轿车侧面柱碰撞结构响应与乘员损伤研究*

杨济匡,覃祯员,王四文,顾国荣

(1.湖南大学汽车车身先进设计制造国家重点实验室,湖南 长沙 410082;2.查尔摩斯科技大学应用力学系,瑞典; 3.国家客车质量监督检验中心,重庆 401122)

轿车侧面柱碰撞结构响应与乘员损伤研究*

杨济匡1,2†,覃祯员1,3,王四文1,顾国荣1

(1.湖南大学汽车车身先进设计制造国家重点实验室,湖南 长沙 410082;2.查尔摩斯科技大学应用力学系,瑞典; 3.国家客车质量监督检验中心,重庆 401122)

基于侧面柱碰撞对乘员伤害的严重性,应用计算机仿真方法对轿车侧面柱碰撞进行研究.通过对车身侧面结构变形、加速度响应和假人损伤参数等方面的分析,揭示了柱碰撞的特性,并据此提出了改进门槛及地板横梁强度的措施.结果表明:与侧面壁障碰撞相比,轿车侧面柱碰撞造成了对乘员更严重的损伤风险,增大了车身侧面结构的侵入量.通过提高门槛梁、地板横梁强度可以有效地提高车辆抗柱撞的车身结构安全性.

结构响应;侧面柱碰撞;乘员安全;改进措施

在各种汽车碰撞事故形态中,汽车侧面碰撞事故导致乘员重伤和死亡率高达25%,是造成乘员重伤和死亡的主要事故类型,其中43%～55%是车对车碰撞事故造成的,另外12%～16%是由于车体侧面撞击到柱状物而造成的[1].由于乘员与车门内板之间仅存在20～30 cm的距离,一旦受到柱状物碰撞,乘员将受到强烈贯入的冲击载荷作用,乘员损伤级别一般在AIS3+及以上,人体损伤涉及到头部、胸部、腹部、骨盆以及上下肢,其中头部和胸部损伤几率各高达33%,腹部或骨盆为16%[2].

汽车侧面碰撞可以分为直接碰撞和间接碰撞2种形式,直接碰撞是指车与车之间的碰撞,而间接碰撞是指由于车辆的滑移、跑偏等引起的与障碍物的碰撞.随着汽车碰撞试验研究的深入,为尽可能多地分析不同事故类型对人体的伤害,碰撞试验的形式也越来越多,侧面柱碰撞试验也随之出现.目前国际上现有的侧面柱碰撞法规有:Euro NCAP(Pole Side Impact)[3],美国联邦法规(FMVSS201)和美国联邦法规(FMVSS214NPRM(oblique pole test))[4].这些试验方法的不同之处主要体现在:车辆的碰撞形态、碰撞柱的尺寸﹑试验中所用的假人﹑碰撞速度和角度、碰撞基准点的位置和乘员伤害指标等方面.现有的侧面柱碰撞试验并非作为强制性要求法规,这使得设计者在车型设计阶段很少考虑柱碰撞下的耐撞性,但是由于现实的侧面柱碰撞事故对乘员造成严重的伤害,侧面柱碰撞的研究也越来越受到关注.

在中国侧面碰撞的研究比较晚,侧面碰撞法规于2006年7月才开始实施,目前对侧面碰撞的研究主要还是集中在车对车的碰撞(撞击物为移动变形壁障),即侧面壁障碰撞,而对车与柱状物体发生侧面碰撞的研究几乎是空白.据相关数据统计[5],我国由于车与柱状物发生侧面碰撞事故而导致乘员死亡占了整个侧面碰撞事故乘员死亡案例的38%.由于目前的蜂窝铝壁障侧面碰撞试验不能反映来自车外柱状物体碰撞的威胁,因此,开展侧面柱碰撞研究具有重要意义.

1 侧面柱碰撞仿真模型

仿真方法在碰撞问题的基础研究中被广泛应用.侧面柱碰撞乘员损伤分析将涉及到撞击物、被撞车辆以及车内乘员,因此侧面柱碰撞仿真模型离不开撞击物、车辆结构和假人3部分.为了研究方便,本文将仿真分析分为2个部分:1)碰撞结构响应分析;2)结构-假人碰撞分析.前者主要用于分析撞击物、被撞车辆的结构响应特性,后者主要用于分析假人损伤.

采用的整车原型为美国National Crash Analysis Center建立的有限元模型,该模型进行了正面碰撞仿真结果与实车碰撞试验结果的对比验证,其验证结果证明了此模型的有效性、稳定性和可靠性[6].另外,整车模型在侧面碰撞的有效性也已经在曹立波等[7]的研究中被验证了.本文将用此模型作为基本模型,按照欧洲侧面柱碰撞试验法规要求[3],建立了侧面柱碰撞有限元仿真模型,进行柱碰撞的研究,其中仿真模型包含整车有限元模型和柱体模型2部分.在实际的车与柱状物碰撞事故中,柱状物一般变形很小,欧洲柱碰撞试验法规中把柱状物定义为刚性柱体,试验时整车以侧向速度29.5 km/h垂直撞击位于其侧面的固定刚性柱体,刚性柱体的直径为254mm,其横向垂直面通过驾驶员座椅上的假人头部重心.在仿真碰撞中,碰撞边界条件严格按照欧洲侧面柱碰撞试验法规要求定义,其中碰撞初始速度为29.5 km/h,计算时间设为200 m s.有限元模型如图1所示.

图1 侧面柱碰撞有限元模型Fig.1 The FE modelo f po le side im pact

根据MADYMO子结构模型设计中的预定结构运动(PSM,Prescribed Structure Motion)方法耦合人-车模型[8],建立了假人损伤分析模型,如图2所示.由于在侧面碰撞中,安全带的作用很小,因此这里不考虑安全带的影响.该模型中包含多刚体假人模型和有限元模型2部分,其中假人模型采用了MADYMO假人数据库中的ES-2多刚体假人,而有限元模型包含对假人损伤有影响的柱状物和主要侧撞结构部件,主要包括:车身侧面结构、车门、内饰及座椅等结构.这种简化是与侧撞特点相符合的,因为侧撞时只有受撞一侧部分的结构发生变形,并且人体损伤也主要与这一部分结构的变形特性有关[9].模型中的部件运动由节点位移来描述,包括车辆刚体运动和结构的变形2方面,它们由整车碰撞仿真模拟结果中提取.由于在试验中,车内假人跟车辆是以相同的初始速度侧向撞击刚性柱体的,因此在损伤分析模型中假人的侧向初始速度与整车的初始速度相同.

图2 假人损伤分析模型Fig.2 The analysismodelo f dummy injury

2 仿真结果分析及评价

为了能够清晰地了解侧面柱碰撞的特性,本文在分析侧面柱碰撞的车身侧围结构变形、加速度响应和假人损伤时,将仿真结果与侧面壁障碰撞仿真结果作了对比,其中侧面壁障碰撞参考了ECE-R95标准.

2.1 结构碰撞响应

2.1.1 总体能量响应特性

总体能量响应特性可以用于评估车身结构的耐撞性.侧面柱碰撞系统能量-时间曲线如图3所示.

图3 系统能量-时间曲线Fig.3 System energy-time history

从图3可以看出,柱碰撞仿真中系统能量的构成趋于合理,总能量守恒,滑移界面能和沙漏能保持很小的正值,并且不超过总能量的5%,由此进一步表明了建立的仿真模型是可靠和有效的.

在侧面柱碰撞中,车体是唯一吸收碰撞能量的载体,由于在碰撞瞬间车体不仅产生侧向平动,还会因碰撞接触面相对于车体重心所产生的力矩而发生旋转运动,其变形吸收的能量与旋转能量成反比.此碰撞位置车体旋转能量较小,系统的内能和动能分别占总能量的86%和6.8%.而在侧面壁障碰撞中,车辆和移动变形壁障共同吸收碰撞能量,碰撞结束后,系统内能和动能分别占总能量的55.6%和41.6%,碰撞能量将近一半转化为动能,减小了车身结构的变形能.从能量的角度可以看出,侧面柱碰撞对车身的耐撞性提出了更高的要求.

2.1.2 侧围结构变形特性

图4为侧面碰撞过程中车身侧围结构变形最大时刻的变形分布图,图5为碰撞结束后车身前后车门外板中部的变形曲线.

图4 侧面碰撞侧围结构变形图Fig.4 The disp lacement of vehicle side structure

图5 车门外板中部的变形曲线Fig.5 Comparison of door deformation(Po le and MDB)

由图4和图5可知,在柱碰撞中,车身变形主要集中在与柱体直径相当的狭小区域,门槛梁、地板及地板横梁发生了严重失稳变形,不能有效地分散碰撞力和抵抗柱体冲进乘员舱;由于门槛梁的严重变形,导致B柱和车门向车内塌陷,整个侧围结构形成V型侵入车内.而在侧面壁障碰撞中,侧围结构的变形主要集中在前后车门和B柱下部,门槛梁、地板及地板横梁变形很小.上述分析表明:门槛梁、地板及地板横梁的刚度对于车辆侧面结构抗柱撞的能力产生较大的影响.

在侧面碰撞安全性的研究中,驾驶员的生存空间是首先要考虑的一个重要因素,本文采用前门内板侵入量作为评价指标.仿真中前门内板侵入量最大点的侵入量-时间曲线如图6所示.从图6可知,侧面柱碰撞车门内板发生变形的时间较侧面壁障碰撞提前,在相同的碰撞时刻,柱碰撞的侵入量要大得多,其最大侵入量比侧面壁障碰撞增加了63.3%.碰撞结束后,侧面柱碰撞和侧面壁障碰撞的车门或B柱内板侵入车内最大部位距离驾驶员座椅中心线的距离分别为182和61 mm.根据IIHS对车身的评价方法[10-11],碰撞结束后B柱内板与座椅中心线的距离≥125 mm,车身B柱变形处于“优”等级,距离为50～125 mm,处于“达标”等级.由此可以说明,侧面壁障碰撞车身具有良好的乘员生存空间,而该车型在侧面柱碰撞中,车身变形处于“达标”等级,对车内乘员伤害造成严重的威胁.

图6 车门内板侵入量-时间曲线Fig.6 The intrusion-time history of inner door

2.1.3 加速度响应分析

加速度曲线能综合反映车辆在整个碰撞过程中受到的碰撞力的变化过程,同时便于了解碰撞过程中的一些内部结构对响应的影响.若碰撞加速度响应曲线波动趋势较为平稳,则车身刚度分布比较合理,各梁系部件能够有效地分散和传递碰撞力.图7为2种侧碰形态下车身非碰撞侧B柱下端加速度-时间曲线.

图7 B柱下端Y向加速度-时间曲线Fig.7 A cceleration-time history o f bottom B pillar-Y

由图7可知,侧面柱碰撞的加速度响应曲线波动趋势更大,加速度峰值出现的时间历程更早,这表明车辆的侧围结构刚度仍不能有效地抵抗柱体的冲击,刚性柱体侵入车身的时间比侧面壁障碰撞中蜂窝铝侵入车身的时间更早.侧面柱碰撞最大加速度峰值大于侧面壁障碰撞的峰值,并且车身加速度的持续时间长很多.从能量角度来分析,车辆在撞击过程中所吸收的能量更多,受到的破坏更大.

2.2 假人损伤参数分析

将侧面柱碰撞仿真结果中的侧围结构、座椅等部件的变形时间历程输入到图2所示的模型中,并将碰撞侧的驾驶员假人损伤结果与侧面壁障碰撞结果进行对比.

2.2.1 头部伤害指数

头部伤害指数H IC是评价碰撞对乘员头部伤害的主要指标,其限值通常为1 000,H IC值越小,头部伤害越小.在侧面柱碰中假人头部与车外的碰撞柱体相接触,假人头部H IC值为5 468,是法规限值的5倍多;而在侧面壁障碰撞中假人头部无接触, H IC值很少会超出法规限值.这是由于车身侧面结构抗柱撞能力较差以及未安装侧面气囊保护装置,在侧面柱碰撞中假人头部与碰撞柱体直接发生接触导致较大的H IC值.

2.2.2 胸部伤害指数

侧面碰撞试验中肋骨的变形量是重要考核指标,ECE-R95中给出的限值为42mm.侧面碰撞的上肋骨变形量比中、下肋骨变形量大,上肋骨变形情况如图8所示.在所进行的侧面柱碰撞中,假人上、中、下3根肋骨的变形量均超过了法规限值,肋骨最大变形量出现的时间比侧面壁障碰撞早,而侧面壁障碰撞肋骨变形量均在法规限值之内.

图8 上肋骨变形-时间曲线Fig.8 Rib deflection-time history

2.2.3 腹部伤害指数

ECE-R95中规定假人腹部力要求小于2.5 kN,从图9可以看出,假人的腹部力都能符合法规要求,柱碰撞假人的腹部力峰值比侧面壁障碰撞的要小,出现的时间也较早.

图 9 腹部力-时间曲线Fig.9 Abdomen force-time history

2.2.4 骨盆性能指数

ECE-R95中规定假人耻骨力要求小于6 kN.从图10中可以看出,侧面柱碰撞中假人的耻骨力达到8.8 kN,远高于法规要求,而侧面壁障碰撞中,耻骨力峰值为4.5 kN,符合法规要求.

图10 耻骨力-时间曲线Fig.10 Public force-time history

2.3 仿真结果综合分析

从侧面碰撞的结构变形、加速度响应、假人损伤分析等方面的综合分析可以看出,侧面柱碰撞车身变形主要集中在与柱直径相当的碰撞区域,对车身的冲击和破坏性更大,门槛梁、地板及地板横梁发生了严重变形,地板横梁甚至出现塑性铰,柱体侵入车内,车门内板最大侵入量比侧面壁障碰撞高了63.3%;假人除了腹部损伤指标外,其他各项损伤指标均超过了法规极限.而该车型在侧面壁障碰撞中具有良好的车身结构安全性,门槛梁、地板及地板横梁变形很小,假人的各项损伤指标均在法规之内.由此可见,与侧面壁障碰撞相比,侧面柱碰撞对车身的耐撞性提出了更高要求,对车内乘员造成更严重的伤害,研究柱碰撞下的车身结构安全性对于提高车辆的安全性是非常重要的.

3 改进措施

车体侧面结构耐撞性在很大程度上决定了车内乘员与侧围结构二次碰撞的剧烈程度,它对人体损伤有很大影响,合理控制车体的耐撞性,对减小人体损伤有重要意义[12].因此,本文对在侧面壁障碰撞中已具有良好碰撞安全性的原车型的改进主要从提高车辆抗柱撞的耐撞性出发,对整车的耐撞性影响较大的门槛梁、地板横梁的刚度进行适当提高,其他条件不变.其中地板横梁的厚度由1.5 mm改为2.0mm,门槛梁内新增加的加强件厚度为1.5mm,材料采用超高强度钢DP780,原门槛加强件材料由B340LA改为DP780,门槛的截面形状如图11所示.改进前后车门内板最大变形部位的侵入量-时间曲线如图12所示.

图11 门槛梁截面Fig.11 The section of door-sill-beam

图12 改进前后车门内板侵入量-时间曲线Fig.12 The com parison of inner doors intrusion

从图12中不难看出,改进后车门内板最大侵入量减小了37 mm,降幅为13.7%.碰撞结束后,车门内板侵入车内最大部位距驾驶员座椅中心线的距离为98mm,乘员的生存空间比改进前有所改善.通过将改进后仿真结果中的侧围结构、座椅等部件的变形时间历程重新输入到图2所示的模型中进行计算,结果显示假人的头部H IC值、肋骨最大变形量、腹部力和耻骨力等损伤指标值分别由原来的5 468 mm,56.1 mm,1.97 kN和8.82 kN变为5 392 mm,48.7 mm,1.62 kN和8.37 kN,很明显各项损伤指标值都有所降低,说明了本文的改进措施能降低乘员的损伤.

本文也存在一些局限性,上述改进的目的在于考察门槛梁和地板横梁的刚度对车体耐撞性能的影响,因此,只对门槛梁和地板横梁进行了适当的加强,如果对门槛梁和地板横梁采用更高屈服强度的超高强度钢,其效果会更加明显.另外,由于刚度加强是有限的,并且刚度加强可能会导致车体的碰撞加速度太大,对现实车辆而言仅仅考虑提高车体的耐撞性还不能充分达到保护车内乘员的目的,良好的侧围结构耐撞性只是第一道保护屏障.因此,除了通过上述提高整车耐撞性能从而降低乘员损伤风险外,还可以通过使用防护衬垫、侧面安全气囊等防护措施降低乘员与车体的二次碰撞,减小对乘员的伤害.

4 结 论

本文的仿真研究表明:与侧面壁障碰撞相比,侧面柱碰撞造成了对乘员更严重的损伤风险,对车身的耐撞性提出了更高的要求.门槛梁和地板横梁刚度是影响车辆侧面柱碰撞结构耐撞性能的主要因素;通过适当提高门槛梁和地板横梁的刚度可以有效地提高车体抗柱撞的耐撞性能,从而降低乘员的损伤风险.因此,车辆设计者在车身结构安全性的设计阶段,应考虑轿车侧面柱碰撞下的车身结构安全性,这将有利于提高整车的侧面碰撞安全性.

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Study of the Structural Response and Occupant Injury in Side Pole Im pact to a Passenger Car

YANG Ji-kuang1,2†,QIN Zhen-yuan1,3,WANG Si-wen1,GU Guo-rong1
(1.State Key Laboratory of Advanced Design and Manufac ture for Vehicle Body,Hunan Univ,Changsha, Hunan 410082,China;2.Dept o f App lied M echanics,Chalmers Univ of Technology,Sw eden; 3.National Coach Quality Supervision and Test Center,Chongqing 401122,China)

Based on the occupant injury severity in side pole impact,this paper conducted a computer simulation study on the side pole im pactof a passenger car.The injury criterion and parameters of dummy, the side structure deformation and acceleration of the car body were thoroughly analyzed in terms of the crash characteristics of the car in side pole impact.The countermeasures for im proving the strength of the door-sill-beam and the floor cross member were p resented.Simu lation resu lts have shown that the side po le impact increases occupant injury risk and makes more intrusion on the side structure of the body, com pared w ith car to barrier side impact.The passenger car safety performance can be imp roved in side po le impact by strengthening the door-sill-beam and the floor crossmember.

structure response;side pole impact;occupant safety;countermeasure

U461.91

A

1674-2974(2011)01-0023-06 *

2010-01-15

国家863计划资助项目(2006AA 110101);教育部、国家外专局111计划资助项目(111-2-11);教育部长江学者与创新团队发展计划资助项目(531105050037);湖南大学汽车车身先进设计制造国家重点实验室自主课题资助项目(60870004)

杨济匡(1948-),男,湖南湘潭人,湖南大学教授,博士生导师

†通讯联系人,E-mail:jikuangyang@hnu.cn