不同重叠率下两车正面碰撞兼容性研究

刘 洋

（1.湖南建筑高级技工学校，长沙 410015；2.湖南城建职业技术学院，长沙 410015）



不同重叠率下两车正面碰撞兼容性研究

刘 洋1,2

（1.湖南建筑高级技工学校，长沙 410015；2.湖南城建职业技术学院，长沙 410015）

摘 要：本文以小型轿车与中型轿车、MPV、SUV、皮卡四种不同车型在不同重叠率下的正面碰撞有限元仿真为基础，选取小型轿车的前围板及A柱侵入量和乘员舱加速度作为衡量兼容性的参数，对不同车型与小型轿车在不同碰撞重叠率下的正面碰撞兼容性进行了研究，探究不同碰撞重叠率下影响正面碰撞兼容性的关键因素，为整车设计提供理论依据。

关键词：碰撞兼容性 重叠率 有限元仿真

汽车正面相撞事故已成为我国道路交通事故的主要事故形式之一。根据中华人民共和国道路交通事故数据统计，2010年正面相撞事故起数占总事故数的27.52%，其造成的人员死亡占总事故死亡人数的28.53%，造成的经济损失也相当巨大[1]。根据美国致命事故报告系统（FARS）数据统计，造成致命的交通事故中51%是车与车碰撞事故，其中轿车的乘员死亡人数占77.5%[2]。许多研究指出，碰撞车辆在质量、前舱刚度及前部几何上的差异是影响碰撞兼容性的主要因素[3-5]，在实际交通事故中两车兼容性还受碰撞重叠率的影响[6-7]。探究这些因素对两车碰撞兼容性的影响特点是改善兼容性问题的基本前提。

小型轿车质量轻、燃油经济性好是最适合我国基本国情的车型，其市场占有量也相当高，但小型轿车在两车事故中存在较高的乘员损伤风险，所以其他车辆对小型轿车的兼容性问题不容忽视。而目前对两车正面碰撞兼容性的研究大都集中在单一车型间，小型轿车与不同车型间的正面碰撞兼容性还未被全面研究。本文通过仿真分析研究小型轿车与不同车型车辆在不同重叠率下的正面碰撞兼容性特点，探究不同重叠率下影响两车正面碰撞兼容性的关键因素。

1 方法和材料

1.1 两车碰撞物理模型描述

两车碰撞时，其动力学响应特性与两车接触结构的相互位置有关。如图1和图2所示，两车接触位置分别位于车辆前纵梁外侧和纵梁内侧时的力学模型[7]。当两车接触位置位于纵梁外侧时：

式中，FL为两车碰撞相互作用力，FL为左侧纵梁支反力，FR为右侧纵梁支反力，M为保险杠弯矩，D为纵梁间距，X为碰撞力作用点与右侧纵梁支点距离。

当两车接触位置位于纵梁内侧时，上述式子可表达为：

图1 纵梁外侧接触碰撞车辆载荷力学模型

图2 纵梁内侧接触碰撞车辆载荷力学模型

根据式（1）至式（6）可知：当两车接触位置位于纵梁外侧时，随着重叠率的增大（X减小），车辆保险杠及左右纵梁受碰撞后，载荷将减小；当两车接触位置位于纵梁内侧时，随着重叠率的增大（X增大），接触侧纵梁所受载荷随之减小，而非接触侧纵梁所受载荷则随之增大，保险杠所受弯矩先随之增大至碰撞力位于两纵梁中点时再随重叠率增大而减小。但实际碰撞中，两车相互作用力F也会随之重叠率的变化而变化，从而使车辆前部结构产生不同的变形模式和变形量，所以需进一步研究重叠率对两车碰撞兼容性影响。

1.2 车辆模型及参数对比

在前碰与兼容性评价研究项目（FIMCAR）第二次项目计划中，研究者们对英国联合碰撞损伤研究中心（CCIS）和德国深入事故调查中心（GIDAS）的两车正面碰撞事故数据进行了统计分析。其统计结果表明乘用车与乘用车碰撞事故占所有致车辆乘员AIS2+损伤的两车正面碰撞事故数量的50%～60%[8]。所以，本文选用中型轿车、MPV、SUV和皮卡四种不同类别的乘用车为对象，研究小型轿车的正面碰撞兼容性。文中所用到的5款车型的有限元（FE）模型都是美国国家碰撞分析中心（NHTSA/NCAC）在网上发布的模型，分别是Neon（小型轿车）、Taurus（中型轿车）、Caravan（MPV）、Explorer（SUV）、Silverado（皮卡）。所有车辆的FE模型（如图3所示）均经过100%刚性墙正面碰撞试验验证，可用于正面碰撞研究[9]。

为了研究方便，通常用AHOF400（前舱变形在400mm内时的平均力高度）描述汽车前端几何特征，AHOF400由车辆测力墙碰撞试验结果计算得出[10-12]。用Kw400（前舱变形在400mm内时的计算变形能量刚度）描述汽车前舱刚度特征，Kw400通过车辆正面刚性墙碰撞试验中的力与位移曲线（图4所示）计算得出[10]。表1中列出了本文中所选用的四种车型在质量、几何结构和刚度上的差异。

图3 本文中所用车型FE模型

图4 车辆力-位移曲线对比

表1 各车型模型参数对比

1.3 两车碰撞FE模型建立

来自FIMCAR的交通事故统计结果还表明乘用车与乘用车碰撞事故中碰撞重叠率大于75%时，乘员受AIS2+损伤风险较大，50%～74%时次之，小于50%时乘员损伤风险较其他重叠率情况小[8]。根据Hisaaki Kato等人对美国国家汽车调查系统—耐撞性数据系统（NASS-CDS）的统计分析,在正面碰撞致命事故中，63%的事故发生在车辆重叠率为22%～75%的情况下，30%的发生在车辆重叠率大于75%时，且将近60%的事故的碰撞速度都低于50km/h[2]。基于上述交通事故统计结果，为充分研究各重叠率下小型轿车与其他乘用车正面碰撞兼容性，本文建立了小型轿车与四种不同车型在不同重叠率下的正面碰撞有限元模型（Neon-Taurus、Neon-Caravan、Neon-Explorer、Neon-Silverado），相对碰撞速度为50km/h，重叠率为30%、50%、70%、100%（驾驶员侧）。

在车与车的碰撞事故中，汽车乘员舱的巨大变形是导致乘员受伤害的关键性因素，其中68%的下肢损伤来自人体与仪表板的撞击[2]，前围板的侵入量可以反映出乘员受伤害的风险。所以本文选取Neon前围板及A柱侵入量和乘员舱加速度作为评价两车兼容性的参数，其中侵入量仿真结果输出位置分布情况如图5所示。运用非线性动态仿真软件LS-DYNA对碰撞模型进行仿真分析。

图5 侵入量仿真结果输出位置分布

2 结果

2.1 前部结构相互作用

图6为重叠率是100%时Neon与四种不同车型碰撞前部结构相互作用情况。从图6可以看出，碰撞时，Neon前纵梁压于碰撞对方纵梁下方，产生明显的“钻撞”现象。对比分析可知，随着AHOF400差的增大，“钻撞”现象越严重。但由于车辆前部副车架和次级吸能结构的作用，Neon对Taurus和Silverado碰撞时的“钻撞”现象得到明显的缓解。Neon前纵梁的纵向变形量随着对方车辆刚度和几何高度的增加而增大，Neon-Silverado时，Neon纵梁纵向变形最大，其次为Neon-Explore。

如图7所示，以Neon-Explorer为例描述了不同重叠率下车辆前部结构相互作用情况。30%重叠率时，碰撞接触区域位于两车纵梁外侧，Neon保险杠左端向内侧弯曲，纵梁向左侧弯曲；50%重叠率时，两车碰撞接触位置位于纵梁内侧，但两车纵梁在同一平行线上，Neon保险杠左端向外侧弯曲变形，左侧纵梁产生压溃形变，右侧纵梁向左侧弯曲；70%重叠率时，两车接触位置和纵梁均在对方纵梁内侧，Neon保险杠中部向外侧弯曲变形，左侧纵梁产生压溃和弯曲形变，右侧纵梁向左侧弯曲变形；100%重叠率时，两车前部全部碰撞，Neon保险杠两端向外侧弯曲，双侧纵梁产生压溃和弯曲形变。

图6 重叠率100%时Neon与四种不同车型碰撞前部结构相互作用

图7 不同重叠率下车辆前部结构相互作用

2.2 乘员舱侵入量

图8为各重叠率下Neon与四种不同车型碰撞时的前围板及A柱侵入量仿真结果。重叠率为30%时，除驾驶员侧A柱侵入量外其他部位侵入量均为Neon-Silverado的最大，然后依次为Neon-Explorer、Neon-Caravan和Neon-Taurus。重叠率为50%时，各处均为Explorer对Neon造成的侵入量最大，然后依次为Silverado、Caravan和Taurus。重叠率为70%时，接触侧（驾驶员侧）前围板侵入量为Neon-Caravan时最大；而该侧A柱侵入量则为Neon-Silverado时最大，然后依次为Neon-Explorer、Neon-Caravan和Neon-Taurus；非接触侧（乘员侧）各处侵入量均为Neon-Explorer时最大。重叠率为100%时，各处侵入量均为Neon-Silverado时最大，其次为Neon-Explorer。

图8 各重叠率下Neon与四种不同车型碰撞时的前围板及A柱侵入量

2.3 乘员舱加速度

图9为不同重叠率下Neon与四款车正面碰撞仿真的乘员舱加速峰值比较。从图9可以看出，在不同重叠率下，Neon与各车型相碰产生的加速度值存在较大差异，同一重叠率下不同车型对Neon产生的加速峰值也不同。重叠率为30%时，Neon-Caravan和Neon-Explorer加速度峰值较大，分别为24.8g和23.7g，然后依次为Neon-Silverado（17.9）、Neon-Taurus（10.9g）。重叠率为50%时，Neon-Explorer的加速度明显高于其他模型，其峰值为32.5g，Neon-Caravan （25.6g）和Neon-Silverado（23.4g）次之，Neon-Taurus （17.2g）最小。重叠率为70%时，Neon-Explorer（32.2g）和Neon-Silverado（29.2g）的加速度明显高于其他两种模型。重叠率为100%时，Neon-Silverado（26.1g）的加速度为四者中最大，其次为Neon-Explorer（21.9g）、Neon-Caravan（19.6g）和Neon-Taurus（16.6g）。

图9 不同重叠率下Neon与四款车正面碰撞仿真的乘员舱加速峰值

3 讨论

从分析结果可以看出，随着前部几何高度差的增加，两车“钻撞”现象越明显，但由于不同重叠率下车辆参与接触碰撞的部件不同，车辆前部几何结构高度和刚度因素对兼容性的综合影响特性规律不明显。

3.1 乘员舱侵入量

从侵入量仿真结果中可以看出，四款车型中SUV和皮卡对小型轿车的碰撞兼容性相对较差，中型轿车对小型轿车的碰撞兼容性相最好。但碰撞时不同车型对小型轿车前围板及A柱造成的侵入量存在差异，且在不同重叠率下车型间对小型轿车造成的侵入量大小顺序和主要侵入部位也有所不同。这是碰撞时载荷传递路径，主要吸能结构相互作用效果及车辆本身质量、前部刚度、前部几何高度参数特点共同作用的结果。30%重叠率时，受车辆重量、刚度的影响，各车型对Neon的侵入量大小基本按质量比和刚度比的大小顺序而排列；但是，驾驶员侧A柱侵入主要是由于载荷沿Neon上边梁向后传递时所致，而由于皮卡前部结构刚好与小型轿车上边梁产生了较好的相互作用效果，致使小型轿车上边梁产生了较好的变形，明显减小了小型轿车的侵入。50%和100%重叠率时，碰撞载荷主要沿碰撞车辆间的左侧纵梁传递，小型轿车的最大侵入部位在驾驶员侧前围板处。由于两车纵梁直接接触碰撞，前部几何结构高度和刚度综合因素对两车正面碰撞兼容性影响最明显，小型轿车的乘员舱侵入量和加速度峰值都随着AHOF400差和Kw400比的增大而增大。70%重叠率时，载荷主要沿碰撞双方的左侧纵梁及发动机向后传递，由于MPV发动机距离车辆前部的空间较其他车辆小，阻碍了其前部部件的变形，致使较大载荷由小型轿车承担，碰撞能量大部分由小型轿车吸收。然而，小型轿车前部空间吸能量有限，只能通过乘员舱的变形吸收剩余能量，导致其前围板较大侵入，致使小型轿车侵入量大于其与几何高度差和刚度比均更大。

3.2 乘员舱加速度

两车碰撞时的加速度与其碰撞时的相互作用力有关，而相互作用力的大小受两车质量、刚度、几何结构高度和在碰撞中的主要吸能部件的具体变形特点影响[10]。不同重叠率时，车辆碰撞加速度受车辆结构参数影响特点存在差异。

比较同一碰撞对方在不同重叠率下小型轿车加速度峰值可以看出，随着重叠率的变化，碰撞加速度峰值呈现出一定的变化规律：小型轿车与MPV碰撞时，随着重叠率的增大小型轿车乘员舱加速度减小；重叠率小于50%时，纵梁未直接参与碰撞，MPV前部高度恰好使得小型轿车卡于其下部，车辆未产生明显旋转，而前部吸能部件又少，从而加速度峰值最高；纵梁参与碰撞时，由于MPV前纵梁为拱形结构，碰撞时以弯曲变形为主，且其发动机距离车辆前端短，碰撞时前部较易变形至发动机处产生加速度峰值；随着重叠率的增加，参加吸能的部件随之增加，当变形至发动机处时前部吸收的能量也增加，从而减小了碰撞加速度峰值。小型轿车与其他三款车型碰撞时，随着重叠率的增大，其加速度峰值均为抛物线形式变化，在50%至70%重叠率时达到最大；这是由于重叠率小于50%时，纵梁未直接参与碰撞，且车辆碰撞时会出现旋转，从而纵向加速度较低；纵梁参与碰撞时，随着重叠率的增大，车辆碰撞旋转减弱，而前部参与吸能的部件增加，当重叠率接近70%时二者因素达到平衡，从而产生最大加速度。

比较同一重叠率下不同碰撞对方至小型轿车加速度峰值可以看出，不同重叠率下影响两车正面碰撞兼容性的主要因素存在以下特点：30%重叠率时，几何结构高度因素对两车碰撞的相互作用效果影响最大，MPV和SUV前部高度恰好使得小型轿车在碰撞时将前轮卡在了它们的前纵梁下，小型轿车前部部件变形较小，产生了较大的相互作用力，从而引起了较大加速度峰值。50%和70%重叠率时，车辆前部刚度因素作用明显，SUV和皮卡对小型轿车产生的加速度大于其他车型，但由于皮卡前部刚度比SUV略小，所以小型轿车与皮卡碰撞时加速度峰值比与SUV碰撞时小。而100%重叠率时，几何结构因素和刚度因素综合作用，皮卡前部几何高度高，当小型轿车完全钻入其纵梁下方时产生最大加速度，此时作用力大于高刚度SUV与小型轿车碰撞时，所以与皮卡碰撞时小型轿车加速度峰值最大。从小型轿车乘员舱加速度仿真结果来看，四款车型中SUV和皮卡对小型轿车的兼容性较差。

4 结论

本文研究了小型轿车对不同车型的正面碰撞兼容性特点，分析了不同碰撞重叠率下影响正面碰撞兼容性的主要因素。研究表明，质量大、刚度高及前部几何尺寸高的车型（如SUV和皮卡）对小型轿车的正面碰撞兼容性较差。在不同碰撞重叠率下，车辆前部结构布置特点能改变三大要素对兼容性的影响特性：重叠率小于30%时，车辆前部几何结构特点是影响兼容性的主要因素；重叠率在30%～50%时，车辆刚度和几何结构为兼容性主要影响因素；重叠率在50%～70%时，发动机直接参与碰撞，其布置特点影响两车兼容性；重叠率大于70%碰撞时，车辆质量、前部几何结构和刚度为影响正面碰撞兼容性的主要因素。所以，在进行碰撞兼容性研究时需具体考虑车辆前部结构特点和车辆碰撞时的结构相互作用特点，应结合质量、刚度和几何因素全面分析车辆碰撞兼容性问题。

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A Study on Compatibility of Vehicle-to-Vehicle Frontal Crash in Different Overlap Ratios

LIU Yang1,2
(1.Hunan Building Senior Technical School, Changsha, 410015;2. HuNan Urban Construction College,Changsha, 410015)

Abstract:Based on small cars and midsize sedan, MPV and SUV, pickup truck, four different models under different rate of overlapping of frontal crash simulation based on f inite element, select small car dash panel and A column into amount and crew capsule acceler ation as to measure the parameters of the compatibility, the different models under different collision overlap rate with s mall cars in the frontal cr ash of compatibility was studied, under different collision overlap rate to explore the key factors influencing the frontal crash compatibility, as to provide theoretical basis for the vehicle design.

Key words:crash compatibility,overlap ratio,finite element simulation