援難度。

圖8 正面25%重疊碰撞仿真變形情況

(3)車輛的主要吸能部件左前縱梁由于不在重疊區域內，碰撞時僅繞過壁障圓弧處，出現對中彎折現象，沒能實現軸向潰縮吸能作用，如圖8(c)所示。

圖9 實車正面25%重疊碰撞變形情況

2.3 正面25%重疊碰撞力和能量傳遞的特點

通過分析車輛正面25%重疊碰撞試驗過程，與正面40%重疊度偏置碰撞(下面簡稱40%重疊碰撞)相比，兩者之間碰撞力的傳遞方式和能量分流的情況有很大區別。

(1)力的傳遞特點 在正面40%重疊碰撞測試中，由碰撞產生的沖擊力主要通過發動機上邊梁、前縱梁和副車架3條路徑傳遞到乘員艙。但在正面25%重疊碰撞中由于吸能盒、前縱梁等主要吸能部件位于重疊區域之外，碰撞時不能有效地起到力的傳遞作用，碰撞力主要通過副車架和左前輪胎兩條路徑傳遞到乘員艙，兩者力的傳遞方式如圖10所示。

(2)能量吸收的特點 由于碰撞時重疊區域的減少和壁障材料的改變，導致正面25%重疊碰撞的能量傳遞方式也不同于正面40%重疊碰撞。

正面40%重疊碰撞測試和正面25%重疊碰撞測試中的能量傳遞公式分別為

圖10 力的傳遞方式對比

式中:E0，v0，m分別為測試車輛的初始動能、初始速度和質量；E1，E2，E3分別為正面40%重疊碰撞測試中汽車前艙、乘員艙和可變形壁障受到擠壓變形所吸收的能量；v1為正面40%重疊碰撞測試后車輛的殘余速度；E1′，E2′分別為正面25%重疊碰撞測試中汽車前艙、乘員艙受到擠壓變形所吸收的能量；v2為正面25%重疊碰撞測試后車輛的殘余速度。

兩者能量傳遞的區別在于碰撞過程中，前者壁障能夠吸收一部分動能E3，后者壁障為剛性壁障，不吸收能量；且在正面40%重疊碰撞測試過程中，汽車前艙吸收的能量E1約占總能量E0的50%[12]，遠大于正面25%重疊碰撞測試過程中汽車前艙吸收的能量 E1′。

2.4 該車車體結構評估結果

利用HyperView軟件對該車輛碰撞后的乘員艙上下部選取的測量點的侵入量進行測量，測量點的侵入量評價結果如圖11所示。由圖可見，該車碰撞后乘員艙下部的A柱下鉸鏈和門檻的侵入量評估結果為ACCEPTABLE(良好)，歇腳板、左側擱腳區、制動踏板和駐車踏板的侵入量評估結果為GOOD(優秀)，綜合乘員艙下部所有測量點的評估結果，得出該車輛乘員艙下部的評估結果為GOOD(優秀)；乘員艙上部的轉向管柱的侵入量評估結果為POOR(差)，A柱上鉸鏈侵入量評估結果為ACCEPTABLE(良好)，儀表板上部和左側儀表板侵入量評估結果為MARGINAL(及格)，綜合乘員艙上部所有測量點的評估結果，該車輛乘員艙上部評估結果為及格MARGINAL(及格)；因此綜合乘員艙上下部評級得出該車車身評估結果為MARGINAL(及格)，根據乘員艙上下部的評價結果可知，乘員艙上部的侵入量過大，下部的侵入量在合理范圍之內，所以改進的重點在于減少乘員艙上部的侵入量，提高乘員艙上部的評估等級。

圖11 測量點侵入量評估結果

3 改進方案

3.1 正面25%重疊碰撞數學模型

根據能量守恒定律對正面25%重疊碰撞建立數學模型，對本文中的結構改進設計給予理論支撐。在碰撞過程中，車輛的初始動能轉化為汽車前艙、乘員艙通過變形吸收的能量和碰撞后車輛的殘余動能，即根據上一節，正面25%重疊碰撞中的能量傳遞如式(2)所示，其頭兩項可表達為

而第3項為

式中:vx，vy分別為碰撞后車輛x和y方向的殘余速度；k1和k2分別為車輛前艙和乘員艙的縱向等效剛度；ΔS1為前艙吸能部件軸向變形量；ΔS2為乘員艙的軸向變形量[13]。

3.2 改進方案

通過提高汽車前艙的吸能能力和增強乘員艙的自身剛度這兩條途徑來減小碰撞過程中乘員艙的變形，提高車輛的碰撞安全性能。

(1)改進汽車前艙結構，提高前艙吸能能力。

根據上文可知，在初始動能不變的情況下，為減少乘員艙吸收的能量，必須增加汽車前艙吸收能量。

在碰撞重疊區域內新增吸能部件，由于上邊梁位于重疊區域內，現從上邊梁下端延伸出一條“新縱梁”與前縱梁并行，上端焊接在上邊梁下端，如圖12所示。“新縱梁”的材料屬性和前縱梁相同，并在新縱梁前端設置4個壓潰槽，引導潰縮吸能。因此把“新縱梁”作為車輛主要吸能部件，從而提高汽車前艙的吸能能力，“新縱梁”部件的三視圖如圖13所示。

圖12 改進后車身前端吸能結構

圖13 “新縱梁”部件三視圖

(2)增加橫向傳力通道，使一部分能量轉化為側向動能。

在新縱梁和前縱梁之間通過一連接板把兩者焊接起來，如圖14所示。這樣由于連接板的橫向傳力作用，使一部分碰撞力能傳遞到車身右側，轉化為車輛側向動能，減少了作用在乘員艙上的能量。

圖14 連接板

(3)增強乘員艙剛度，保證碰撞過程中乘員艙的穩定。

采用熱成型鋼材料替換A柱和門檻梁的原材料，材料改進前后的屈服強度如表2所示。A柱和門檻梁是構成乘員艙的保護屏障，提高A柱和門檻梁的屈服強度，可以增強乘員艙的剛度，構造一個安全籠式車廂“safety cage”，確保在碰撞過程中乘員艙的穩定性[13-14]。

表2 改進前后材料屈服強度對比 MPa

4 改進后車體結構的評估

4.1 改進后的車體變形

對比改進前后整車和吸能部件的變形情況可以看出，改進后該車的整車變形情況較改進前有所改善；門檻梁潰縮情況和A柱與車頂上邊梁的彎折與褶皺現象都有較明顯的減弱，如圖15(a)和圖15(b)所示；且該車的主要吸能部件，由延伸后的上邊梁、前縱梁和連接板所構成的環狀吸能結構出現了明顯的潰縮吸能現象，如圖15(c)所示；表明改進后車輛前艙吸能能力和乘員艙的穩定性都有較大程度的提高。

4.2 改進后車體結構的評估

利用Hyperview軟件對改進后的該車進行乘員艙侵入量測量，10處測量點的侵入量如圖16所示。

乘員艙下部的6處測量點的侵入量評估結果均為GOOD(優秀)，說明該車乘員艙下部整體評估結果為GOOD(優秀)；乘員艙上部的A柱上鉸鏈評估結果為GOOD(優秀)，轉向管柱、儀表板上部和左側儀表板的評估結果均為ACCEPTABLE(良好)，所以乘員艙上部整體評估結果為ACCEPTABLE(良好)，綜合乘員艙上下部評估結果得出改進后該車的車體結構評估結果為ACCEPTABLE(良好)，較改進前的評估結果提升了一個等級。

改進前后10處測量點的侵入量對比見表3。改進前評估結果為GOOD(優秀)的有4處；改進后評估結果為GOOD(優秀)的有7處，評估結果提高一個等級的有5處，提高兩個等級的有1處，持平的有4處。說明改進后，車輛在正面25%重疊碰撞測試中的侵入量明顯下降，保證了乘員的生存空間，車輛的結構耐撞性得到了明顯提高，對乘員的保護能力增強。

圖15 改進后變形情況

圖16 改進后測量點侵入量評估結果

表3 改進前后各測量點的侵入量對比

5 結論

闡述了車輛正面小重疊碰撞的研究意義和現狀，根據IIHS公布的正面25%重疊碰撞測試規程對某車型進行了仿真，并從結構設計和材料改進兩條途徑對該車進行重疊。重疊結果表明，該車車身結構的評估等級得到提升，證明重疊效果良好。現根據本文的研究內容得出以下結論。

(1)根據IIHS官方早期公布的測試評估數據顯示，車輛在正面25%重疊碰撞測試試驗的通過率遠低于其余兩種正面碰撞測試試驗[15]，說明大部分車輛的車身結構未能應對正面小重疊碰撞事故，如何合理布局車輛吸能部件，使車身結構能應對各類正面碰撞事故，將成為今后車身結構改進設計的重要依據。

(2)正面小重疊碰撞事故會產生強烈的側偏現象，容易使乘員頭部與車門及A和B柱發生碰撞，這對車輛安全氣囊的起爆時間和覆蓋范圍的要求更為嚴格。

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