基于簡化力學模型的整車碰撞乘員安全研究

夏明輝，徐作文

（中汽研汽車檢驗中心（常州）有限公司，江蘇 常州 213166）

1 研究背景

隨著汽車工業的高速發展和人們生活水平的日益提高，愈來愈多的汽車走向千家萬戶，汽車的安全性能越來越受到消費者重視。整車被動安全性能開發往往是各大主機廠整車性能的核心內容，如何造就更安全、更環保、更節能的好車，從被動安全角度來說，重點在于如何提高對車內乘員的保護能力。本文基于一種簡化的乘員與車的運動力學模型，根據運動學力學特性，從整車車身結構性能參數及約束系統匹配特性角度闡述乘員胸部加速度傷害值影響因素，為整車被動安全性能開發提供參考依據。

2 正面碰撞簡化力學運動模型描述

汽車正面碰撞是一個復雜的非線性、大轉動、大變形過程，涉及汽車和乘員的加速度、速度、位移和碰撞力等動態響應以及能量密度、塑性變形和結構剛度等物理概念。這些物理概念之間的相互關系構成的各種正面碰撞動力學模型被廣泛應用于汽車被動安全性能分析領域[1-3]。車體B 柱底部加速度波形或整車最大動態壓縮量是整車被動安全開發中一項重要的評價指標，決定約束系統匹配難度，直接反映乘員人體胸部加速度，決定乘員自身的傷害值大小。因此建立一種簡易的乘員與車物理運動力學模型，研究車體與乘員之間的運動力學關系，為整車車身耐撞性結構研究及約束系統匹配開發提供重要的指導作用。

在初始碰撞動能和整車最大動態壓縮量一定的條件下，矩形加速度波形是對乘員保護最有利的一種碰撞波形形式，它代表了一種均勻的能量釋放和吸收過程，避免加速度峰值過于集中。而在實際碰撞過程中，由于車體結構縱向剛度變化幅度較大，產生的碰撞力是一個波動過程，因此碰撞加速度曲線也不可能是一個理想的矩形，但是將車體加速度波形近似擬合為等效加速度矩形方波ESW 具有實際工程分析意義。等效矩形方波ESW 水平越低，乘員胸部最大加速度響應就可能越低，因此車體耐撞性設計應當追求盡可能低的等效矩形方波[4]。等效加速度方波ESW 曲線如圖1 所示，以時間軸或位移軸確定的整車碰撞加速度曲線擬合為等效加速度矩形方波。整車碰撞動態壓縮量曲線如圖2 所示，反映出車身壓縮過程中位移與時間的關系。

圖1 等效加速度矩形方波ESW 曲線

圖2 整車碰撞動態壓縮量曲線

簡化乘員與車體力學運動模型如圖3 所示，將乘員約束系統和碰撞車進行簡化處理，分析車體運動與乘員人體運動關系。其中Mv為整車車輛質量，M0為車內乘員質量，xv為車輛碰撞變形量，x0為車內乘員運動位移量，F為車輛所受的碰撞接觸力，K為約束系統匹配剛度，δ為乘員與約束系統之間的間隙量。

圖3 簡化乘員與車體力學運動模型

對于簡化乘員與車體力學運動耦合模型其他參數定義如下：x0為車內乘員運動位移量，xv為車輛碰撞變形量，x˙0為乘員運動速度，x˙v為車體運動速度，x0˙˙為乘員胸部絕對加速度，xv˙˙ 為車體減速度，˙x˙0/v為乘員相對于車體加速度，c為車體最大動態壓縮量，t為碰撞時間歷程，t*為乘員與約束系統接觸時間歷程，ω為約束系統角速度頻率，v0為車輛碰撞初始速度，K為約束系統匹配剛度，κ為胸部加速度變化/乘員與車相對位移變化，aESW為整車加速度波形加速度。

車輛運動方程：

乘員運動方程：

其中：

目標設定一如下。

整車碰撞初始條件：整車質量Mv=1 368 kg，整車始碰撞速度v0=50 km/h。

整結構最大動態壓縮量分解目標：整車結構，c=500 mm。

約束系統匹配性能目標：約束系統，約束系統剛度K=0.2 g/mm，約束系統匹配間隙δ=20 mm。

人體胸部加速度最大值42.97g，不滿足設計要求。

目標設定二如下。

整車碰撞初始條件：整車質量Mv=1 368 kg，整車初始碰撞速度v0=50 km/h。

整車結構最大動態壓縮量分解目標：整車結構，c=500 mm。

約束系統匹配性能目標：約束系統，約束系統剛度K=0.08 g/mm，約束系統匹配間隙δ=10 mm。

人體胸部加速度最大值40.0g，滿足設計要求。

目標設定三如下。

整車碰撞初始條件：整車質量Mv=1 368 kg，整車初始碰撞速度v0=50 km/h。

整車結構最大動態壓縮量分解目標：整車結構，c=540 mm。

約束系統匹配性能目標：約束系統，約束系統剛度K=0.2 g/mm，約束系統匹配間隙δ=20 mm。

人體胸部加速度最大值40.0g，滿足設計要求。

約束系統匹配剛度需要足夠小，并且約束系統間隙需要足夠小，才能改善乘員胸部加速度值。滿足這種特性則需要安全帶、汽車座椅等自身性能參數以及零部件之間的系統匹配特性決定，約束系統匹配剛度愈小，約束系統匹配間隙愈小，則約束系統吸收能量愈好，愈能減少乘員沖擊和乘員胸部加速度。并且由車身結構決定的加速度特性及整車碰撞最大動態壓縮量參數能充分反映車體的降乘效應（“ridе-dоwn”效應），若車體降乘效應愈好，則車體結構對能量吸收愈明顯，傳遞至乘員的能量就會相應地減少，反映至乘員胸部加速度則愈低[5-7]。

乘員響應取決于2 個因素：整車加速度波形ESW和乘員約束系統匹配。約束系統自身的剛度及約束系統間隙因素的存在，使得約束系統匹配有自身的限制。假使乘員胸部加速度設定不超過40g，整車加速度波形加速度aESW必須小于20g，否則約束系統很難匹配滿足乘員胸部加速度目標要求。按照整車加速度波形加速度aESW必須小于20g要求，按照C-NCAP 標準100%剛性墻正面碰撞工況要求，由公式可以推算出整車最大動態壓縮量c必須大于492 mm。這里的最大動態壓縮量c＞492 mm 是基于理論范圍的理想結果，實際的整車碰撞要想達到胸部加速度G≤40g，整車在100%剛性墻正面碰撞中的最大動態壓縮量往往要在500 mm 以上。

3 結論

約束系統匹配剛度愈小，約束系統匹配間隙愈小，則約束系統吸收能量愈好，減少乘員沖擊，有利于乘員胸部加速度減少。車體加速度愈小或整車動態壓縮量愈大，說明車身結構能量吸收效率愈高，車體降乘效應愈好，乘員胸部加速度會相應減小，有利于乘員保護。一個合理的約束系統匹配特性和一個良好的車身降乘效應更加有利于乘員保護作用，同時安全帶預緊和限力特性也為約束系統開發提供條件。