车与车正面碰撞安全性仿真研究*

崔崇桢,曹立波,颜凌波,2,Cing-Dao Kan

(1.湖南大学,汽车车身先进设计制造国家重点实验室,长沙 410082； 2.汽车噪声振动和安全技术国家重点实验室，重庆 400039；3.乔治华盛顿大学,国家事故分析中心,阿什本 20147)



2015117

车与车正面碰撞安全性仿真研究*

崔崇桢1,曹立波1,颜凌波1,2,Cing-Dao Kan3

(1.湖南大学,汽车车身先进设计制造国家重点实验室,长沙 410082； 2.汽车噪声振动和安全技术国家重点实验室，重庆 400039；3.乔治华盛顿大学,国家事故分析中心,阿什本 20147)

以某中型乘用车有限元模型为基础，分别建立质量减轻25%、刚度增加25%和同时减轻质量和增加刚度的3种变型车模型，连同基础车，共有4辆目标车模型，分别与中型乘用车、SUV和小型乘用车进行正面100%和50%重叠率的碰撞仿真，以研究乘用车质量减轻和刚度增加对其碰撞加速度和驾驶员损伤的影响。结果表明，在车与车100%和50%重叠正面碰撞中，乘用车质量减轻和刚度增加使其自身碰撞加速度明显升高；质量减轻后的目标车驾驶员头部HIC36、胸部最大加速度值和大腿力最大值增大；刚度增加后的目标车在100%重叠正面碰撞中驾驶员损伤加重，而在50%重叠正面碰撞中驾驶员头部和大腿损伤减轻。

车与车碰撞；安全性；仿真；相容性；损伤风险

前言

车与车碰撞事故统计分析指出，在车与车前碰撞事故中，质量、刚度和几何尺寸是影响乘员致命或严重损伤的3个最重要因素，其中质量是影响驾驶员损伤的第1位因素，车辆几何尺寸和刚度是第2位因素[1-4]。有研究指出，两车碰撞中乘员的相对损伤风险与车辆结构的能量吸收特性、车辆质量之比和车辆长度或尺寸有关[5]。一些研究者建立了车与车碰撞相对损伤方程来研究车辆参数对损伤风险的影响。文献[6]中建立了基于数据库的致命损伤风险模型来研究质量、刚度、侵入量以及安全带是否使用等因素对损伤风险的影响和这些因素的相互作用。在试验研究方面，文献[7]中进行了一个车与车碰撞试验项目，研究车辆性能指标和被撞车辆驾驶员死亡率之间的规律。目前，国内外关于车与车碰撞安全性的研究主要是SUV与乘用车碰撞或乘用车与乘用车碰撞的相容性[8-9]，较少考虑一种车型在整个车辆群体中与多种车型碰撞时的安全性。

中型乘用车、SUV和小型乘用车是公路交通中3种典型的车型。在我国，SUV和小型乘用车日益增多，如2011年我国SUV销量达到160万台，小型乘用车销量也超过180万台。随着SUV和小型乘用车越来越多，不同车型之间的碰撞相容性问题也会越来越突出。本文中以某中型乘用车为研究对象，通过改变该车有限元模型，建立质量减轻、刚度增加和同时减轻质量并增加刚度的新车型，分别进行中型乘用车与中型乘用车、SUV和小型乘用车100%及50%重叠率的正面碰撞仿真，分析了碰撞过程中结构变形、车体加速度和驾驶员损伤情况。

1 模型建立

1.1 车型选择

美国乔治华盛顿大学国家事故分析中心(national crash analysis center, NCAC)采用逆向工程方法建立了多种车型的有限元模型，并根据US NCAP正面碰撞和IIHS 40%偏置碰撞试验结果对有限元模型进行验证[10]。选取该中心建立的2001福特Taurus、2003福特Explorer和2010丰田Yaris有限元模型分别代表中型乘用车、SUV和小型乘用车，如图1所示。

1.2 约束系统建立

建立Taurus的驾驶员约束系统，主要包括50百分位多刚体Hybrid III假人、多刚体座椅和转向系统、有限元车体、安全气囊和混合安全带系统，采用PSM(prescribed structure motion)方法模拟脚踏板和膝盖接触区域仪表板的侵入，如图2所示。根据NTHSA 4776号试验结果验证了该约束系统的有效性[11]。

1.3 目标车建立

近年来，越来越多的汽车采用轻量化材料和新的结构设计来减轻车体质量。同时，为满足碰撞安全性需要，车辆前部刚度也比数年前有所增加。为更真实地模拟车与车正面碰撞事故，本文中以福特Taurus有限元模型为基础车，选取整车质量m、前部结构刚度KW400和碰撞事故车辆类型为变量，来模拟不同质量、刚度车辆与不同类型车辆碰撞时的安全性。

通过降低钢材部件密度35%来达到整备质量减轻25%，同时保持整车刚度不变，用于代表轻量化后前端结构刚度不变的车辆，文中称为车A。通过利用高强度钢DP500代替基础车的钢材部件使前部结构刚度增加22%，用于代表质量不变而前部结构刚度较大的车辆，文中称为车B。同时减轻整车质量和增加刚度得到质量较轻而刚度较高的车辆，文中称为车AB，用来研究质量减轻和刚度增加的交互作用。

以基础车、车A、车B和车AB作为车与车碰撞中的目标车辆，进行US NCAP刚性墙正面碰撞仿真，得到的碰撞力-位移曲线如图3所示。因为具有相似的结构特性，基础车型和车A在前400mm变形范围内几乎具有相同的碰撞力。车B和车AB在前400mm变形范围内的刚度比基础车增加了约22%，结构刚度增加造成碰撞初期和后期较高的碰撞力。

2 仿真方法

为研究不同车辆类型之间的碰撞，选取中型车(Taurus)、SUV(Explorer)和小型车(Yaris)作为碰撞事故车辆变量的3个水平。以这3种车作为车与车碰撞中的同伴车辆。由于车与车碰撞较复杂，需要全面分析不同碰撞中的安全性，因此通过全因子试验设计来安排碰撞仿真，每组进行12次仿真。

文献[12]中对事故统计分析指出，前纵梁全部参与的碰撞和一侧纵梁参与的偏置碰撞在前碰撞中所占比例都高于30%，是前碰撞中两种最常见的碰撞事故类型。根据这个结果，分别进行目标车辆与同伴车辆之间100%和50%两种重叠率的正面碰撞仿真。在碰撞仿真中，目标车和同伴车的初始速度都是56km/h，但方向相反，共进行了24组碰撞仿真。图4为目标车与同伴车碰撞示意图。

3 仿真结果分析

3.1 结构变形分析

在车与车100%重叠碰撞中，目标车和同伴车主要吸能结构高度基本一致，车辆两侧主要吸能结构都参与碰撞，产生变形的结构较多，碰撞界面上的碰撞力分布比较均匀。碰撞双方车辆前围板侵入量较低，乘员舱保持完好。

在50%重叠碰撞中，只有单侧吸能结构参与碰撞吸能，车体变形相对较大。目标车辆与中型、小型车碰撞时，前围板侵入量有所增加，但乘员舱基本完整。基础车、车A与SUV碰撞时，SUV的左前纵梁压溃基础车和车A的左前门柱，造成乘员舱严重压溃；当车B与SUV碰撞时，车B前舱结构刚度增加，左侧纵梁、左侧轮罩和悬架罩变形后阻止SUV左前纵梁进一步侵入，避免了乘员舱压溃，见图5。可以看出，在车与车50%重叠碰撞中，两车前部结构刚度差异是造成车辆乘员舱压溃的主要原因。

3.2 加速度曲线分析

目标车辆和中型车在100%正面碰撞中左右B柱下部的平均加速度曲线对比如图6所示。从图6(a)可以看出，车A的加速度曲线整体较高，但是仍保持与基础车相近的波形。这是因为车A与基础车具有相似的结构刚度，在碰撞中结构变形产生的碰撞力基本一致，而其车体质量减轻导致加速度上升。对于车B，加速度曲线上升较快，较早达到峰值，加速度曲线波形发生较大变化，这是由于车B与其它车辆碰撞时，其较高的结构刚度导致了较大的碰撞力。对于车AB，质量减轻和刚度增加都会导致其加速度曲线升高，峰值接近45g。

从图6(b)可以看出，中型车加速度曲线峰值略有变化，加速度波形变化较小。这可能是因为目标车辆的质量或刚度改变主要影响中型车的变形量，而对其结构变形模式影响较小。中型车相近的结构变形模式产生的碰撞力也较接近，因此加速度曲线非常接近。

图7为目标车与中型车在正面50%重叠碰撞中左右B柱下部的平均加速度曲线。与100%重叠碰撞相比，50%重叠碰撞中加速度曲线持续时间较长、峰值较低，目标车加速度曲线变化趋势一致。

目标车辆与SUV、小型车碰撞时，加速度曲线变化趋势与图6和图7基本一致。总体来看，质量减轻和刚度增加造成自身加速度上升，而对同伴车加速度影响较小。

3.3 目标车驾驶员损伤指标分析

3.3.1 100%重叠正面碰撞

采用中型车Taurus的驾驶员约束系统来分析目标车驾驶员损伤。在车与车100%重叠正面碰撞中，仪表板侵入量较小，不考虑仪表板侵入对驾驶员造成的损伤，以目标车纵向加速度作为输入量进行仿真分析，目标车辆驾驶员损伤指标如表1所示。

表1 100%正面碰撞中目标车驾驶员损伤指标

由表1可见，在同样碰撞条件下，车A和车B驾驶员损伤指标比基础车较高，而车AB驾驶员损伤指标最高，特别是与SUV碰撞时，车AB驾驶员HIC36达到1 853。车A由于质量减轻导致碰撞过程中速度变化量较大，加速度曲线上升较高且峰值增加，导致HIC36增加。对于车B，较高的HIC36是因为碰撞中其加速度值上升较快且峰值出现较早，导致头部与转向盘之间的相对速度较高。对于车AB，质量减轻和刚度增加造成加速度更高，从而导致HIC36更高。加速度升高也造成驾驶员与安全带、内饰之间的碰撞力增加，特别是在车B与SUV碰撞中，最大胸部加速度达到64g，超过了法规要求上限60g。随着加速度的增加，驾驶员大腿与仪表板碰撞更加剧烈，导致大腿力增加。特别是车AB驾驶员右大腿力峰值达到20.3kN，超过了法规上限10kN。可以看出，质量减轻和刚度增加都会造成100%正面碰撞中乘用车驾驶员损伤风险增加，乘用车同时减轻质量和增加刚度会导致驾驶员损伤风险增加更多。

车与车碰撞事故研究发现，当两辆质量不同的车辆发生事故时，较轻车辆和较重车辆驾驶员损伤风险之比与较重车辆和较轻车辆质量比成指数关系[13]。图8为100%重叠碰撞中目标车驾驶员不同部位损伤指标随两车质量比(同伴车与目标车辆质量之比)增加的变化趋势。可以看出，头部HIC36、胸部加速度都随质量比增大而显著升高，而驾驶员胸部压缩量略微增加，增加幅度较小。随着质量比增大，基础车和车A驾驶员的右大腿力变化较小，而车B和车AB驾驶员右大腿力增大明显，可能是因为碰撞过程中较高的加速度导致驾驶员大腿和仪表板内饰之间相对碰撞速度较大。

根据US NCAP碰撞试验中50百分位男性Hybrid III假人损伤风险计算方法，计算出目标车驾驶员不同部位损伤风险，如图9所示。其中头部、颈部和胸部采用简明损伤标准3级以上(AIS3+)的损伤风险，大腿采用包括髌骨粉碎性骨折的2级以上(AIS2+)的损伤风险。从图9可知，当基础车与同伴车碰撞时，驾驶员颈部AIS3+损伤风险最高；当车A与同伴车碰撞时，头部、颈部损伤风险增加较少，大腿AIS2+损伤风险增加幅度稍大；当车B与同伴车碰撞时，头部、颈部和胸部损伤风险略有增加，而大腿AIS2+损伤风险增加最多，特别是与SUV碰撞时驾驶员的大腿AIS2+损伤风险接近80%；当车AB与同伴车碰撞时，由于加速度更高，驾驶员各部位损伤风险比车B更高。可以看出，在100%重叠车与车碰撞中，质量减轻对目标车自身驾驶员头部、颈部、胸部AIS3+损伤风险影响相对较小，刚度增加会造成大腿力AIS2+损伤风险增大较多，而同时减轻质量和增加刚度对驾驶员损伤风险增加更大。

3.3.2 50%重叠正面碰撞

以目标车X、Y向加速度和Y、Z向旋转加速度作为约束系统输入量，采用PSM方法模拟脚踏板和仪表板下部运动，对50%重叠碰撞中目标车驾驶员损伤进行仿真分析。

表2为50%重叠碰撞中目标车驾驶员损伤指标。从表2可以看出，基础车、车A与SUV碰撞时，头部HIC36分别达到1 184和1 214，左大腿力高达30kN，右大腿力也超过了法规要求上限10kN。主要原因是基础车、车A与SUV碰撞时，乘员舱压溃变形，仪表板向车辆后方和下方的侵入量过大，对驾驶员膝部造成严重的二次碰撞和挤压，并导致驾驶员身体后移。同时车体绕Z轴旋转，导致驾驶员躯干向A柱方向转动。驾驶员头部与气囊左半部分接触，并与转向盘发生碰撞，产生较高的HIC36值。车B由于刚度较高，碰撞中的侵入量较低，驾驶员膝部受到的载荷较小，大腿力比基础车和车A驾驶员明显降低。车AB加速度最高，导致其驾驶员损伤比车B更高，由于侵入量降低，左大腿力相对基础车和车A有所下降。目标车与中型、小型车碰撞时，其驾驶员相对于车体转动和后移较少，驾驶员与约束系统相互作用较好，损伤相对较低。

表2 50%重叠碰撞中目标车驾驶员损伤指标

50%重叠碰撞中目标车驾驶员损伤指标与两车质量比的关系如图10所示。与100%正面碰撞类似，头部HIC36、胸部加速度和大腿力随着质量比增加而上升，而胸部变形量随着质量比增加变化较小。

50%重叠碰撞目标车辆驾驶员损伤风险如图11所示。在目标车与SUV碰撞中，大腿AIS2+损伤风险最高，达到100%，颈部和胸部AIS3+损伤风险随着目标车质量和刚度的改变变化较小。目标车与中型、小型车50%重叠碰撞中驾驶员头部、颈部和胸部AIS3+损伤风险变化较小；而刚度增加时，驾驶员大腿AIS2+损伤风险有所下降。可以看出，在车与车50%重叠碰撞中，乘用车质量减轻对驾驶员损伤影响较小，而刚度增加可以降低仪表板侵入量，减轻大腿和头部损伤。

由于篇幅有限，本文中未对同伴车驾驶员损伤情况进行分析。

4 结论

通过车与车碰撞仿真，分析了中型乘用车质量减轻和刚度增加对不同类型车与车正面100%和50%重叠碰撞加速度及其驾驶员损伤的影响。

在正面100%和50%重叠的碰撞中，中型乘用车质量减轻和刚度增加使自身加速度升高，而对同伴车加速度影响较小。中型乘用车驾驶员头部HIC36、胸部加速度和最大大腿力随着两车质量比增加而增大，而胸部变形量变化较小。

在正面100%重叠碰撞中，中型乘用车质量减轻或刚度增加都使驾驶员损伤指标增加，大腿AIS2+损伤风险增加较明显；在正面50%重叠碰撞中，中型乘用车质量减轻对驾驶员损伤影响相对较小，而刚度增加有利于减轻驾驶员头部和大腿损伤。

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Simulation Study on Vehicle to Vehicle Frontal Crash Safety

Cui Chongzhen1, Cao Libo1, Yan Lingbo1,2& Cing-Dao Kan3

1.HunanUniversity,StateKeyLaboratoryofAdvancedDesignandManufacturingforVehicleBody,Changsha410082;2.StateKeyLaboratoryofVehicleNoise-Vibration-HarshnessandSafetyTechnology,Chongqing400039;3.TheGeorgeWashingtonUniversity,NationalCrashAnalysisCenter(NCAC),Ashburn20147

With a medium car as base vehicle, three variant FE models are obtained by reducing gross mass, increasing front-end stiffness and simultaneously reducing mass and increasing stiffness respectively, so there are altogether four target vehicle models including base one. Then both 100% and 50% overlap frontal crash simulations are conducted with four target vehicles against three partner vehicles (medium car, SUV and small car) respectively to study the effects of mass reduction and stiffness increase on crash acceleration and driver injuries. The results show that the mass reduction and stiffness increase of medium car increase its own impact acceleration significantly in both 100% and 50% overlap frontal crashes; For target vehicle with reduced mass its IC36, maximum chest acceleration and maximum femur force of driver increase; As for target vehicle with increased stiffness, driver’s injuries become severer in 100% overlap frontal crash, while the head and femur injuries of driver are less severe in 50% overlap frontal crash.

vehicle to vehicle crash; safety; simulation; compatibility; injury risk

*国家863计划项目(2012AA111802)和国家973计划项目(2012CB723802)资助。

原稿收到日期为2013年3月21日，修改稿收到日期为2013年12月6日。