兩車輛同向行駛時小角度碰撞的模擬研究

陳魯偉，郭世永，李宇吉

（266520 山東省 青島市 青島理工大學 機械與汽車工程學院）

0 引言

隨著汽車行業的迅猛發展，我國汽車保有量實現快速增長[1]。截至2020 年6 月，我國汽車保有量達到2.6 億輛[2]，并且我國以全世界3%的汽車保有量，達到了全世界交通死亡人數的16%，而全球每年有100 多萬人死于道路交通事故[3]。根據國外相關機構調查統計，在常見的汽車碰撞事故中，汽車正面碰撞事故約占碰撞事故總數的66.9%[4]，其中相當一部分是由車對車的碰撞所造成[5-6]。雖然汽車正面碰撞的比例占所有碰撞形式的大多數，但是車與車之間同向行駛時的小角度碰撞現象依然存在，而且這種碰撞對人身和車輛造成的損害甚至更大于正面碰撞。這種碰撞不同于車輛正面碰撞時直接引起的撞擊和駕駛員損傷，而是分為由碰撞角度造成的事故車的直接損害以及可能由碰撞所引起的事故車的前進方向發生偏轉，進而引發碰撞護欄、碰撞其他車輛等狀況，即引起二次碰撞的間接損害。進而造成對車輛、駕駛員更加嚴重的傷害。

關于汽車碰撞的研究方法很多，包括經驗法、實驗法和模擬仿真法。經驗法往往存在個人的主觀看法等缺陷以及花費高、實驗周期長等缺點[7]；模擬仿真法花費低廉，簡便易行，便于觀察，能縮短試驗周期。近年來，研究汽車碰撞的計算機仿真軟件的精確性、實用性、靈活性不斷提高，因此在汽車碰撞的實際研究中往往采取模擬仿真法。

在美國的碰撞安全法規中，不僅規定了正面100%碰撞，同時還規定了車輛以≥48 km/h 的速度縱向行駛時，撞到一個垂直于汽車行駛路線的剛性壁障，車輛的行駛路線與轉過30°的垂直壁障發生碰撞的汽車碰撞安全標準（適用于乘用車、多功能乘用車、卡車、客車）[8]。我國于2003 年制定的汽車安全碰撞法規中并沒有斜角30°碰撞只有0°正面碰撞（只適用于M1 類車輛）[9-10]，所以本次實驗碰撞工況并沒有在法規中具體規定，只能參考相關法規內容，合理規定實驗條件。

本次實驗的目是研究車輛同向行駛小角度碰撞時，碰撞角度的不同對車輛的造成的損傷及影響，期望給安全法規的完善提供參考。

1 汽車碰撞的研究步驟和方法

1.1 碰撞研究的步驟

在兩車同向小角度的汽車碰撞工況中，以一款SUV 車輛為撞擊車輛，同時假設將目標車輛簡化為剛性墻，這樣就把兩車輛同向行駛時的碰撞問題轉化為了車輛與剛性墻發生正面大角度碰撞的問題。若假設成立，在本車碰撞工況的研究中唯一變量則為剛性墻的轉角，其余條件保持不變。

在建模研究的過程中，首先需要在HyperMesh中對SUV 汽車模型進行網格劃分[11]和必要的幾何清理，這樣可以加快計算速度，提高工作效率；之后還需對劃分好的網格進行連接設置、材料屬性設置、初始速度設置以及載荷與約束條件的設置等；然后將劃分好網格的模型保存為K 文件。利用LSDYNA 對保存好的K 文件進行仿真碰撞計算；最后運用HyperView 等軟件對得到的碰撞云圖、動圖等進行數據分析、歸納總結等后處理，根據后處理結果得出實驗結論和相應的觀點和建議。

1.2 研究方法和理論依據

1.2.1 研究方法

因為在進行的研究中，SUV 車輛行駛的初速度保持不變，需要不斷改變SUV 初速度方向與剛性墻的夾角，因此在模擬研究中可以采用控制變量法：不斷改變唯一變量（SUV 初速度方向與剛性墻的夾角，夾角分別10°，20°，30°），其余條件不變，最后通過對比試驗數據得出結論。

1.2.2 理論依據

在有限元模型中，每個節點位置和時間關系表示為

在t0時刻初始位置為

每個節點和整體都滿足動量守恒、能量守恒和質量守恒定律：

其中牽引力邊界條件如下：

位移邊界條件如下：

接觸內邊界條件如下：

式（1）—式（7）中：xi（i=1，2，3，…，a）——i 節點的位移；x'——i 節點的速度=vi（i=1，2，3，…，a）。

通過將以上邊界條件代入各節點進行運算可以得到每一個節點的運動規律和能量變化規律與整個結構碰撞響應的特征關系[12]。

2 有限元模型的建立和參數設置

2.1 模型的網格劃分

在構建車輛碰撞模型的過程中，因整車零件過多且一部分零件對仿真結果幾乎沒有影響，所以在構建整車仿真模型時，可以對這部分零件進行簡化或者刪減處理，然后在處理后的整車模型中進行幾何清理等優化措施。而對于汽車碰撞過程中形變較大的部件，則需要對其進行網格細化以提高計算速度。在網格劃分過程中，在SUV 這款車型中幾乎不變形的結構以及一些無法抽中面的物件采用實體單元劃分，對于車內乘員、車內座椅、中控臺和內飾等采用質量塊代替并賦予相應質量，以提高計算速度。其余物件只需采用抽中面的方法進行2D 網格劃分，網格大小大部分為15 mm。進行網格質量檢查后，得到符合要求的SUV 的網格模型，包括472 423 個2D 網格和799 個3D 網格。最后完成的網格模型如圖1 所示。

圖1 SUV 的網格劃分Fig.1 Grid division of SUV

2.2 連接設置以及速度設置

在HyperMesh 中，在車體的框架之間采用spotweld 焊點連接來模擬實際中的焊縫，而在連接玻璃與車身框架之間時，可采用rigid 共節點連接模擬可變形體之間的連接關系。同時，連接時注意在同一個節點處不能同時定義兩種連接方式，否則計算過程中會報錯，影響實驗進程。

關于速度設置，根據美國NHTSA 正面全寬碰撞的相關標準，碰撞車輛的速度需≥48 km/h。因此可賦予整車沿X 軸正向速度：70 km/h，即19 444.4 mm/s，使其以19 444.4 mm/s 的速度撞向與汽車行駛方向成夾角的剛性墻，如圖2 所示（夾角α分別為10°，20°，30°）。對模型施加向下的重力加速度，重力常數為9 807 mm/s2。

圖2 車輛行駛方向與剛性墻的夾角Fig.2 Angle between vehicle driving direction and rigid wall

2.3 控制卡片設置

除了以上參數設置外，還需要進行控制卡片設置，避免計算時出現錯誤。主要進行的設置卡片有CONTROL_TERMINATION（計算時間長度控制）、CONTROL_TIMESTEP（計算步長設置），其余的控制卡片設置只需保持默認值即可。其中計算時長設置為0.20 s，計算步長為1.52×10-6s。

3 仿真結果分析

在這組控制變量實驗的3 個仿真過程中，為了觀察到明顯的形變，從實驗中選取車輛行駛方向與剛性墻夾角為30°的碰撞過程，觀察其碰撞云圖。從中取3 個代表性時刻的仿真圖：車輛與剛性墻剛接觸的時刻、車輛剛離開剛性墻時刻以及車輛碰撞完成時刻。由圖3 可知，在0～0.015 s 時，汽車正常行駛，直到在0.015 s 時車輛與剛性墻發生碰撞；0.015～0.155 s 是車輛與剛性墻發生碰撞的過程；0.155～0.200 s 汽車已經與剛性墻無接觸，直到仿真結束。在這種碰撞角度的碰撞過程中，車輛碰撞剛性墻的一側的汽車前端發生了明顯形變，且碰撞側的汽車門窗產生了一定的位移，車頂部分由于碰撞向下凹陷一部分，前側車輪發生明顯形變，以至于到碰撞結束前，車輪角度還沒有恢復原樣。

圖3 碰撞夾角為30°的碰撞工況中的重要時刻Fig.3 Important moment in collision working condition with an collision angle of 30°

同時，我們還能觀察到汽車的保險杠、吸能盒、水箱、前縱梁等吸能裝置只是在橫向上的偏移量較大，而在縱向上卻幾乎沒有形變量，借此可推導出上述吸能部位的吸能效果未能充分發揮的結論。這種情況也可能導致碰撞后的汽車存著比較可觀的動能，進而引起二次碰撞傷害。希望在汽車研發的過程中可以在汽車前端添加橫向吸能裝置，以及在車輛前輪轉向系受到破壞后能自動鎖死汽車前輪的裝置，來降低車輛發生碰撞后存在的動能，達到降低車輛及乘員受到二次碰撞傷害的可能性。

4 曲線分析

4.1 能量轉換分析

在碰撞數據中，能量轉換是需要首先關注的問題。車輛碰撞過程中能量的變化主要是動能轉換成內能，依舊符合能量守恒原理，所以在碰撞過程中總能量基本保持不變。從圖4—圖6 中發現，該車碰撞工況中的能量變化確實是動能變成內能。

圖4 碰撞夾角為10°時的能量變化Fig.4 Energy change when collision angle is 10°

圖5 碰撞夾角為20°時的能量變化Fig.5 Energy change when collision angle is 20°

圖6 碰撞夾角為30°時的能量變化Fig.6 Energy change when collision angle is 30°

在能量轉換變化曲線中，從hourglass energy（沙漏能）、internal energy（內能）、kinetic energy（動能）、total energy（總能量）4 條能量曲線就能很好地觀察到碰撞模型的能量轉換。運用LS-DYNA 觀察碰撞過程中的能量變換時，首先采用60 Hz 的濾波通道對其進行濾波處理，這樣就可以觀察到更加平滑的能量轉換曲線。

這組實驗中，汽車初始速度保持70 km/h 不變，唯一變量是剛性墻的傾斜角度（10°，20°，30°）。從圖4—圖6 明顯可見：（1）伴隨著汽車碰撞的進行，動能不斷減少，內能反而不斷增加；（2）碰撞過程中，能量的總量（即動能與內能之和）基本不變（符合能量守恒原理）；（3）車輛正面100%全寬碰撞過程中，最終動能基本上都轉換成了內能，即使動能還有所剩余，所占比重也很小。由圖4—圖6 可知，在車輛與剛性墻成小角度碰撞過程中，雖然依然存在動能減少、內能增加現象，但在碰撞結束后，動能并未完全轉化成內能，且動能所占比重隨車輛與剛性墻夾角的增大而減小。

由上述結果（3）容易推導出，SUV 與剛性墻發生小角度碰撞后，依舊存在較可觀的動能。若SUV 與剛性墻碰撞后的行駛路線上存在護欄、其余車輛等障礙物，碰撞車輛發生二次碰撞，進而發生加深對車輛以及乘員傷害情況的可能性比較大。

4.2 A、B 柱的安全分析

車輛碰撞過程中，A 柱與B 柱之間距離的變化會影響駕駛員的安全空間，若A、B 柱之間的距離過小，會損害駕駛員及乘員的生存空間，進而造成損害。角度為30°的碰撞工況結束后，A、B 柱間的距離可判斷駕駛員及乘員生存空間的變化。

由圖7（a）可見，直到碰撞結束時刻A 柱與B 柱基本沒有形變，即駕駛員生存空間在碰撞過程中沒有受到威脅。上述結論需要準確的數據支撐，因此分別在圖7（a）中A 柱與B 柱上各取一點，并以碰撞結束時刻兩者之間距離為基準，求兩者之間的增量距離曲線，得到曲線如圖7（b）所示。觀察到兩者之間的最大增量距離d=13.77 mm。增量距離d 很小。數據進一步驗證了這種碰撞工況對駕駛員生存空間的改變微乎其微。

圖7 碰撞車輛A、B 柱安全分析Fig.7 Safety analysis of columns A and B of colliding vehicles

4.3 車輛兩前輪之間的距離分析

因為在仿真過程中忽略了駕駛員對轉向系的影響，所以可通過觀察SUV 兩前輪在碰撞中的距離變化分析車輛轉向系是否受到破壞。在圖8所示的兩前車輪的外側中心分別取一個點，通過HyperView 測量2 個節點間的距離，以這2 個點在碰撞過程中的距離變化代表兩前車輪間的距離變化。

圖8 兩前輪之間距離的取點Fig.8 Distance between two front wheels

從HyperGrash 中的具體數據結合圖9 得到：（1）兩輪之間初始距離為1 579.72 mm。（2）夾角為30°時，在0.07 s 時兩輪之間最小距離約為1 440.74 mm；夾角為20°時，在0.085 s 時兩前輪之間最小距離約為1 438.91 mm；夾角為10°時，在0.10 s 時兩前輪之間最小距離約為1 498.24 mm。（3）仿真結束時兩輪之間的距離在碰撞車輛與剛性墻的夾角分別為10°、20°以及30°轉角時分別為1 508.14，1 456.38，1 455.61 mm。由圖9 可知，隨著碰撞車輛與剛性墻夾角的變小，兩前輪之間最小距離不斷變大，且最小距離時間點出現得越晚；隨著與剛性墻夾角的變小，碰撞結束時，兩前輪之間的距離不斷變大但是依舊小于初始距離；從碰撞結束后兩前輪之間的距離可以看出，在20°和30°碰撞夾角時轉向系受損情況差不多，相較于前兩者，10°碰撞夾角時轉向系受損較輕。

圖9 碰撞夾角分別為10°、20°、30°時兩前輪之間的距離Fig.9 Distance between two front wheels when collision angle is 10°,20°and 30°r espectively

這3 種碰撞工況中，兩前輪距離最近點到碰撞結束兩輪之間距離在波動中逐漸拉遠。這是由于碰撞過程中，連接兩前輪之間的軸不僅發生彈性形變還發生塑性形變。兩前輪之間距離在最小點之后逐漸變大就是軸的彈性形變恢復原狀造成的。但直到碰撞結束，兩輪之間的距離依舊縮進了一些，這是兩前輪之間的軸發生塑性形變造成的。從圖8 可見，即使碰撞結束了，前輪的轉角還是沒恢復。這就從另一方面解釋了汽車發生這種碰撞之后發生二次碰撞的可能性，即前輪轉角在碰撞后并沒有恢復且轉向系受到一定破環，不利于汽車轉向，從而導致汽車無法有效規避障礙物，進而造成對汽車和乘員的二次傷害。

5 結論

（1）當車輛以一定的速度撞擊剛性墻時，隨著車輛與剛性墻夾角α的變小，車輛直接受到的損傷程度不斷減小，汽車前端的吸能裝置（如保險杠，吸能盒等）變形不充分。同時，前縱梁在車輛縱向上的形變可忽略不計，只在橫向上發生偏轉，使得在碰撞結束后車輛依舊會保持較大內能。

（2）在車輛與剛性墻成小角度碰撞過程中，汽車前端直接受損，通過云圖觀察最為明顯，尤其是兩前輪之間的距離。由兩前輪間距離變化曲線可知，兩車同向行駛時，碰撞夾角為20°、30°的碰撞工況下，到碰撞結束，兩輪之間的距離大約縮小了124.11 mm，并且發生碰撞后前輪轉過一定的角度，同時轉向系遭到破壞。結合結論（1）得出：在兩車輛同向行駛小角度碰撞工況中，極易發生二次碰撞，加深對車和人的損害。

（3）此碰撞工況下，汽車A、B 柱之間距離的變化很微小，對駕駛員影響可忽略不計。

（4）本研究存在一定的局限：①剛性墻被撞擊時，不會和實際情況下碰撞車輛發生變形、位移等。希望在以后的研究中撞擊車輛和被撞車輛都使用汽車模型；②車輛碰撞的實際過程中，司機一定會有相應的自救措施，如快速進行制動、轉向等操作，本實驗未顧及此類復雜工況。