1、汽車側面碰撞過程的仿真作者：史廣奎朱西產(chǎn)馮琦程勇陳曉東游國忠摘要：結合國內(nèi)首次汽車側面碰撞試驗，建立了包括移動壁障、假人和轎車在內(nèi)的汽車側面碰撞模型。通過仿真準確地再現(xiàn)出復雜的實車側面碰撞過程。關鍵詞：側面碰撞模型仿真1前言大量的交通事故是汽車發(fā)生側面碰撞。以2000年我國發(fā)生的交通事故為例，正面碰撞事故占20.8%，而側面碰撞事故占34.4%1。從傷亡情況看，正面碰撞造成的傷亡人數(shù)占26.9%，而側面碰撞占32.3%?？梢娧芯科噦让媾鲎矊Ω纳平煌ò踩陵P重要。歐美從20世紀80年代初就開始重視對汽車側面碰撞的研究。美國于1990年頒布并執(zhí)行了汽車側面碰撞保護法規(guī)FMVSS214；歐洲在19

2、95年也制定了相應的法規(guī)ECER95,并于1998年強制執(zhí)行。我國目前還沒有頒布汽車側面碰撞的強制性法規(guī)。2002年5月30日,在國內(nèi)完成了第一輛轎車的側面碰撞試驗。單靠試驗來解決汽車側面碰撞問題是不現(xiàn)實的,迫切需要將計算機仿真技術與汽車側面碰撞試驗結合起來。這樣,可以利用仿真數(shù)據(jù)全、針對性強的特點對試驗結果進行剖析,也可利用周期短、成本低的優(yōu)勢對產(chǎn)品改進方案進行評估。試驗方案用移動壁障模擬撞擊車，它由臺車和吸能塊組成，總質量為956kg，質心距地503mm。吸能塊采用ECER95規(guī)定的標準吸能塊,其前端面分成6個區(qū)域,處于下部的1、2、3區(qū)比上部的4、5、6區(qū)向前突出60mm，旨在模擬保險杠

3、（圖1）。被撞車為一輛國產(chǎn)轎車,橫置在移動壁障的跑道上。駕駛員為EuroSID-l型標準假人，其H點處在跑道中心線正上方。牽引絞盤通過鋼絲繩帶動移動壁障以501km/h的速度行駛，在距轎車2m處鋼絲繩和移動壁障突然脫開，讓移動壁障和轎車左側面發(fā)生碰撞。用高速攝像、電測量和光測量三種方式同時采集汽車、假人和移動壁障各部位的加速度和變形量。汽車側面碰撞模型3.1移動壁障建立的移動壁障模型有6661個單元，7837個節(jié)點。吸能塊主體采用體單元和蜂窩鋁材料，內(nèi)部的襯板采用板單元和分段線形塑性材料，臺車部分為剛體。保證吸能塊的變形特性和耗散能量特性是移動壁障建模的技術關鍵，需要對吸能塊的單元特性反復進行

4、調(diào)整，通過仿真驗證確定最終的模型。驗證方法是令移動壁障在光滑路面上以35km/h的速度與剛性測力墻碰撞，要求吸能塊的最大變形量為（33020）mm,耗散能一變形曲線、整體和16區(qū)的力一變形曲線應在一定的界限范圍內(nèi)2。驗證結果如圖2所示，各項指標都滿足了上述要求。4L醫(yī)料琵能15IEZEH.gkN?.5RECEE95I卜匪4L醫(yī)料琵能15IEZEH.gkN?.5RECEE95I卜匪316kNMm圖2吸能塊的變形特性3.2假人假人模型是在VPG（虛擬試驗場）/Safety模塊中提供的EuroSID-l假人樣本模型的基礎上建立的。原模型頭部、頸部、胸部和左右腿的質量低于標準假人23。補足質量后，對頭

5、部、肩部、胸部、腹部和骨盆的響應特性進行了仿真標定。頭部：對稱面與水平面成35o,下方200mm處設一剛性墻。對頭部所有節(jié)點施以重力加速度，使之與剛性墻碰撞，要求頭部質心的合成加速度的峰值在100150g之間2。標定結果為131g。肩部：假人坐在剛性平面上，胸部豎直，上臂向前與豎直方向成40，兩腿水平伸直。做一直徑為152mm、質量為23.5kg的柱形擺錘模型。擺錘以4.3m/s的速度撞擊肩軸，要求擺錘的加速度峰值在7.510.5g之間。標定結果為10.1g。胸部：將肋骨組件固定在剛性支架上。做一直徑為150mm,質量為7.8kg的柱形落錘模型。落錘以1.0、2.0、3.0、4.0m/s的速度

6、撞擊肋骨側面，要求肋骨的位移分別在1014、23.527.5、3640、4651mm之間。標定結果為：12.0、25.1、39.2、49.5mm。腹部：假人坐在剛性平面上，胸部豎直，上臂和兩腿向前水平伸直。做一質量為23.5kg的沖擊錘模型（沖擊面為150mmx70mm的矩形）。沖擊錘以6.3m/s的速度撞擊腹側，要求沖擊錘受力峰值在9.511.1kN之間，且發(fā)生在撞擊后9.811.4ms；腹部合力的峰值在5.97.9kN之間。標定結果：沖擊錘受力峰值為10.2kN,發(fā)生在10ms；腹部合力的峰值為6.1kN。骨盆：假人坐姿與腹部標定時相同。用直徑為152mm，質量為23.5kg的柱形擺錘以4

7、.3m/s的速度撞擊H點,要求擺錘受力峰值在4.45.4kN之間，且發(fā)生在撞擊后10.315.5ms；恥骨合力峰值在1.041.64kN之間，且發(fā)生在9.915.9ms。標定結果：擺錘受力峰值為4.8kN,發(fā)生在14ms；恥骨合力峰值為1.48kN，發(fā)生在12ms。3.3汽車汽車結構復雜，綜合考慮計算時間和計算精度，對整車各部位采用了疏密程度不同的單元：位于車身左側、前圍最前點和C柱下部之間的區(qū)域為主變形區(qū)，單元邊長為1020mm,主要部件包括左側的車門、門柱、門檻、門橫梁、地板、座椅、頂蓋、頂蓋橫梁、儀表板前輪罩等；與主變形區(qū)對稱的右側區(qū)域為次變形區(qū)，單元邊長為2040mm；對于前后非撞擊區(qū)

8、，單元邊長大多在50mm以上。四邊形單元的最大邊長與最小邊長之比不超過4:1三角形單元不超過2:1；四邊形單元各內(nèi)角在4501200范圍內(nèi)，三角形單元的最小內(nèi)角不小于250；四邊形單元的翹曲度在10以下。圖3為整車模型，共有173529個單元，173651個節(jié)點，5200個焊點。其中，車身骨架、車門、座椅骨架、副車架、發(fā)動機罩、行李倉蓋采用可變形的板單元，懸架和輪胎利用VPG模型庫中提供的模型進行參數(shù)定義，動力總成簡化為剛體，其余對側面碰撞影響不大的部件由質量點代替。模型總質量為1050kg,質心距地581mm,距前軸1026mm,與實車情況一致。圖3整車模型圖3整車模型圖4為左側前后車門模型

9、。左側車門是側面碰撞模型中的關鍵部件，單元邊長大多在15mm以下，局部最小單元邊長為6mm。焊點位置參照了實際車門焊接位置布置。左前門有14797個單元，14957個節(jié)點和495個焊點。左后門有11910個單元，11213個節(jié)點和390個焊點。顧及到門鉸合頁為鍛件，其剛度遠高于與之連接的車門和門柱的局部剛度，使用了剛性的板單元來代替實體單元，鉸鏈銷采用柱鉸單元；對門鎖的鎖止作用采用彈簧單元來模擬，為了模擬到門鎖可能發(fā)生的脫離現(xiàn)象，定義了彈簧單元失效時的各方向變形量。Ji2S,i0；11皿0門外駛交總Ji2S,i0；11皿0門外駛交總M為計K和測疋圖4左側前后車門模型仿真與試驗結果比較按以下步驟

10、完成仿真：讀入模型T選擇碰撞法規(guī)T定義移動壁障位置和速度T定義假人位置、坐姿和安全帶的約束T建立碰撞中的接觸T定義控制卡片T定義仿真結果輸出T提交分析任務。車門變形量的仿真結果與試驗數(shù)據(jù)的比較見表1。計算和測量的部位同為圖4標出的車門外板位置。從表1可以看出仿真結果準確再現(xiàn)出如下信息：車門最大變形（直接關系到對人體的傷害程度）發(fā)生在前門的第3點，與試驗結果一致；計算的最大變形量為342mm，僅與試驗結果相差23mm（約6%）；車門的變形輪廓為前門第1517部位和后門第2124部位發(fā)生翹曲，其它部位侵入乘員室內(nèi)，這也與試驗情況相符；仿真的平均誤差（以32點總變形量的誤差計）為18.8%。誤差主要

11、在后門的下部，在所測的32點中以第6點的偏差為最大，與試驗結果差了93mm（約41%）。表1車門孌形量的比較皿）3116實斛直1頑ion17231311IS斗咅313-5542.1?45710斗3J23232Qc225311瓏21-54-12S22531S22712114023-1E倔22024*310350252529102-543412S75111射02?l&l號12as2S11415713so*1291572001420S73017123515-It)-5312432S01點-47加速度響應的的仿真結果與試驗曲線的比較見圖5。計算和測量的加速度同為汽車駕駛員座椅支座的側向加速度、移動壁障

12、質心的縱向加速度和假人頭部的合成加速度。從圖5可以看出：座椅支座加速度在21、29、43ms處的三個主要峰值均仿真出來，這三個峰值的仿真誤差分別為5%、11%和23%；移動壁障加速度峰值的試驗結果是-15.5g,發(fā)生在碰撞后42ms,仿真結果也是-15.5g,發(fā)生在44ms；假人頭部加速度峰值的試驗結果是80g,發(fā)生在碰撞后60ms,仿真結果是74g,也發(fā)生在60ms。在加速度的仿真結果中,以移動壁障的仿真精度為最高，原因是其結構相對簡單，并預先進行了性能驗證；假人的仿真精度低于汽車的仿真精度,原因在于假人的響應主要來自更為復雜的車內(nèi)二次碰撞,其誤差是車身響應誤差和假人模型自身誤差的積累。50

13、口圖5加速度響應的比較前門改進意見該轎車的試驗結果中，各項安全指標都達到了ECER95的要求。但測得的假人恥骨合力的最大值為5.5kN,已接近ECER95所允許的上限（6kN）。究其原因，發(fā)現(xiàn)前門最大變形部位正處于假人H點附近，對人體盆骨構成了較大的傷害威脅。通過仿真，對前門的改進提出了如下見解：防撞桿的板厚由2.5mm改為3mm；窗臺加強板的板厚由1.2mm改為1.5mm；門檻加強梁的板厚由0.6mm改為1mm。改進前、后假人恥骨合力的仿真結果及原車試驗曲線一同繪入圖6。仿真結果表明，改進后假人恥骨合力可降低17%。圖6假人恥骨合力6結論建立了包括移動壁障、假人和轎車在內(nèi)的汽車側面碰撞模型。仿真和試驗結果對比表明，該模型能夠準確地再現(xiàn)實車側面碰撞過程，可用于對試驗結果進行剖析和對產(chǎn)品改進方案進行評估。參考文獻1中華人民共和國道路交通事故統(tǒng)計資料匯編(2000).公安部交通管理局，20002ECERegulationNo.95.Un