基于C-IASI規(guī)程下臺(tái)車(chē)側(cè)面碰撞模擬試驗(yàn)方法研究

陳湯培，王增山，商恩義，張毅，李月明

(浙江吉利汽車(chē)研究院有限公司，浙江杭州 311228)

0 引言

目前側(cè)面碰撞試驗(yàn)方法包括強(qiáng)制性法規(guī)(GB20071、ECE R95)、新車(chē)評(píng)價(jià)規(guī)程(C-NCAP、Euro NCAP)、保險(xiǎn)協(xié)會(huì)汽車(chē)安全指數(shù)( C-IASI、IIHS)[1]等。為節(jié)約開(kāi)發(fā)成本、縮短開(kāi)發(fā)周期，車(chē)輛側(cè)面碰撞安全性能開(kāi)發(fā)一般會(huì)采用側(cè)面碰撞模擬試驗(yàn)方法。主流的側(cè)面碰撞模擬試驗(yàn)方法分以下幾種，采用減速臺(tái)車(chē)或加速臺(tái)車(chē)控制車(chē)門(mén)加速度波形，實(shí)現(xiàn)側(cè)面碰撞模擬試驗(yàn)，該方法也是行業(yè)內(nèi)普遍采用的試驗(yàn)方法；采用沖撞式臺(tái)車(chē)原理(子彈車(chē)-目標(biāo)車(chē))，在臺(tái)車(chē)上安裝實(shí)際蜂窩鋁壁障去碰撞配重后的白車(chē)身，還原真實(shí)的車(chē)輛側(cè)面碰撞過(guò)程；采用主動(dòng)侵入式側(cè)碰模擬系統(tǒng)(例如DSD側(cè)碰系統(tǒng))，車(chē)門(mén)波形及座椅波形控制同時(shí)采用伺服控制系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)分段控制車(chē)門(mén)與座椅、假人的相對(duì)運(yùn)動(dòng)過(guò)程。

傳統(tǒng)加速臺(tái)車(chē)側(cè)碰模擬試驗(yàn)，主臺(tái)車(chē)波形一般直接采用車(chē)門(mén)內(nèi)鈑金對(duì)應(yīng)位置加速度曲線。不采用副臺(tái)車(chē)，即車(chē)門(mén)與座椅整體安裝在主臺(tái)車(chē)上，兩者相對(duì)無(wú)侵入；

或者采用副臺(tái)車(chē)，車(chē)門(mén)整體安裝在主臺(tái)車(chē)上，座椅及假人安裝在副臺(tái)車(chē)上，采取摩擦方式或其他制動(dòng)系統(tǒng)控制其波形，實(shí)現(xiàn)車(chē)門(mén)相對(duì)座椅及假人的侵入過(guò)程。主臺(tái)車(chē)波形曲線容易通過(guò)臺(tái)車(chē)伺服系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)，但副臺(tái)車(chē)的波形控制存在兩個(gè)難點(diǎn)，首先副臺(tái)車(chē)波形控制的穩(wěn)定性，對(duì)于側(cè)碰模擬試驗(yàn)，副臺(tái)車(chē)波形如果不能保持穩(wěn)定，影響臺(tái)車(chē)試驗(yàn)結(jié)果的復(fù)現(xiàn)性。例如摩擦制動(dòng)系統(tǒng)，摩擦因數(shù)的變化，那么其結(jié)果對(duì)假人傷害開(kāi)發(fā)存在較大影響；其次副臺(tái)車(chē)波形標(biāo)定難度，傳統(tǒng)方法沒(méi)有目標(biāo)參數(shù)，只能通過(guò)經(jīng)驗(yàn)不斷地調(diào)整制動(dòng)參數(shù)及假人與車(chē)門(mén)間隙等手段，需使用真實(shí)側(cè)碰假人，與整車(chē)結(jié)果進(jìn)行多次對(duì)標(biāo)，來(lái)確定相關(guān)控制參數(shù)，但該方法較為費(fèi)時(shí)費(fèi)力，效率低下。

因此，本文作者采用帶有副臺(tái)車(chē)的加速臺(tái)車(chē)設(shè)備，通過(guò)研究車(chē)輛非被撞側(cè)B柱Y方向加速度波形曲線， 使用蜂窩鋁調(diào)試復(fù)現(xiàn)出副臺(tái)車(chē)目標(biāo)加速度來(lái)實(shí)現(xiàn)C-IASI規(guī)程下側(cè)面碰撞臺(tái)車(chē)模擬試驗(yàn)方法。

1 使用非被撞側(cè)B柱加速度波形實(shí)現(xiàn)側(cè)碰模擬可行性研究

針對(duì)C-IASI試驗(yàn)規(guī)程中的側(cè)面碰撞試驗(yàn)，試驗(yàn)室使用帶有副臺(tái)車(chē)的加速臺(tái)車(chē)設(shè)備，其中主臺(tái)車(chē)采用整車(chē)試驗(yàn)假人胸部中間肋骨位置對(duì)應(yīng)車(chē)門(mén)內(nèi)鈑金Y方向加速度波形，副臺(tái)采用車(chē)輛非被撞側(cè)B柱Y方向加速度波形。因蜂窩鋁在屈服階段動(dòng)態(tài)壓縮力較為穩(wěn)定，通過(guò)控制尺寸，副臺(tái)車(chē)容易標(biāo)定出目標(biāo)波形曲線。

1.1 非碰撞側(cè)B柱加速度曲線提出

在某次側(cè)碰試驗(yàn)中，碰撞側(cè)座椅下方車(chē)身參考位置及車(chē)輛非被撞側(cè)B柱位置均安裝加速度傳感器，傳感器安裝為Y方向。通過(guò)對(duì)比兩條曲線，如圖1(a)所示，曲線形態(tài)比較接近，但座椅下方的加速度傳感器距離車(chē)門(mén)被撞位置較近，易受到干擾(主要由于地板的彈性變形)，造成曲線波動(dòng)幅度較大。將加速度曲線積分后，如圖1(b)所示，兩個(gè)位置速度基本一致。

圖1 座椅下方車(chē)身參考位置及非被撞側(cè)B柱位置Y方向曲線對(duì)比

統(tǒng)計(jì)多個(gè)車(chē)型的中保研側(cè)面碰撞測(cè)試，使用三坐標(biāo)測(cè)量碰撞側(cè)座椅下方的車(chē)身參考點(diǎn)位置試驗(yàn)前后的坐標(biāo)，見(jiàn)表1，Y方向坐標(biāo)試驗(yàn)前后變化差異較小，因此將座椅下方鈑金位置至車(chē)輛非被撞側(cè)所有區(qū)域可視作未變形的整體，非碰撞側(cè)B柱Y方向加速度曲線可以代替座椅位置加速度，用于側(cè)面臺(tái)車(chē)模擬試驗(yàn)。

表1 側(cè)碰側(cè)座椅下方車(chē)身參考點(diǎn)變形情況匯總 mm

1.2 C-IASI側(cè)碰非被撞側(cè)B柱加速度波形研究

通過(guò)研究大量C-IASI側(cè)面碰撞試驗(yàn)，發(fā)現(xiàn)以下兩個(gè)現(xiàn)象：

(1)車(chē)輛在碰撞過(guò)程中車(chē)輛非被撞側(cè)B柱基本不存在變形情況，不同類(lèi)型車(chē)輛之間的非被撞側(cè)B柱Y方向加速度波形曲線具有相似的形態(tài)，圖2為3種典型車(chē)型C-IASI非被撞側(cè)B柱加速度曲線。

(2)盡管曲線形態(tài)波動(dòng)較為復(fù)雜，但經(jīng)過(guò)較低頻率等級(jí)的濾波后發(fā)現(xiàn)其可以分為較為明顯的梯形波特征(圖 3中曲線 CFC40和 CFC20)[2]。

圖2 不同車(chē)型非被撞側(cè)B柱Y方向加速度曲線

圖3 不同濾波等級(jí)下曲線對(duì)比

而蜂窩鋁在受動(dòng)態(tài)沖擊力時(shí)，體現(xiàn)出三階段，即彈性變形階段、穩(wěn)定屈服階段、致密化階段。在穩(wěn)定屈服階段具有較為穩(wěn)定的動(dòng)態(tài)壓縮力[3]，因此，利用蜂窩鋁該特性，合理控制蜂窩鋁尺寸，很容易復(fù)現(xiàn)出梯形曲線。

1.3 仿真模型建立

建立加速臺(tái)車(chē)側(cè)碰模擬仿真模型，確定主臺(tái)車(chē)、副臺(tái)車(chē)分別采用車(chē)輛對(duì)應(yīng)位置加速度曲線實(shí)現(xiàn)臺(tái)車(chē)側(cè)碰模擬的可行性。該模型包含4個(gè)子系統(tǒng)：加速臺(tái)車(chē)側(cè)碰系統(tǒng)(主臺(tái)車(chē))、車(chē)門(mén)總成(包括內(nèi)飾)、座椅及SID IIs假人，其中加速臺(tái)車(chē)側(cè)碰系統(tǒng)和車(chē)門(mén)總成作為主臺(tái)車(chē)，輸入曲線為整車(chē)碰撞假人胸部中間肋骨位置對(duì)應(yīng)車(chē)門(mén)內(nèi)鈑金Y方向加速度波形，座椅及SID IIs假人安裝在副臺(tái)車(chē)上，輸入波形為非被撞側(cè)B柱Y方向加速度波形。在建立模型時(shí)，座椅、車(chē)門(mén)、假人等相對(duì)位置嚴(yán)格參照整車(chē)位置。

1.4 仿真結(jié)果

通過(guò)對(duì)比仿真結(jié)果動(dòng)畫(huà)對(duì)比，從碰撞開(kāi)始，由于主臺(tái)車(chē)和副臺(tái)車(chē)存在相對(duì)速度，車(chē)門(mén)相對(duì)座椅運(yùn)動(dòng)，模擬車(chē)門(mén)侵入過(guò)程，然后側(cè)氣囊展開(kāi)，假人、座椅、氣囊、車(chē)門(mén)相互作用。在假人傷害值到達(dá)峰值(38 ms)這段時(shí)間，臺(tái)車(chē)動(dòng)畫(huà)中的假人、內(nèi)飾和SAB的姿態(tài)基本與整車(chē)模型一致，如圖4所示。

圖4 38 ms時(shí)假人姿態(tài)對(duì)比

輸出整車(chē)及臺(tái)車(chē)CAE數(shù)據(jù)結(jié)果，通過(guò)對(duì)比，如圖5所示，假人軀干傷害(假人肩部數(shù)據(jù)、胸部肋骨、腹部肋骨等)數(shù)據(jù)與整車(chē)結(jié)果符合性較高。因此得出結(jié)論，利用加速臺(tái)車(chē)側(cè)碰模擬系統(tǒng)，通過(guò)輸入車(chē)身對(duì)應(yīng)位置加速度目標(biāo)曲線，可以較好地復(fù)現(xiàn)C-IASI實(shí)車(chē)側(cè)面碰撞中假人傷害值。

圖5 CAE假人傷害值數(shù)據(jù)對(duì)比

2 臺(tái)車(chē)-整車(chē)側(cè)碰模擬試驗(yàn)結(jié)果對(duì)標(biāo)

2.1 側(cè)面模擬試驗(yàn)系統(tǒng)搭建

如圖6所示，灰色的側(cè)碰臺(tái)架安裝在主臺(tái)車(chē)臺(tái)面上，車(chē)門(mén)通過(guò)焊接等方式固定在側(cè)碰臺(tái)架前端3根橫梁上，車(chē)門(mén)安裝完整的內(nèi)飾件。主臺(tái)車(chē)、側(cè)碰系統(tǒng)、車(chē)門(mén)(包含內(nèi)飾)作為一個(gè)整體，受主臺(tái)車(chē)波形控制。座椅、SID IIs假人、腳踏板安裝在副臺(tái)車(chē)承載面上，在側(cè)碰系統(tǒng)上有兩條直線滑軌，副臺(tái)車(chē)可在滑軌上滑動(dòng)。副臺(tái)車(chē)在滑軌上位置需滿足整車(chē)中車(chē)門(mén)與座椅相對(duì)位置要求。

圖6 側(cè)碰模擬試驗(yàn)臺(tái)架搭建

在側(cè)碰系統(tǒng)和副臺(tái)車(chē)之間，安裝組合蜂窩鋁塊，蜂窩鋁前端用螺栓安裝固定在主臺(tái)車(chē)上，后端頂住副臺(tái)車(chē)，兩者之間需保證沒(méi)有間隙，如圖7所示。如果蜂窩鋁和副臺(tái)車(chē)存在間隙，副臺(tái)車(chē)在運(yùn)動(dòng)過(guò)程中，當(dāng)其接觸到蜂窩鋁瞬間，有較大的沖擊力，而且沖擊力不穩(wěn)定，影響試驗(yàn)結(jié)果的復(fù)現(xiàn)性。主臺(tái)車(chē)在加速運(yùn)動(dòng)過(guò)程中，利用蜂窩鋁在穩(wěn)定屈服階段動(dòng)態(tài)壓縮特性，可對(duì)副臺(tái)車(chē)提供較為恒定推力，復(fù)現(xiàn)車(chē)輛非被撞側(cè)B柱Y方向梯形波加速度曲線。

圖7 蜂窩鋁組合

臺(tái)車(chē)輸入?yún)?shù)設(shè)置：

(1)主臺(tái)車(chē)波形采用整車(chē)試驗(yàn)中被撞側(cè)門(mén)內(nèi)鈑金與假人胸部肋骨對(duì)應(yīng)位置的Y方向加速度曲線，波等級(jí)采用CFC20(座椅、氣囊、吸能結(jié)構(gòu)本身可作為濾波器，因此降低濾波等級(jí)對(duì)試驗(yàn)結(jié)果影響較小)，復(fù)現(xiàn)結(jié)果如圖8所示，濾波等級(jí)降低造成0時(shí)刻的差異，但該臺(tái)車(chē)系統(tǒng)可以滿足全過(guò)程的波形輸出，無(wú)需對(duì)0時(shí)刻進(jìn)行調(diào)整。

圖8 主臺(tái)車(chē)加速度曲線復(fù)現(xiàn)結(jié)果

(2)副臺(tái)車(chē)采用非被撞側(cè)B柱加速度曲線(濾波等級(jí)CFC60)，復(fù)現(xiàn)結(jié)果如圖9所示，加速度曲線及其積分曲線與目標(biāo)值接近，說(shuō)明通過(guò)蜂窩鋁組合調(diào)試，可以復(fù)現(xiàn)座椅運(yùn)動(dòng)狀態(tài)和整車(chē)一致。

圖9 副臺(tái)車(chē)曲線復(fù)現(xiàn)結(jié)果

(3)側(cè)面氣囊點(diǎn)火時(shí)刻：為模擬真實(shí)的整車(chē)碰撞過(guò)程，側(cè)面氣囊點(diǎn)火時(shí)刻應(yīng)與整車(chē)側(cè)面碰撞試驗(yàn)相同，為4.5 ms，點(diǎn)火曲線如圖10所示。

圖10 側(cè)面氣囊點(diǎn)火曲線

2.2 驗(yàn)證結(jié)果

側(cè)碰模擬臺(tái)架搭建完成后，應(yīng)作為車(chē)輛側(cè)面碰撞安全帶開(kāi)發(fā)基礎(chǔ)對(duì)標(biāo)試驗(yàn)。為確保側(cè)碰試驗(yàn)臺(tái)架搭建的準(zhǔn)確性，在副臺(tái)車(chē)波形標(biāo)定結(jié)束后，需擺放真實(shí)的SID IIs假人，座椅位置設(shè)置及假人定位同整車(chē)一致，通過(guò)側(cè)面臺(tái)車(chē)模擬進(jìn)行試驗(yàn)驗(yàn)證，將試驗(yàn)結(jié)果與整車(chē)結(jié)果對(duì)比。

通過(guò)對(duì)比SID IIs假人傷害值，見(jiàn)表2。假人的肩部力，胸部肋骨變形量傷害值數(shù)據(jù)與整車(chē)差異較小，小于10%。假人肩部變形量、腹部肋骨下變形量與整車(chē)差異分別為13.3%，13.5%。

表2 假人傷害值對(duì)標(biāo)結(jié)果

對(duì)比假人傷害值曲線，通過(guò)對(duì)比曲線趨勢(shì)、峰值及其對(duì)應(yīng)時(shí)刻，可以判定假人運(yùn)動(dòng)姿態(tài)及碰撞過(guò)程是否與整車(chē)一致，滑臺(tái)模擬是否可以復(fù)現(xiàn)出整車(chē)結(jié)果。如圖11和圖12所示， SID IIs假人肩部力、肩部變形量、肋骨變形量(胸、腹)曲線形態(tài)基本一致，包括假人傷害值峰值發(fā)生的時(shí)刻、變化趨勢(shì)基本對(duì)應(yīng)。

圖11 臺(tái)車(chē)-實(shí)車(chē)假人傷害值數(shù)據(jù)對(duì)比(一)

圖12 臺(tái)車(chē)-實(shí)車(chē)假人傷害值數(shù)據(jù)對(duì)比(二)

通過(guò)對(duì)比假人傷害值及傷害曲線，傷害值結(jié)果基本接近整車(chē)90%，傷害值曲線趨勢(shì)、峰值對(duì)應(yīng)時(shí)刻與整車(chē)對(duì)應(yīng)。而且主臺(tái)車(chē)及副臺(tái)車(chē)波形通過(guò)標(biāo)定后，僅一次與整車(chē)對(duì)標(biāo)試驗(yàn)(擺放真實(shí)假人)，就滿足臺(tái)車(chē)側(cè)碰模擬與整車(chē)側(cè)面碰撞結(jié)果數(shù)據(jù)對(duì)標(biāo)要求，說(shuō)明該方法可行，且可以節(jié)約大量臺(tái)架試驗(yàn)對(duì)標(biāo)過(guò)程，效率較高。

3 結(jié)束語(yǔ)

文中通過(guò)調(diào)研行業(yè)內(nèi)各種側(cè)碰模擬試驗(yàn)方法，通過(guò)研究C-IASI側(cè)碰試驗(yàn)標(biāo)準(zhǔn)下車(chē)輛非被撞側(cè)B柱Y方向加速度曲線形態(tài)及蜂窩鋁動(dòng)態(tài)壓縮特性，結(jié)合試驗(yàn)室現(xiàn)有條件，提出通過(guò)使用帶有副臺(tái)車(chē)的加速臺(tái)車(chē)系統(tǒng)，在主臺(tái)車(chē)及副臺(tái)車(chē)上，分別復(fù)現(xiàn)整車(chē)對(duì)應(yīng)位置加速度波形曲線，進(jìn)行C-IASI臺(tái)車(chē)側(cè)面碰撞模擬試驗(yàn)方法的研究。研究結(jié)果表明，采用該方法搭建的側(cè)碰臺(tái)車(chē)系統(tǒng)，可以高效地復(fù)現(xiàn)整車(chē)C-IASI側(cè)面碰撞假人傷害結(jié)果，可以支持側(cè)面安全性能開(kāi)發(fā)工作。